三维虚拟再现技术（精选十篇）
三维虚拟再现技术 篇1
虚拟人技术是高度逼真的现实人体的数字化再现技术, 它以虚拟现实技术为基础, 主要研究人类的各种特性如面貌、表情、行为、感知、情感、心理和社会性等在虚拟空间中的数字化表示。角色动画技术, 本质上来说, 就是拟人动画—从运动考虑。角色动画技术一直是学术界和产业界关注的焦点, 它已经广泛地应用于游戏动画、产品设计、虚拟现实和体育训练等诸多行业, 成为目前计算机领域最活跃的研究课题之一。
2、角色动画技术
根据角色表示方式的不同, 三维角色动画技术分为以下四种: (1) 关节动画技术。关节动画又叫杆状动画, 它是早期的角色动画表现形式。关节动画中的角色由若干个独立的部分组成, 每一部分又分别对应一个独立的网格模型, 不同部分按照角色的特点组织成一个层次结构。通过改变模型中不同部分之间的相对位置, 就可以实现所需要的动画效果。 (2) 顶点动画技术。顶点动画又叫关键帧动画, 它标志着真实感角色动画的开始。顶点动画中的角色由一张完整的网格模型构成。顶点动画文件中只保存角色动画关键帧的顶点位置信息, 播放动画时, 根据时间对两个关键帧的位置信息进行插值计算以得到对应时间的动画数据。 (3) 骨骼蒙皮动画技术。骨骼蒙皮动画是一种仿生学技术, 可以看作是关节动画和顶点动画的简单结合。它采用简化的分层表示模型, 主要包含两部分数据:层次化骨架和蒙在骨架上的皮肤, 如图1所示。用骨骼承载运动, 用皮肤表达角色, 由骨骼控制皮肤变形达到角色动画的目的。 (4) 多层模型动画技术。多层模型动画是在骨骼蒙皮动画基础之上, 通过在皮肤层和骨骼层之间添加其它层次形成的。它的控制机制比较复杂, 由骨骼承载运动, 且骨骼控制肌肉层, 皮肤层由骨骼、肌肉和脂肪层共同控制生成动画。
3、几种角色动画技术的比较和分析
(1) 关节动画技术优缺点。关节动画形式结构简单, 对动作的表达效果也比较好, 且易于理解, 适合用于以人体姿态表达为主的领域;缺点是不能很好的表达角色的非运动信息, 且在关节结合处会出现明显的裂缝。
(2) 顶点动画技术优缺点。同关节动画相比, 顶点动画看上去更加真实自然, 也不会出现关节动画中的接缝问题。但这种动画需要耗费大量的空间去存放网格模型中所有的顶点信息数据, 并且对动画数据的控制级别也比较低, 导致修改动画操作相当复杂, 适应性也比较弱, 不能实时交互, 另外, 由于动画数据被预先保存到文件中的, 又缺乏一定的灵活性。
(3) 骨骼蒙皮动画技术优缺点。骨骼蒙皮动画同关节动画和顶点动画相比, 效果更逼真生动, 交互性更好, 并且控制层次高便于修改动画数据;缺点是骨骼控制皮肤的实现机制复杂, 需要的计算量较大。但是, 随着3D硬件技术的不断提高, 越来越多的复杂计算都可以通过硬件直接实现。因此, 骨骼蒙皮动画成为目前应用最为广泛的角色动画技术。
(4) 多层模型动画技术优缺点。多层模型动画中对肌肉的模拟可以大大提高动画效果的逼真性, 但是由于计算的时间和空间复杂度非常高, 目前还没有大规模地投入应用。
综上所述, 从逼真性和可行性方面综合考虑, 骨骼蒙皮技术在构建角色动画方面都具有明显的优势。
4、骨骼蒙皮动画的实现
骨骼蒙皮动画主要涉及三个方面的数据:运动数据、骨骼数据和皮肤数据。其中运动数据又包含平移数据和旋转数据两部分;骨骼数据又分层次化和非层次化结构数据两种类型;皮肤数据主要是指构建的人体网格模型和覆盖纹理。本文在Open GL开发环境下, 基于动作库提取出了层次化的骨骼数据, 采用三维建模软件3ds Max构建了模型的皮肤数据, 实现了虚拟人的行走运动仿真, 效果逼真、速度流畅, 渲染单人时速度可达200帧/秒以上, 效果如图2所示。
5、结语
本文对比分析了几种典型的角色动画技术的优缺点, 指出骨骼蒙皮动画的特点和优势, 并采用骨骼蒙皮技术实现了虚拟人的行走仿真, 取得了良好的效果。骨骼蒙皮动画如今已是动画制作软件中广泛使用的角色动画技术。随着计算机计算能力特别是3D硬件处理能力的不断提高, 实时骨骼蒙皮动画也已经从早期的实验阶段走向成熟阶段。相信未来几年随着计算机图形学理论研究的不断深入, 三维虚拟人技术将会得到进一步的发展和应用。
参考文献
[1]王晓山, 郭巧.虚拟人步行运动的计算模型.计算机工程与应用, 2005.3:55～57.
[2]王洪福, 陈雷霆, 李东魁.三维图形引擎中骨骼蒙皮动画的一种实现方法.计算机应用研究, 2006.12:349～356.
[3]李东魁, 陈雷霆, 王洪福.骨骼蒙皮动画中网格优化的研究与实现.计算机应用, 2006.26 (1) :138～142.
与狼共舞 1 再现、表现与虚拟 篇2
摘要：在导演凯文科斯特纳执导的影片《与狼共舞》中，以饱含深情的镜头讲述了一段跨越种族的非同凡响的友谊，表现了印第安苏族百姓平凡的但又极其珍贵的日常生活，揭示了美国一个世纪前社会中诸多的现实问题。导演独辟蹊径从另一个视角，深刻的反省了当年的“西进运动”。真实的再现了美国在那个特殊的社会时期的民族矛盾和人性的真善美，极具现实主义色彩。本文将通过对影片《与狼共舞》的再现、表现与虚拟三个美学层次进行深入探讨,通过分析其具体镜头画面，展示其独特的影视美学观念。
关键词：《与狼共舞》再现、表现与虚拟电影美学影片风格导演认知
一影片对西部文化的客观再现
电影的本质是什么？是综合艺术？是运动？还是物质现实的复原？没有谁能够阐释的清楚这个问题，电影诞生到目前已经100多年了，电影艺术也走过了将近一个世纪。但是理论家们至今还在争论这个问题。他们都是电影的特点或者说因素。电影能够吸引人们的眼球，还有一个重要的原因就是，电影能够为普通大众“造梦”，即为观众创造视觉奇观。电影的魅力就在于此，把优美的景色，通过荧幕放大数倍传达给观众，造造成视听震撼。“《与狼共舞》作为一部西部片，依然保留了传统西部片应有的元素。为生活在尘世中的人们构建了一片广袤的“大西部”，它使人们摆脱了现实生活中的种种艰难和困扰，而沉浸在“西部神
1《与狼共舞》话”中”。○用大量的优美的画面展现了美国西部这一“世俗神话”，甚至是几代美国人的生活状态。片子多采用远景和大全景，人物在画面上仅仅占据极小的部分，这种摄影风格非常适合表现西部的自然地理环境。这里，影片是为了再现西部的真实，这种构图方法符合人眼的实际情况。
对西部的客观再现，仅仅拥有美丽的景色是完全不够的，重要的还是要表现西部印第安人的生活状态。饮马放牧，聚族而居，篝火烤肉，皮毛裹身，这都是几个世纪前的印第安人形象。镜头毫无痕迹不加修饰的捕捉了出来。片中的每一个人物都性格鲜明，有血有肉。“十头熊”的深沉睿智，“踢鸟的”求知欲，“握拳而立”的敢爱敢恨都塑造得十分到位。在接近4个小时的激情演绎中，对淳良质朴、勤劳勇敢等传统美德进行了赞美，并对和平共处、友爱互助等民族相处之道给予了肯定和支持，使充满浪漫主义的跨种族爱情故事感人肺腑、意义深远。同时，对当时社会中白人对待印第安人的残忍和野蛮进行了无情的揭露，这是非常符合那段不堪回首的往事的。“西部开拓史”从某种程度上而言，其实是对印第安人残忍迫害的罪恶史。本片丝毫没有回避任何有关这段历史的意思。白人后来的军官们发现了约翰巴登，只是因为他是穿着印第安人的服饰，就不问青红皂白毫无顾忌的向其开枪。
影视美学中的再现，其实就是类似于哲学范畴中的物质现实的复原，他强调的是真实而客观。物质形式的实体是其出发的本源。电影作为一种艺术，必然要考虑到人们日常生活的习惯，首要前提就是真实，如果做不到这点，那么观众就会觉得假或者穿帮。意大利新现实主义就是深受其影响。
二导演对本片的主观表现
本片在把握住了客观真实再现原则的基础上融入了太多导演凯文科斯特纳的个人想法，即主观表现。任何一个人都有其世界观，即对某种事物的主观看法。这种看法是以客观原型为出发点的。电影的美学层次也不例外，不同的导演在面对同一个红苹果时肯定会有不同的想法。《与狼共舞》从一个为苏族印第安人翻案的观点，描述美国白人军官邓巴在南北战争之后自愿到西部前线驻守，结果跟语言不通文化不同的苏族战士交上了朋友，双方时相往还。后来前往当地的白人军队反而将他视为叛徒，对他暴力相向。邓巴从此以身为白人为耻，彻底投向苏族人的阵营，并坚持自己的名字叫“与狼共舞”。不管历史上是否真有其事，但是可以肯定的是，这是为了艺术的需要导演在片中增加了自己对于印第安人苏族部落的极大个人感情，这个从为了增加影片的艺术魅力，专门聘请了一名语言学专家，教不会讲苏族印第安人语言的演员学习语言就可以得出结论。本片从美学层面进行分析，最符合主观表现的一场戏出现在约翰巴登独自一人在自己的营房前跳苏族人的舞蹈时导演配上了苏族人集体跳舞时用到的音乐。这就是所谓的情理之中意料之外。这场戏也表明他除了外型上和苏族人有区别外，内心已经完全把自己当成了苏族的一份子。
主观表现可以渗透到影片的各个方面，具体而言，可以从影片的服化道找出导演的主观愿望。①登巴（与狼共舞）初遇印第安（赤身裸体）--开始于自然间扒掉文明的外衣，归化自然；②初访印第安（全副武装）--文明遇见野蛮，先进遇见落后，文明与先进却遭遇失语；③与印第安交往（交换物品）--被命名（与狼共舞）；④与印第安狩猎（制服，军帽→骨制胸甲，猎刀），象征文明先进的开始失落；⑤与苏族人共同御敌，（枪→失落）；⑥与印第安人结婚，（实现同化）；⑦登巴被白人当叛国罪逮捕，印第安相救，最后离开部落（印第安历史的结束）。通过登巴一步步走近印第安部落，一步步被同化来实现其主观意识形态的转变，从对印第安的戒备一直至与其一起生活，可以视作对所谓文明的一种渐行遗弃。然知白人，印第安人亦都为文明与野蛮的综合体，没有所谓的真正文明开化抑或纯粹的野蛮。这正是导演所要阐释的主题。
三影片中合适的虚拟
虚拟，它不同于虚构，是任何艺术中都存在的现象，指的是有条件的且符合实际生活的想象，“两侠客相见，便电光如织，剑气袭人” 说的就是这个道理。它的性质介于再现与表现之间，是影视美学的一种常态。任何一部电影都离不开虚拟，《与狼共舞》亦如此。
“在《与狼共舞》中，邓巴中尉和“踢鸟”是两个引人深思的角色，他们虽
然如同他们的“同类”那样，对对方文明产生怀疑甚至鄙夷，但是，他们敢于去主动了解对方的思维方式和生活习惯。既然相对于自己的生活经验来说，陌生文化的价值观是如此难以接受，那就去了解对方的生活方式和生活习惯，并思考其所属文明的社会运作方式。如果脱离这点去寻求弥合矛盾或是理解的途径，那就是空谈，难以放下自己的主观成见和价值观中心态度。因为这样就根本没有理解
2在影片中，邓巴中尉可谓是拥有了一系列经典的人类学调查体对方的资本。”○
验，不但敢于学习，更是融入其中，也只有通过一个拥有这样个性的角色才能让我们感受到思维方式的不同和让习惯于西方价值观的观众换个视角来观察历史上发生的这一切。这分明是电影出于解构的需要，虚拟出的部分行为 和思维方式。也许我们会有这样的疑问：既然苏族部落中有像“踢鸟”那样乐于学习，善于理解的人。而邓巴又是那种友好的白人，那大家都放下各自的一些成见，坦诚相见不就解决冲突了吗？其实不只是影片中的白人与苏族的冲突，我们现实世界中的民族冲突和误解都是那么难以和解。而核心的问题就是自我中心。从前文我们可以得出：“民族价值观的偏差和主观意志的自我中心其实相当大地来源于各自文明不同的生活经验。由于生产方式和客观环境的制约，使各文明对整个世界
3对世界的认知的差异深刻地影的认知或是哲学观都来源于自己的生活经验。”○
响了对来自陌生文明的事物的判断，“例如我们难以想象一个来自西方经济理性社会的欧洲商人与一个来自狩猎采集型部落的战士在某件物品的所有权上达成共识；又例如一位以“契约精神”为判断依据的西方法官和一位受传统社会“价值理性”熏陶的乡村官员在同一个案件上产生了迥异的判决，却都认为各自的判决符合“真理”或是“天意”。在“真理”这些根本性问题上产生文化偏差的条
4件下，弥合文明间的冲突确实很难。”○
四三个维度对于国内影视制作的启示
影视美学，其实是一个综合性的概念，它涉及到影视的方方面面面，不可谓不复杂。正因为如此，著名电影专家周传基先生才不断发出呼吁“国内缺乏影视美学”，他的所指有两点，其一，是影视教育的不健全，缺乏系统有效地电影教育。另一方面，也是最重要的一点，国内的影视从业者只会盲目跟风，人云亦云。导致题材撞衫，口碑极差。说到底，其实是没有明白电影的基本原则，那就是再现，表现以及虚拟的尺度。某些电影，刘备都用上了照相机，张飞都骑上了摩托车，观众会不发笑吗？诚然，电影的类型是多种多样的，但是重大历史题材能够拿来恶作剧似的瞎编乱造吗？显然不能，这就要求国内的影视工作者从观念上进行改观，有的放矢，踏踏实实做事，认真学习世界优秀的做法，方可有电影大国走向电影强国。
影视美学的这三个维度，是认识电影，了解电影，并掌握电影规律的基本法则。其余的电影特性都是建筑在其之上的，故，电影美学的重要性不言而喻。
参考文献：
《〈与狼共舞〉——导演讲戏》，《看电影》2004年10月午夜场
杭明书：《世俗神话:重走美国西部》，《电影文学》，2008年第15期3张道风： 影片《与狼共舞》叙事中的文化诉求，○《美国经典电影》2010年18期
三维虚拟城市景观建模技术研究 篇3
关键词：三维建模；城市景观；虚拟城市；CityGML
所谓的“虚拟城市” 是指运用3S技术（遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）、遥测、仿真虚拟技术等现代化技术，以宽带网络为纽带，并应用计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，模拟和表达城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市环境中的现象和过程。城市三维景观中涉及多种地物模型和地形模型，而地形模型是其中必不可少的一类特殊模型，是城市实体的三维空间基础。
1 虚拟三维城市模型系统数据
CityGML是虚拟三维城市模型系统数据库的结构设计主要逻辑，其主要是对三维数据进行储存和管理。当前，主要的数据类型主要有：地籍数据和航空影像；DTM（数字地型模型），20 m精度部分作为框架数据，高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据，特殊地区用TIN建模；对建筑物而言，在三维模型中可以把它当作一个cityObjectMember来看待，它的空间属性并不是非得与LOD2层次的数据描述相同。建筑物模型数据，采用激光扫描或摄像测量方法在大约250 km2范围内对建筑物进行三维重建，建模工具主要通过数据CAD或3D MAX转换成为CityGML格式。
2城市园林景观三维可视化应用
2.1在城市园林景观中，一般情况下所以园林中一部分为建好的，一部分为在建的，在这些区域的数据源多对应现状是普查GIS数据库和CAD设计施工图。设计者为了表达城市园林景观的设计理念和意向的各种分布形态，把CAD设计施工图的数据源中把地形地貌平面、竖向规划、小品平面位置及铺装、植物的分布等所对应。
2.2城市园林景观GIS数据的现状地形图的获取普查是现状建成数据的主要来源。其中，按照绿化分类普查的GIS数据主要有：公园绿地在内的面状数据和对应的属性关联子表，通过“绿地细斑代码”属性字段进行关联。
3 三维虚拟城市景观专题模型
3.1 DTM模型。三维城市建模中地形是最重要的一部分，需要CityGML用起伏要素（ReliefFeature）来描述，其中，每个起伏要素对象可以对某块地域内的地形起伏来描述。具体表现为：规则格网和不规则三角形以及质点集和断裂线等。断裂线主要表示为地面上不连续的部分，几何上一般以三维曲线来变现。这四种地形表现形式在CityGML数据集中可以随意组合。首先，在不同的LOD中可以出现不同类型的精度与分辨率做出反映。其次，不同组合方式可用来描述每块地表。值得注意的是，此种情况下不规则三角网与断裂线必须缝合。再次，相邻的地域可以以不同的形式来分别表达。为了能便于组合不同地域地形比，各个起伏要素对象可用一个二维多边形来指定其有效范围，这种方法可以让地形在不同精度时便于拼合。
3.2建筑物模型。CityGML就是建筑物模型的核心，它是对建筑物的组成和附属部分的空间和专题特征的表达方式。其中AbstractBuilding类是该模型的枢纽，它是CityGML的子类。而BuildingPart和Building类是AbstractBuilding的派生类。即建筑物建模时把某一部分的建模视为抽象“建筑我对象”。另外，一个复杂建筑物对象（BuildingComplex）的一部分也可以是一个Building对象。当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时，建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要问题。因此，（TerrainIntersection）的概念被引入了建筑物和地表面发交叉曲线，该曲线可以精确地对建筑物和地表面的结合位置进行描述，形成一个焕然建筑物的闭环。如：当有的建筑物包含有院子时，则该曲线可以形成两个闭环来组成，其他建筑物的描述也是以此方式来描述的。当集成时，为确保纹理的准确定位，应把采取拖拽的方式把建筑物和地形表面的拖至与交叉曲线完全吻合的为止。
3.3细节层次模型（LOD）。根据处理和分析多元数据的展示需要，CityGML可以分为5个细节层次的精细程度来描述三维城市。其实2.5维的DTM数据既为LOD0，其可以再2维地图和航空影响上以相互叠加的方式来使用。LOD1所描述的建筑物是呈块状形的。LOD2则是主要描述建筑物的屋顶、纹理和植被对象等。LOD3所描述的对象主要是建筑物的结构层次。另外高分辨率的纹理也可以在这些结构面上相互叠加。LOD4层次主要对房间的内部结构进行建模。细节层次的不同点位的精确度也不同。因此，城市的三维数据集质量可以以LOD的级别来评价。用户也可以根据自己的需求，随意选取合适的建模层次。在同一对象可以在一个CityGML数据集中上以不同细节层次来表示，而两个数据集中也可以分别把同一对象的不同细节层次放在一起。细节层次模型既便于三维对象可视化展示，也便于多源数据的集成。
3.4几何拓扑建模。CityGML可以用0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等边界表达的方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模。其中，边、面、立体等基元可以聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求必須确保模型的点、边、面、立体基元及聚合体的一致性，满足完整性约束。并确保拓扑关系清晰性，消除数据冗余，如相离的两个立体基元之间，那么它们两者的体积加在一起就是其体积的总和，相反两个交叉的立体基元的体积计算则非常麻烦。
3.5几何语义建模。CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征上，CityGML以专题模型描述建筑物的属性和层次关系等几何拓扑对象。CityGML模型有语义和几何拓扑两个层次体系，其优点是便于在各自层次体系中分别遍历或者相互遍历。
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3.6建筑物建模。在一般的三维景观中，因为城市中建筑物种类繁多，结构用途各异组成最重要的部分；城市不同建筑风格不同。反映出一个城市的特色可以在特定地段以独特的建筑物及其所处的环境来反应。所以，景观模型的主要表达内容是城市建筑物。由于CAD矢量数据中建筑物等的属性信息不完善，因此，建筑物的高度信息需要查找相应的建筑物楼高资料，以获得准确的楼高信息，保证模型的精确性。导入的CAD底图中，构成建筑物的很多线不闭合，需要沿着建筑物的轮廓线重新描线，由线构成面，并根据建筑物高度赋予相应的高度值。
3.7道路建模。根据道路的表现形式不同可以将道路分级建模。級别低的道路如小路、内部道路等，可以贴近地面建模，而高速路、省道、国道等建模时则要高出地面相应的距离。道路建模时采用先高后低、高低有序原则，即先建级别高的，后级别低的，由高到低。重新描线时将道路封闭为多边形，并做相应级别高度的拉伸，建立道路框架。城市道路表现路面的同时，还主要表现道路附属设施，如路灯、栅栏、公交站台、指示牌等道路小品，这需要在建模软件中精细建模或者获取模型库中的模型。
4 应用三维虚拟城市景观建模技术需注意事项
4.1由于城市测量时地类地物的分层与三维建模时数据的分层略有不同，同时，不编辑和修正的大比例尺地形图图层较多，如果直接将其导入到软件中，不仅会对整个场景的美观产生影响，还会在建筑物的三维建模中受到干扰。因此先需要对CAD数据进行处理，以满足三维建模的需要。
4.2在三维城市建模中，根据建模精度的不同，地类地物的细节表现也不尽相同。在城市三维建模中，主要表现道路、河流、绿化等地类地物及其附属设施。因此在建模之前需要对现有的矢量数据进行处理，主要包括：减少数据的冗余，删除不必要的注记、控制点、高程点、等高线，清理不需要的图层；将点，线的高度属性统一改为0，防止有飞线，飞点产生。必要时需要手动修改点、线，将其高度属性改为0，将建筑物，道路，河流，绿化等信息分层设色，同时检查线状地物是否有重叠、悬挂等情况并加以修正。
参考文献：
[1] 李庆军.三维模型及可视化技术在城市景观应用研究[D].中国建筑，2009.（11）.
[2] 丁令奋.城市景观可视化的研究进展[J].园林与建筑，2010.（05）.
[3] 王育坚，刘治国，张睿哲，刘畅.城市三维建模与可视化应用研究[J]. 北京联合大学学报（自然科学版），2007，21（4）.
[4] 刘凯成.虚拟城市三维景观构建技术研究.城市建筑，2008.（2）.
三维虚拟场景关键技术研究 篇4
虚拟现实技术快速发展,在各行业得到了广泛应用。虚拟场景实时漫游系统是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机交互界面,它综合利用了计算机图形学、网络技术、虚拟现实技术、人工智能技术和多媒体技术,对现实场景环境虚拟化,实现基于多平台的三维漫游[1]。
所谓三维虚拟场景,其实是一个虚拟数字环境,这种虚拟数字环境是通过计算机图形图像构成的三维数字化模型,并编制、生成一个以视觉感受为主的人工环境,能进行听觉、触觉的综合感知,产生一种沉浸于该环境的感觉。在这种环境下能直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化,并与之产生“交互”作用,人和计算机很好地“融为一体”,给人一种“身临其境”的感觉[2]。本文尝试研究三维虚拟场景系统关键技术以及各环节的具体制作过程,并结合一些专业软件技术,构造一个虚拟环境系统。
三维虚拟场景系统建设主要包括CAD设计图的数据处理、三维建筑的初步建模、三维建筑模型的优化与纹理贴图、场景集成与渲染烘焙导出及系统平台集成等关键技术环节。
1 CAD设计图数据处理
三维虚拟场景系统建设首先需要收集实景CAD平面图以及素材纹理图片,并对素材进行加工整理,把经过数据处理后的CAD平面图导入到3Dmax中。
CAD平面图一般是建筑设计平面图,由于它本身带的线条较多,导入到3Dmax中会影响三维建模整体效率。因此,建筑设计平面图不适合直接用来作三维建模的参照底图,需要去掉CAD平面图中多余部分,如填充图案、标注等,并在CAD图层管理中关掉不需要的图层。为了方便底图管理,还应把同一类型的物体用同一种颜色标出,如建筑底图、地形底图和地表物体地图等,然后将所有加工后的底图放到同一图层上。处理后的底图如图1所示。
纹理图片的收集、整理和加工是一项较大的工程,因为三维建模所需要的纹理图片素材较多,而且需要对素材进行较细致的加工整理。纹理图片的收集主要依靠单反相机,由于三维建模对素材图片的要求比较高,在相机的设置和拍摄时间选择上应注意:拍摄前应把相机的拍摄质量设置高些,一般要求在3Mb以上;拍摄时间应尽量选择阳光能够照射到建筑物大部分表面的时候,这样拍摄的图片便于后期的纹理处理。特别是在拍摄建筑物时,需先拍摄一个全景照片,便于三维建模和模型优化处理,然后对建筑的各部分分别拍照,如窗户、门等,尽量使图片精细,这样有利于较好地表现出建筑物的真实效果。
2 三维建筑初步建模及纹理贴图
2.1 三维建筑初步建模
三维建模是虚拟场景建设的重要环节之一,按照预先准备好的素材图片和CAD底图,在3Dmax中进行初步建模。首先需将准备好的CAD平面图导入到3Dmax中。由于虚拟现实场景是基于现实环境对建筑或地形建模,它们之间应有一定的比例关系,因此建模软件系统必须把单位设置为米。另外,三维模型将CAD平面图作参考。因此,在CAD里也需把单位设置为米。
需要注意的是,在三维建模时,参考图不仅仅是CAD平面图,还有三维建筑物的全景图等。下面就以某个建筑的三维建模为例,阐述建模过程及注意事项。
在3Dmax中,首先运用“线”工具,在建筑的底图上勾画出基本轮廓,即画出底图线框;然后在确保勾画底图线框处于选中的状态下,利用“挤出”工具,将底图挤出的高度为建筑物的高度,这样就有了三维建筑的基本轮廓;接下来再参照建筑的全景图片对三维物体初步处理,并按照全景图片对模型做细化加工,细化后的模型如图2所示。
2.2 模型优化
模型优化指在贴图时有些纹理图片不能很好地表现出建筑物外貌,需进行优化处理。优化处理主要采用加线操作,添加建筑物中没有的部分,这样有利于后面对三维模型添加贴图。模型优化还需要删除冗余面,以减小模型体积[3]。
三维模型的初步建模以及优化注意事项:
(1)捕捉工具使用。在虚拟现实场景建模中,捕捉工具的使用对模型的精确度要求很高,使用捕捉工具,可以使三维模型更加精细,一般在三维轮廓建模使用2.5维捕捉,2.5维捕捉只是在一个平面上捕捉,使用它绘制的轮廓都在一个平面上。
(2)单位设置。虚拟现实要求对场景按1∶1建模,所以必须以米为单位,这也是集成引擎软件的需要,一般的集成软件也只支持以米为单位的三维场景。
(3)在初步的模型优化过程中,应根据需要加强线操作,减少部分冗余面。
2.3 纹理与贴图
初步的模型建好后需要对其贴图,贴图之前需先进行二维纹理图片处理和三维模型的高级优化。在Photo-Shop软件中对纹理图片进行矫正处理、像素处理和亮度处理,主要目的是使模型贴图更加方便,纹理能够更好地表现出三维物体在现实中的样式。若贴图后的三维建筑表面没有任何纹理,则需要对其做UVW贴图编辑,编辑时要确保该贴图处于被选中的状态下。
在三维建模与贴图时需注意以下几点:
(1)删除冗余面。虚拟现实系统对三维场景的面数要求很高,面数越多,越影响程序运行效果,所以必须删除不必要的面,如三维物体的地面等。
(2)为了提高贴图效果,应尽量使用像素高的图片,否则不能很好地表现建筑物实貌。
(3)为了使贴图的纹理协调,采用UVW编辑V平伸参数相同的技术。
3 场景集成与渲染烘焙导出
3.1 场景集成
场景集成指在3Dmax中把分离的单个三维模型场景和地形组合到一起,如果所有的三维场景都在同一个3Dmax文件中建模和制作,则不需要集成。
场景集成是将复杂的场景分为n多个小场景进行建模与贴图,例如每一个楼的三维模型、树的模型及地表其它建筑物等,都分别为一个独立的小场景,把每个小场景合并到地形图中,需要对每个模型进行位置调整,把它们分别放到合适的位置。集成后的场景如图3所示。
3.2 三维场景渲染烘焙导出
贴图烘焙技术也叫Render To Textures,简单说就是一种把Max光照信息渲染成贴图的方式,将烘焙后的贴图再贴回到场景中去。这样能够依据物体在渲染场景中的外观创建纹理帖图,并将帖图“烘焙”回物体,通过帖图使当前的外观成为物体的一部分。
3Ds max中的“渲染到纹理”工具可以将各种场景元素渲染或“烘焙”到纹理中,包括照明和阴影,可以在实时3D应用程序中使用这些特殊纹理,以减少渲染器负担,从而提高帧速率。
4 系统平台集成
三维虚拟数字场景系统的开发与集成,主要包括系统设计、功能实现以及系统集成。在功能实现部分主要包括三维漫游功能、查询功能和分析功能,这些功能完全可以搭建起一个完整的数字漫游场景系统。三维虚拟场景系统设计实例如图4所示。
4.1 场景集成及相关设置
首先需要把文件从3DSMax导出成Uinty3D格式,然后在Uinty3D的官方网站下载相应的插件并安装,最后在3DSMax中导出格式为.fbx的文件[4]。由于3DSMax中是将所有的模型和地形集成在一个场景中,所以只需把导出的.fbx文件夹拷贝到Uinty3D新建的工程文件夹下的Assets文件中即可,打开Uinty3D程序时所有的场景和资源都会自动加载。调整旋转角度和设置灯光,并调整场景中摄像机的位置,使程序中的视口符合人的观察视角。摄像机的高度一般设置为1.7m,这个高度适合大部分观察者视角。
4.2 漫游功能实现和系统发布
对于基本的漫游功能,利用Javascript代码来控制摄像机的运动实现,其主要代码如下:
所有交互设置完毕后,将系统编译发布成Web格式或独立的EXE文件,即完成系统的最终成果输出。
5 结语
本系统设计的是室外虚拟场景漫游,从总体上看,该三维虚拟场景系统建设主要包括CAD设计图的数据处理、三维建筑的初步建模、三维建筑模型的优化与纹理贴图、场景集成与渲染烘焙导出及系统平台集成等几个关键技术与环节。基于多平台的三维虚拟场景漫游系统,主要有利用键盘和鼠标操作漫游场景,按指定路径运动、鼠标热键、水面效果、天空效果和多种摄像机的切换等功能。虚拟场景系统可实现视点切换和随机无阻碍漫游,就像浏览者置身于真实场景一样,具有一定的沉浸感和真实感。
摘要：三维虚拟场景建设主要包括CAD平面设计图的数据处理、三维建筑初步建模、三维建筑模型的优化与纹理贴图、场景集成与渲染烘焙导出及系统平台集成等几个关键技术环节。研究了三维虚拟场景关键技术及各环节的具体制作过程,并应用Uinty3D软件作为系统集成平台,构造出完整的虚拟场景系统。
关键词：虚拟场景,Uinty3D,贴图
参考文献
[1]冯强.虚拟场景三维显示实现平台研究[D].北京:北京邮电大学,2015.
[2]陈怀友,张天驰,张菁.虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社,2012.
[3]刘柱,刘瑾.虚拟校园的设计和实现[J].华东师范大学学报:自然科学版,2015(3):352-359.
三维虚拟再现技术 篇5
在国防军事领域中虚拟现实技术应用率较高，例如：在太空训练、宇航探测、军事演习、飞行模拟等广泛应用。上世纪，虚拟现实技术发展成型，该技术集人机交互理论、人体工程学、传感技术、计算机技术等为一身，借助设备或技术，对空间场景进行模拟，且该场景是虚幻的、3维的、交互的。虚拟现实更加丰富了人机交互的内容。随着科技的不断发展，以图像绘制为基础的虚拟现实技术得到迅猛发展，它适当变换采集的场景图像后，完全漫游虚拟环境成为了现实。
虚拟现实技术概述
我国在一些列的试验及研发过程中，经历了技术发展、变革，伴随数字影像技术和摄影技术的突破，虚拟现实技术的应用将传统影像艺术方式彻底改变，给传统摄影艺术中注入新鲜血液，在数字3维全景技术的基础上，组合静态图片，可将现实景象真实显示出来，形成全景图片，新视角的实现依靠新功能的研发与应用，改革、创新了人们看图方式。虚拟现实利用电脑，对3维空间的虚拟世界进行模拟，同时模拟感官，如触觉、听觉、视觉等，让使用者能够对3度空间内的事物展开没有限度、及时地观察。
3维全景技术
以全景图像为基础诞生的现实场景虚拟现实技术就是3维全景虚拟现实技术。利用数码照相机，在固定视点，按一定方式对实景进行拍摄，绕垂直轴向按均匀角度旋转三百六十度，将一组至多组照片拍摄完成，之后通过计算机的调整、拼接、整合等技術手段，对图像进行处理，最后将无缝全景图像生成。再利用计算机技术，将真实场景以互动、全方位的方式展现出来。能够让观看者拥有身临其境的体验，场景的全部图像信息能在三百六十度范围内得到快速、真实的表现，这就是3维全景的特性。如今，在工程项目、院校、汽车、旅游、酒店、服装、城市规划等方面都可利用3维全景进行有效展示。伴随虚拟现实技术的飞跃进步，在在更多行业、领域中，是图像技术大展拳脚的平台。相比于原先的3D建模虚拟现实，数字3维全景技术具有诸多优势，具体包括：第一，格式多样化、适合网络使用，便于传输、文件小，对于各种形式的应用都非常适合。第二，制作需要的成本低、且周期短，因此便于生成。第三，图像透视处理对真实3维实景展开模拟，身临其境感触深。第四，交互性好，控制任意，相比于平面图片，能够对更多图像信息进行表达。第五，比其它建模生成对象更为可靠、更具真实性，真实感强。3维全景能够发布Flash、Java等格式，以及对技术的实现与格式的应用进行播放，3维全景还对物体全景、球形全景以及柱形全景进行了分析，实现3维全景过程。
校园中3维全景虚拟应用
相比于2维校园网页，数字3维全景校园更具有生动、直观、真实的特性。为了让人们了解校园，将校园现实抽象成为2维图片展示及文字描述，该方式间接地将校园信息传递给人，人们还需要通过自己的想象，在头脑中还原真实校园，较为抽象。而3维全景虚拟校园则将校园的人文、自然环境展现在网络上，人们通过浏览实验室、科研设备、图书馆、教室、教学设施等，身临其境地对学校整体进行掌握与了解。与此同时，通过桌面式虚拟现实系统，用户可实现实时交互浏览，在宣传、展示校园文化的基础上，给人身临其境的感受。
3维全景虚拟技术可以扩大学校知名度，提高学校形象。以网络为基础，学校可创建3维全景虚拟校园，帮助学生形象地、直观地对专业和学校进行了解。同时还是校园信息化建设的关键组成，有利于学们良好品德及思想政治素质的有效提高，潜移默化中对每一位学生、教师渗透校园文化、精神。3维全景虚拟技术还便于师生更快地熟悉校园生活，特别是对于新生，能够更快了解校园信息、校园布局，为及早适应校园生活而奠定技术基础。3维全景虚拟校园生动、形象了校园实验楼、食堂、学生宿舍楼、教学楼等，给人身临其境的感受。在构建3维全景虚拟校园的基础上，对真实世界进行模拟，为师生提供逼真、生动、清晰优美的校园，同时将校园绿化情况、布局特点、建筑风格等一览无余地展现出来，给人高度逼真的视觉体验。
结束语
将3维全景虚拟校园建立在互联网中，延伸、并扩展了校园的空间感与时间感，同时为校园封疆展示、信息管理等提供有效措施，记录了学校的发展和变迁。在数字3维全景技术的基础上，组合静态图片，可将现实景象真实显示出来，形成全景图片，而3维全景虚拟校园则将校园的人文、自然环境展现在网络上，人们通过浏览实验室、科研设备、图书馆、教室、教学设施等，身临其境地对学校整体进行掌握与了解。同时还是校园信息化建设的关键组成，有利于学们良好品德及思想政治素质的有效提高，潜移默化中对每一位学生、教师渗透校园文化、精神。3为全景虚拟校园构建于全景图像基础上，系统、直观、且不乏真实性地将3维校园场景以交互的方式展现出来，为人们立体化、全方位了解校园提供技术手段。
（作者单位：重庆信息技术职业学院）
基于虚拟力的三维部署技术研究 篇6
关键词：虚拟力,三维部署,复杂目标,精确覆盖
随着无线传感网技术的不断发展,人们在执行探测任务时越来越多地使用到这项技术[1]。它可以多方面、多角度的收集目标数据,从而更好地完成探测任务[2]。无线传感网技术中,部署策略是基核心问题之一。因为部署策略的优劣直接影响到对目标的覆盖率、节点生存时间[3]和节点的部署时间,这决定了收集数据的完整度、精确度,及时间[4]。
在三维空间中的部署算法复杂度远远超过了在二维空间中的部署算法[5];因此大多数人还都停留在对二维部署算法的研究。但是三维部署算法能够更精确地描述现实世界,准确地反映出现实世界的位置关系;所以慢慢受到了人们的广泛关注。很多人在这方面做出了努力和尝试。不过还很难找到一种万能的算法,一般都是针对某种特定的情况进行分析和研究的。例如在空中侦查等的空中无线传感网、水下水质分析等的水下无线传感网[6],以及土壤污染检测等的地下无线传感网[7]。这些任务都需要无线传感网节点在一个三维空间中对复杂目标进行数据的收集工作。
在二维空间中的部署算法是认为探测任务在一个二维平面内,即忽略高度的变化。节点一般以固定部署为主;即在节点部署前就计算好左右节点的位置坐标,然后将它们一一放置在目标位置不在移动。而进行探测的目标区域一般也设定为一个平面的矩形或是其他规则图形。但是随着任务目标的要求不断地提高,传统的二维部署算法已经不能满足需求;因为节点的高度这一参数已经无法被忽略了。而固定部署策略在很多探测目标位置或是区域内情况复杂时,也很难完成任务。而且随着任务目标的复杂化,目标区域逐步由规则的平面图形转变为不规则的点集,曲线,甚至是曲面和多面体。但是三维部署算法的研究现在比较少,因此找到一个优秀的三维部署算法是无线传感网技术进步的关键之一。
1 相关工作
现存的部署算法中一般都是从以下几个方向进行研究的。有基于图论的部署算法[8]、基于计算几何的部署算法[9]和基于人工智能的部署算法[10]。
在文献[11]中,Zou等人首先提出了VFA的概念,设计了在节点初始随机放置后利用虚拟力完成自动部署的算法。该算法能够使网络中的密集节点分散开来,移动到节点稀疏的区域。随即放置在目标区域的每一个节点都将受到在通信范围内的相邻的节点的引力或斥力,同时也受到障碍物的斥力,它们在合力的作用下进行自主移动,调整到合适的位置直至形成稳定的拓扑结构。这个过程模拟了现实物理世界中的分子间的范德华力(Van Der Waals Force),每种物质分子间都具有斥力和引力并同时存在,两种力的变化关系和分子间的距离有关。
但是当部署区域内的障碍物过多,或者部署区域内一部分节点为固定节点,另一部分为重部署的移动节点时,由于障碍物和固定节点的斥力影响,使移动节点很难进行重部署。节点过于密集区域有可能被障碍物的斥力阻挡无法扩散到节点稀疏的区域,致使总体的节点分布不均衡。因此在文献[12]中,王雪等人提出了一种由虚拟力导向的粒子群优化策略,巧妙地把虚拟力和粒子群算法结合到一起,兼顾两种算法的优势,借助虚拟力算法使粒子群算法能够快速收敛进行全局优化的重部署。
蒋鹏等人在文献[13,14,15]启发下,提出了一种基于概率的三维无线传感网K-覆盖控制算法[16]。一般的模型认为目标点在某节点的感知半径之内,那么它被探测到的几率就等于1,否则为0。但是由于传感器节点探测目标的不确定性,即使目标点在感知半径之内,其被探测的概率也很难达到1,这只是一个理论值。因此不把这个概率确定为1更具有普遍性。更提出了优先覆盖区域,在优先覆盖区域进行更多重的覆盖增大每个点的探测几率,而在待监测区域中使用较少重覆盖以减少节点数量,更能够贴合工程中的实际情况。
刘惠等人在文献[7]中,提出了一种基于组合虚拟力的三维部署算法。主要在移动能耗和避障这两个问题上提出了创新的解决办法。作者定义节点在不同移动方向上的移动能耗不同,把移动和能耗紧密的联系起来;又假设当初始随机投放节点不在目标区域时,节点通过不断检测是否够直线行进至目标位置,改进了Lumelasy等的提出的“BUG2”的绕开障碍物的解决方案,使节点快速且安全地在有障碍物阻挡的情况下移动至目标区域。
但是以上算法都是从探测目标是一个区域为前提的。如果目标是一个外形未知的实体,节点很难进入目标内部,只需要在目标的表面覆盖部署进行数据收集,那么使用以上算法就很难达到要求了。因为基于虚拟力的部署算法达到一个稳定的拓扑结构时,节点最终都会部署为一个类球体,而不会根据目标体轮廓的不同仅仅覆盖住目标体的表面。这样在进行节点的重部署时,难免会浪费大量的节点,大大增加了探测任务的开销。现在VFA算法的基础上进行改进,提出了一种在三维空间中,对复杂目标进行精确覆盖的部署算法。首先将VFA扩展至三维空间,然后创新地提出了目标斥力网与自适应中心引力相结合的概念,使目标能够均匀的分布在复杂目标的表面,最大程度地挖掘每一个节点价值,以适应复杂多变的实际情况。
2 定义与假设
在介绍算法之前,需要作如下的定义和假设。
定义1 一个n-维欧几里得空间[E,(*,*)]由n-维实向量空间Rn和内积(*,*):E×E→R组成,简记为E。欧几里得空间是一个赋范空间,范数为
定义2 将无线传感网中的节点定义成八元组[O(x,y,z),Rs,RC,kmin,α,β,gridt]。
式中O(x,y,z)为节点的中心在三维空间中的三维坐标,坐标采用直角坐标系(x,y,z)来表示。RS为节点的感知半径,即节点上搭载的传感器设备的感知距离,由传感器设备的硬件参数所决定。RC为节点的通信半径,即节点上搭载的通信设备的通信距离,由通信设备的硬件参数所决定。kmin为防止节点碰撞设置的最小安全距离,根据搭载节点移动的装置体积和移动速度的不同,在程序中设置不同的值。kb为节点平衡距离,根据不同的探测任务在程序中设置不同的值。α和β为虚拟力调节参数和虚拟力增长指数,它们共同作用用于调整虚拟力变化曲线。gridt用于保存节点的斥力网数组,它是由斥力原点TO(x,y,z)和斥力网Ti(x,y,z),i=1,2,3,…,n两部分组成。
本文中的算法存在以下假设:
假设1 搭载节点的设备相互碰撞会导致损毁,因此节点间必须保持一定安全距离;
假设2 探测目标存在实体,节点与探测目标也必须保持安全距离;
假设3 节点能够感知探测目标的方向和距离。
3 基于虚拟力的三维部署算法
3.1 将VFA由二维空间扩展至三维空间
VFA是最经典的虚拟力算法之一,因此拟试图在VFA上进行改进。由于VFA是分布在二维平面上的,但在某些情况下高度参数至关重要,所以首先需要把VFA定义在三维空间中,实现三维空间中的VFA(VFA3D)。
在VFA3D中,首先需要先将节点位置由二维数组O(x,y)转换为三维数组O(x,y,z),增加高度z这一维。由此在这个三维空间中的虚拟力也由二维向量F(x,y)转换为三维向量F(x,y,z)。
通过这些变换,可成功地把传统的二维平面中的圆覆盖问题,转变成了三维空间中的球覆盖问题。因此在下文中将VFA中的几种虚拟力在VFA3D中做重新定义。
3.1.1 节点间作用力
在VFA3D算法中没必要完全按照现实世界中的范德华力来计算。为更好地适应需求,可以范德华力进行一定程度的简化。
定义当两个节点的距离小于等于通信范围时,两节点之间产生相互作用力。计算公式如下:
Fij为节点i和节点j之间的虚拟力。dij为两节点之间的距离,kmin为节点最小安全距离,当节点间距离小于这个值是,节点间表现为无穷大的斥力,以防止两节点相撞。kb为节点平衡距离,当节点i和j之间的距离等于节点平衡距离时他们不产生相互作用力,处于平衡状态。当节点i和j之间的距离小于节点平衡距离时,Fij为正数,表现为斥力;当节点i和j之间的距离大于节点平衡距离时,Fij为负数,表现为引力。Rc为节点通信距离,当节点i和j之间距离超出通信范围时,节点间虚拟力消失。
通常情况下RS<RC。一般设kmin<RS,RS<kb<RC,α=10,β=12。由于考虑到动态部署的传感器节点可能是由飞机或者潜艇搭载的,所以节点之间必须要保持一定的安全距离,以避免由节点之间的碰撞导致不必要的损失。这里创新地提出了最小安全距离这一参数,当两节点小于这个距离时,使节点之间的虚拟力增至无穷大,从而有效的防止节点的相互碰撞。当节点间距离小于通信距离Rc并且大于最小安全距离kmin时,节点间的虚拟力推动着节点向节点平衡距离kb移动,两节点距离与kb差值的绝对值越大虚拟力越大,使节点群既不过于紧密又不分散脱离群体,从而达到一个稳定的网络拓扑结构,均匀的覆盖目标区域。
为了便于分析和观察,把节点间虚拟力分别用二维图和三维图来体现,如图1、图2所示。节点A对周围的邻居节点产生虚拟力,最小号的球(圆)一共有四个,它们分别是节点A、B、C、D,它们的半径为每个节点的感知半径RS,中号的球(圆)半径为节点的A的节点平衡距离kb,最大号的球(圆)半径为节点A的通信半径RC。节点D在节点A的通信距离之外,因此它们之间无虚拟力;节点B在节点A的通信半径之内且与节点A距离大于节点平衡聚距离,因此受到由节点B指向节点A的引力;节点C在节点A的通信半径之内且与节点A的距离小于节点平衡距离,因此节点C受到由节点A指向节点C的斥力,当节点C与节点A的距离更小时,他们之间的斥力会更大,直至当距离小于最小安全距离时,它们之间的斥力变为无穷大。
3.1.2 中心引力
在VFA3D中,节点除了受到节点间的虚拟力,在初始状态下,还应受到来自于目标区域中心的引力作用。这样即使节点初始位置未布撒在目标区域内,或者由于个别节点初始位置脱离了节点群,无法进行正常的相互通信,也能通过中心引力的作用将脱离群体的一个或者多个节点拉回到目标区域,从而使全部节点都能连接起来,对目标区域进行全面的覆盖。由于固定的中心引力有着难以克服的弊端,因此在2.2.2章中提出了自适应中心引力算法。
如图3、图4所示,最大的球(圆)为初始中心引力场覆盖的区域,在节点初始投放时,A、B、C、D四个节点远离了目标区域,脱离了节点群,因此它们无法通过虚拟力进行动态部署。但在初始中心力场的作用下所有节点受到一个由节点到目标区域中心的引力,这样可以使脱离节点群的节点向目标区域移动,从而使全部节点都能相互连接对目标区域进行覆盖。
3.1.3 障碍物斥力
节点在目标区域动态部署中,很可能会遇到障碍物,节点与障碍物进行碰撞会造成严重的损失。因此在VFA3D算法中,加入了障碍物斥力,能够有效地避免节点与障碍物之间的碰撞。
如图5、图6中所示,当节点A运动至障碍物B的斥力场范围之内时,节点A受到一个由障碍物B指向节点A的斥力,斥力的大小由以下这个公式计算得出:
当节点到障碍物的距离小于最小安全距离时,斥力表现为无穷大;当节点到障碍物的距离大于最小安全距离并且小于斥力场半径时,斥力的大小与节点到障碍物的距离的α次方成反比,α一般大于等于10。在VFA3D中,α取12以保证节点在动态部署中和障碍物保持安全距离;当节点与障碍物B的距离超出障碍物的斥力场范围时,节点不受障碍物斥力影响。
3.2 针对复杂目标的精确覆盖部署算法
在VFA3D中成功地把VFA由二维空间拓展至三维空间,但是仅仅这样的话是远远不够的,因为增加了一维并不仅仅是增加了一个高度参量,它所带来的各种问题也应运而生。首先最明显的就是计算压力大幅度提升,三维球覆盖问题中的计算复杂度与二维覆盖问题根本不在一个数量级上。其次在二维空间中探测目标一般都为一个点或者一个平面区域,而在三维空间中探测目标可能是一个点,一个空间曲线,空间曲面,甚至是一个不规则的空间多面体。所以任务目标更为复杂多变,一成不变的算法很难应对各种情况。因此提出了VFA3D的改进算法ECA3D(Exact Covering Algorithm in 3—D space),并在ECA3D中提出了目标斥力网以及自适应中心引力的概念。
3.2.1 目标斥力网
由于在实际探测任务中,对区域进行探测时,探测目标往往都不是一个规则的形态,使用传统的虚拟力动态部署算法需要大量的节点对目标进行全覆盖以期望能够收集到想要的全部数据。但是当探测目标不为凸多面体,甚至仅仅是一条不规则曲线或者曲面时,大量的节点都被浪费掉了,因为使用VFA3D最终部署的形态总会是一个不规则的类球体。
因此为了能达到自适应的调整部署形态,使节点群能够根据探测目标形态的不同均匀的覆盖到目标表面,ECA3D提出了加入一个探测目标斥力场,在中心引力和目标斥力的共同作用下期望能够使节点群平衡分布在探测目标表面,实现目标的均匀覆盖。我们定义斥力场的规则如下:
规则1 当节点移动靠近目标时,探测到由目标表面到节点最近一点,定义该点为斥力原点;
规则2 以斥力原点为中心在所有进入该节点感知范围的目标表面形成一个斥力网,斥力网会对目标形成一个合斥力,使节点无法穿越目标表面;
规则3 每个节点都产生自己的斥力原点和斥力网,它们只会受到自身的斥力网的作用,而不会受到其他节点的斥力网的影响;
规则4 斥力网的网格密度与每一个网格交点形成的斥力场的斥力半径和节点运动速度之间达到一个平衡。
网格越密集那么形成斥力网的效果就越好,使节点分布在目标表面,但是与此同时节点所承受的计算压力就越大,耗能越多。斥力半径和节点运动速度决定着节点能够以多近的距离贴附在目标表面。斥力半径越小,运动速度越慢则能够使节点距离探测目标更近,但是需要花费代价是需要更密集的斥力网格来使节点停留在目标表面;
规则5 斥力网每一个横纵交织点都会对该节点产生一个斥力,斥力的大小与节点到该斥力点的距离的β次方成反比,直至最小安全距离时斥力增为无穷大,以防止探测实体目标时,节点和探测目标相撞。斥力计算公式如下:
3.2.2 自适应中心引力算法
目标斥力网和中心引力的协同作用下便能使节点均匀的覆盖在探测目标表面,但是与此同时我们发现一个问题。如何选取中心引力的中心点变成了至关重要的环节。若如同VFA3D中简单的将目标区域中心设为中心点。那么很可能会出现图10中的情况。在图10中,可以清晰地看到锥面的顶端露出了一个“大洞”。这是由节点群在中心引力的作用下不断地顺着锥体的表面下滑导致的。也就是说这是因为中心引力点选取的太低了,虽然对于这个锥面目标只需要将中心引力点设置在较高的位置就能得到一个理想的效果,但是面对一个未知的不规则的探测目标,如何来选取一个合适的中心引力点呢?即使不惜人力的计算最合适位置,那么如果遇到了某些完全不规则的图形时,无论选取哪个点都无法达到想要的效果。
因此ECA3D中引入了自适应中心引力算法来弥补由于中心引力点选取不适或是很难选取合适的点带来的一系列问题。可定义如下规则来实现自适应选取中心引力:
规则1 在节点群距离目标位置较远时,选择VFA3D中的固定的中心引力点。使节点群能够靠近探测目标;
规则2 当探测目标进入节点的感知范围,选取探测目标表面上距离节点最近的一点(也就是斥力原点)作为中心引力点;
规则3 随着节点的移动,斥力网、斥力原点和引力中心点一起随之移动,一直保持“点网合一”。
通过这三条简单的规则,我们则能够实现自适应选取合适的中心引力点,有效地避免了由于中心引力点选取问题带来的一系列问题,并且本算法和目标斥力网同时使用时不需要增加额外的计算压力,由于选取的引力中心点和斥力原点为同一个位置,引力的大小也和保持传统方法时的引力大小保持一致即可。覆盖同一目标锥面时效果图如图11所示,明显可看出锥面顶端的空洞被有效地填补上了。
由图7和图8的受力分析比较,可以清晰地看到为什么会出现这样的结果。在图7中,当选取固定中心引力点时,由于中心引力方向和斥力网合力方向不在一条直线上,所以即使没有其他节点对A位置节点施加外力,A位置的节点也会由于中心引力和斥力网合力的作用不断向B位置移动,直至中心引力和斥力网合力共线为止。而图8中,采用了自适应中心引力算法,每一个引力点的位置都是节点斥力原点的位置,因此他们的方向必定严格相反,也就是说斥力网合力与中心引力的大小只会改变节点在垂直于探测目标表面的方向上远近程度,而不会使节点沿着探测目标的表面向上或向下滑动。只有当从A位置或B位置加入新的节点以后,由于节点之间的斥力作用,才会使已经部署好的节点移动位置,与此同时它的斥力原点,斥力网和中心引力点都会相应的做出移动,但是它们始终保持相对静止的状态。
在ECA3D算法中通过目标斥力网以及节点自适应调整中心引力场的协同工作使节点能够精确的部署成需求的各种形态,从而能够使用最少的节点完全覆盖目标。
因此在ECA3D算法中,节点受到的合力总共由三部分组成,公式如下:
Fi为节点i受到的合力,
4 实验仿真
为了验证本文提出的算法是否能够达到预期效果,现设计了以下两组实验来进行验证分析。
4.1 锥面覆盖实验
在第一组试验中,首先分别采用三种算法对一空间锥面的上表面进行覆盖部署。三种算法分别是VFA3D算法,只添加目标斥力网的VFA3D算法和同时有目标斥力网以及自适应中心引力的ECA3D算法。然后通过对实验结果的部署图进行对比分析。最后就可以得出结论,在对复杂三维目标精确覆盖时,哪种算法可以取得更好的效果。
如图9、图10和图11所示,若探测目标为锥面,现在需要探测锥面的外测的相关数据,图9是使用VFA算法简单的扩展到三维空间对目标进行覆盖部署,节点数为60。图10是只添加目标斥力网的VFA3D算法对目标进行覆盖部署,节点数为60。图11是采用ECA3D算法对相同目标进行覆盖部署,节点数也是60。
从三图中对比,很容易看出VFA3D算法在针对复杂目标时,效果远远不如ECA3D算法所达到的效果,因为VFA3D算法是从VFA算法改进而来,仅仅将VFA扩展至三维空间,它无法根据目标的不同自适应的调整节点群散开的形态。使用同一种形态应对复杂多变的情况,对探测目标的针对性较小,不能够根据探测目标的形态的不同而随之变化。从图9中加入透视效果以后,可以明显看出将VFA算法简单的扩展到三维空间中,节点群依然以一个类球的多面体的形态完成最终部署,大量的节点运动至锥面的下方。若是将中心引力点设置到高一些的位置上,锥面上方的节点也不会按照锥面的形态均匀展开,而是在锥面上多层覆盖。这样无论如何都会导致了大量的节点部署到了无用的位置,节点的利用率偏低。而图11中,本文提出的新型ECA3D算法能够根据探测目标的不同自适应的调整部署形态。现在探测目标为一个锥面,那么节点群在自适应中心引力和目标斥力网的作用下,能让节点群均匀的分散在被探测目标的表面,从而使每一个节点都发挥出最高的效率,节点的利用率远远高出VFA3D算法。再来对比图10和图11,图10中的中心引力未采用本文中的自适应中心引力算法,而是采用了传统的固定中心引力算法。对边两图明显可以看出采用固定中心引力点很容易由于选取中心引力点的不当造成覆盖上的漏洞,在凸多面体上表现得就是空洞,而在凹多面体上表现为堆积。而在图11中,由于自适应中心引力和斥力网合力的共同作用,节点群均匀且无漏洞的覆盖在锥面的表面上,和算法中受力分析预期的效果一致。
4.2 马鞍面覆盖实验
在第二组试验中,为了验证本文提出的ECA3D算法具有普遍性,选取了结构更为复杂的空间马鞍面。首先采用相同数量的节点,分别使用ECA3D和VFA3D对马鞍面进行精确覆盖部署。然后对ECA3D的全程部署过程进行分析,检验在上文的受力分析的正确性。接下来对比ECA3D和VFA3D对马鞍面的覆盖率和均匀度变化曲线,进一步证明ECA3D的优势。最后就能够得出结论ECA3D具有广泛的普遍性。
如图12至图15所示为采用ECA3D算法对马鞍面进行覆盖部署过程。当探测目标为更复杂的曲面时,ECA3D算法依然能够保持很好的覆盖效果,从图12中的分散随机布撒节点,节点群受到初始中心引力的作用,逐步靠近目标曲面,到达图13的状态。之后节点自适应调整中心节点,向目标曲面均匀的分散开来,到达图14的状态。在最上方的节点也缓慢靠近目标曲面,中心的节点密度增大,由于分子间的斥力作用使节点向四周分散开来,就是这样使节点一层一层逐步向外扩散覆盖到整个目标曲面。图16为ECA3D算法与VFA3D算法分别对马鞍面进行覆盖部署全程的覆盖率变化曲线,三角形标记的曲线为ECA3D算法,可以清楚地看到从初始布撒节点到最终部署状态的完成,覆盖率逐步提高,在最终状态时几乎达到完全覆盖,远远高出代表VFA3D算法的方块标记曲线的覆盖率。图17为ECA3D算法与VFA3D算法分别对马鞍面进行覆盖部署全程的均匀度变化曲线。从图中代表ECA3D算法的较低的曲线不难看出均匀度是随着时间逐步降低,均匀度越低代表着覆盖在目标表面的节点越均匀,覆盖效果越好,这与部署图中反应的情况一致,与代表VFA3D算法的曲线相比,ECA3D算法部署后节点均匀度大幅度降低,在目标曲面上分散更均匀。
5 结束语
提出的ECA3D算法是一种针对三维空间中的复杂目标进行表面的包围覆盖的算法,以一定程度上提升算法复杂度为代价使算法能够更好地完成有针对性的探测任务。从仿真结果上来看,无论从覆盖率以及均匀度,ECA3D算法都远远超过了VFA3D算法,基本实现了预期的目标。ECA3D算法还有很大的提升空间,当探测目标表面过于复杂时表现欠佳,算法的复杂度也需要进一步的降低。
三维虚拟再现技术 篇7
虚拟现实技术发展迅速,种类繁多。目前实际应用当中大致分为两类,一类是基于几何模型商品三维虚拟展示技术,另一类基于照片的商品三维虚拟展示技术。
1 基于几何模型的商品三维虚拟展示技术
1.1 建模技术
目前基于Internet的虚拟现实技术包括Director、Viewpoint、Cult3D、VRML、Flash、Java 3D等,且支持建模开发工具3DS MAX,Maya,pro E,Autocad等。它们都是从各个角度实现在网页上或各种文档格式中建立互动的三维模型,用以表现完美的三维实体。它能嵌入3D互动效果的编辑及播放功能,并可以把图像、文本、声音、动画等这些多媒体元素非常方便而有机的结合起来,创造出快速、互动的三维场景[3]。
1.2 技术实现
这种技术设计思路是:首先收集数据信息(尺寸、材质、位置等),利用3DS MAX、Maya或Pro E等建模工具构建3D模型,并对该模型进行纹理、材质、贴图、颜色、灯光等处理,再利用Cult 3D、Java 3D及Director等集成控制软件定制交互演示界面,最终在浏览器中显示具有交互性的三维图形及动画效果。
1.3 技术应用
Cult 3D是一种崭新的Web 3D技术,是一个面向电子商务的交互三维软件。作为窗口式虚拟现实工具开发平台,其主要目的是在网页上建立互动的三维模型,仅通过使用鼠标,用户就可以旋转和缩放产品的Cult3D模型并可从任意角度观察;通过点击模型的功能按钮就可以开启产品的部件,移动部件。然而,目前虚拟展示的三维模型并不是在Cult3D构建,而是通过三维建模开发工具中比著名的是3DS MAX来完成。因此,该设计案例通过3D max和Cult3D技术的综合应用来说明制作网上虚拟商品展示的原理和过程。制作流程如图1所示。
1)获取照片,设置建模参考图;
2)利用3DS max根据参考图和测量的相关数据进行建模。选对车身进行粗模,再完成车头、车尾、侧面、车轮、车顶、车灯及车门等各细节的建模;
3)添加材质,灯光等效果,使得渲染效果逼真;
4)将建好的模型导出为*.C3D格式;
5)在Cult3D环境中编辑交互动作。设置移动鼠标时汽车上、下、左、右旋转的动作;鼠标单击时开启车门、车前盖、车后盖的动作;
6)保存为.co格式的文件,再将其嵌入到网页中发布。
2 基于照片的商品三维虚拟展示技术
2.1 全景技术
全景技术也称为全景摄影或虚拟实景技术,是目前全球范围内迅速发展并逐步流行的一种视觉新技术,是基于系列静态图像的虚拟现实技术[4]。它是用相机环360度拍摄的一组照片拼接成一个全景图像,通过一段程序代码或专用的播放软件在互联网上显示,浏览者可通过鼠标控制环视的方向,可左可右、可近可远观看物体或场景。或通过鱼眼镜头拍摄两张图像,它可以拍摄出水平视角和垂直视角都达到180度的特殊图像[5]。利用这种技术,不但可以前后左右360度环视景观,还可以上下浏览,真正实现全方位的三维互动效果。
2.2 技术应用
全景技术实现非常简单,它不需要复杂的建模过程,只要利用相机拍摄出合适的照片,再通过编写程序或相关软件将照片进行拼接,将二维的平面图模拟成真实的三维空间,并提供各种操纵图像的交互功能。目前用于实现该技术的软件很多,如:Quiktime、Java、Flash、Ulead Cool360、Hot Media、VR Toolbox、上海杰图的造景师、杰图漫游大师等。由于全景制作的软硬件设备价格昂贵,在此选用普通相机及常用软件制作,具体设计步骤如图3所示。
1)获取照片。对于宾馆酒店、建筑房地产、虚拟旅游业、城市漫游等环景三维全景可采用转动相机角度前后左右上下全视角拍摄多张照片。另外电子商务中一些商品与风景、建筑物不同,如服装、鞋帽、电器、汽车、工艺品等,在拍摄时瞄准对象,相机不动,转动对象,每转动一个角度拍摄一张照片。在拍摄过程中为了减少抖动,最好借助专业三脚架配合拍摄。使用专门拍摄物品的360度带刻度的转台,保持被拍物品的中心位置不变,以便拍出完整有序的实景商品照片。
2)利用图像处理软件对照片进行加工处理,调整照片的亮度、对比度及色相饱和度等。
3)在VR Toolbox中进行全景制作。将处理好的图片导入VR Toolbox中,进行相关的设置及调整,设置完成后输出应用。
3 二者比较
前者是计算机视觉,计算机图形学,计算机辅助设计的
核心。利用该技术生成的效果图立体感、空间感强。这类技术较成熟它能准确地反映设计意图,可操控性高。但开发时间长,对设计人员的技术能力要求较高。在对已知物体(如建筑物)建模时缺乏精度,需要额外的测量工作。
而后者制作周期短,制作成本低;真实感强,是基于真实图片拍摄制作生成的,相比建模生成的对象更真实可信;交互性能好,可任意控制旋转对象;沉浸感强烈,给观赏者带来身临其境的感觉;文件小,便于网上传播。担对仅保留了一张照片的历史资料,或对未开发出的新产品不能采用该技术完成。
4 结束语
随着网络及Web技术应用的日渐增多,电子商务作为其中最大的市场,己成为目前IT行业发展的热点。由于虚拟现实的技术优势对电子商务交易的成功有着重要意义。针对虚拟现实在电子商务中应用现状,实现将3DS Max与Cult3D技术相结合,全景技术与VR Toolbox相结合,将虚拟现实技术应用到网络商品展示中。并从具体实例设计出发,分析了这两种技术在具体实现中的优缺点。
参考文献
[1]朱志超.艺术品展[D].西安:西安理工大学,2007(5).
[2]周志鹏.基于网络的虚拟服饰博物馆设计研究[D].上海:东华大学,2006(26).
[3]刘贤梅.三维动画技术与三维虚拟技术的研究[J].计算机仿真,2004,21(9):127-130.
[4]朱志刚.徐光.由现场图像序列建立自然环境三维全景模型[J].北京:清华大学学报:自然科学版,1998(38):84-88.
三维虚拟再现技术 篇8
1 三维动漫技术发展现状分析
一般来说, 可以讲三维动漫制作划分为这样三个阶段:一是三维动漫前期制作, 这是动漫制作最为关键的环节, 所制作的主要内容包括对角色进行模型设计和场景设计等等。二是三维动漫中期制作, 这个阶段主要有材质贴图、设置关键帧以及渲染输出等方面的处理和制作。三是三维动漫的后期制作, 这个阶段的主要内容是对前期工作进行的整合, 从而可以形成一个较为完整的动画。
1.1 我国三维动漫制作技术的发展现状分析
相较于发达的欧美国家来说, 我国的三维动漫制作技术的发展比较落后, 在三维动漫制作技术方面之所以落后于欧美国家与我国科学技术的发展是有一定的关系的。伴随着近些年来我国科学技术和国民经济的不断发展, 极大的促进了我国三维动漫制作技术的发展, 并且还广泛运用在动画、游戏和广告等方面。不过目前我国动漫制作方面的专业人才还显得比较缺乏, 从长远来看这会限制我国三维动漫制作产业的良好发展。
1.2 国外三维制作技术的发展现状分析
欧美国家是最早出现和使用三维动漫制作的, 并且伴随着三维动漫技术的发展和进步, 欧美国家在三维动漫制作方面也取得了显著地成果。动漫行业日益受到人们的广泛关注, 随后发展起来的一些国家比如说韩国和日本等在三维动漫技术方面也有了很大的进步和提高。
2 三维动漫制作与虚拟现实技术研究
伴随着计算机网络技术的飞速发展, 信息技术为动漫制作奠定了优良的和功能强大的软件和硬件基础。因此, 三维动漫制作技术与虚拟现实技术都取得了显著的进步。但是, 要对三维动漫制作与虚拟现实技术进行研究, 要将三维动漫制作和VR设备二者相结合起来, 更好的进行三维动漫虚拟系统的开发和设计, 从而能够实现动漫技术、VR设备、三维建模制作系统和计算机网络技术的有机结合, 这样能够为三维动漫制作更好的发展提供虚拟环境。
2.1 三维建模系统
在制作动漫的过程中, 可以通过建模来对现实世界的环境进行模拟, 从而能够形成模型数据。在进行建模的过程中, 需要注意将建模对象和相关的领域相结合起来。一般来说, 在对动漫制作进行建模时候, 使用最为频繁的方法是以景物外观来进行建模。它主要是对图形几何和材质光照信息等方面进行建模。它是基于物理建模的主要目的是提高制作出来的图像的逼真效果。
2.2 运动捕捉系统
为了显著的提高动画的真实性和逼真性, 在进行动漫制作时候, 要提高工作效率, 缩短制作时间, 较少投资成本。近些年以来, 通过运用运动捕捉系统发现这个系统能够显著的提高动画制作效果, 还能够有效的节约制作时间。和传统的制作方式相比有很大的进步, 节约了资源。
2.3 运动数据调节技术
该技术主要是研究人体骨骼运动, 通过对人体进行捕捉、识别、追踪, 从骨架转换到骨架调整。但是单纯的依靠技术是不能很好的满足动漫制作的需求, 还需要利用一些辅助技术加以综合处理, 在三维动漫制作的过程中, 利用运动学中的反向运动学原理有助于更好的制作三维动漫, 形成人体动画。由于相对复杂的人体动作容易使图像不够逼真, 这就对运动协调的模拟造成了限制。相应的运动细节还不足, 所以可以利用运动捕捉技术与光学、机械、图形学和电子等技术相结合起来, 将跟踪器置于运动物体内部, 可以更好的追踪运动物体, 借助计算机技术和处理软件对数据进行处理。能够更好的满足用户需求, 产生动画制作数据。通过运动捕捉系统, 能够直接将数据用在三维动画驱动模型中, 并且能够进行适时的编辑处理。在对三维动画数据进行调节时候, 要根据数据的特点进行多次的调节, 这样能够更好的满足数学的基本要求, 在研究调节技术时候需要结合一套三维动画制作规范, 在应用运动数据调节技术时, 要把握好复杂程度和功能强化的平衡, 更好的将各项技术相融合起来。
3 三维动漫制作与虚拟现实结合的意义
3.1 促进三维动漫产业快速发展
三维动漫制作与虚拟现实相结合, 能够促进三维动漫产业实现快速稳定的发展。传统的说那位动漫制作是利用计算机技术进行前期和后期的制作, 在这个制作过程当中要耗费大量的人力物力财力, 需要花费大量的时间, 这就阻碍了三维动漫技术的快速发展, 而且没有取得十分理想的制作效果。通过三维动漫制作与虚拟现实结合, 在制作过程中使用三维扫描仪和运动捕捉等, 能够提高制作效率, 节省制作时间, 节约投资成本, 提高制作效果, 从而有力的促进了三维动漫产业的快速和稳定的发展。
3.2 适应社会发展的需要
三维动漫制作与虚拟现实结合更好的适应社会发展的需要。受到社会快速发展的影响, 人们对三维动漫制作的要求也越来越高, 三维动漫制作与虚拟现实结合能够提高制作效率, 拓宽了应用的范围, 从而更加适应社会发展的需要。
4 结语
伴随着我国国民经济的飞速发展和科学技术水平的进步, 我国三维动漫制作有了更为有利的发展环境, 三维动漫制作与虚拟现实相结合能够有效的推动动漫制作产业的健康发展, 三维动漫制作与虚拟现实结合技术研究日益得到了社会的关注, 这为我国动漫产业的良好发展提供了坚实的基础。在信息网络技术和计算机软件的支持下, 三维动漫制作产业在未来将会有更好的发展和进步。
参考文献
三维虚拟再现技术 篇9
苯抽提装置仿真培训系统的组成包括后台工艺模型、仿真DCS系统、2D现场站以及三维虚拟现实现场站。开发人员将不同装置的模型分别部署在各个车间的学员基站上, 学员基站通过公司网络向GPRES服务器发送运行请求。GPRES服务器通过识别学员基站的静态IP地址发放不同的运行开发权限。
工艺模型是整套仿真培训系统的数据源, 是采用北京华康达计算机应用技术有限公司开发的过程动态仿真软件GPRES开发的化工过程模拟模型。该模型是以化工原理、化工热力学、物理化学、反应动力学等机理为基础的机理模型。设备数据来源于装置实际数据和设计数据。稳态以稳态计算软件ASPENPLUS计算的稳态数据为基础, 同时拟合了冷态、稳态等多套装置设计数据和现场实际数据, 与实际拟合度高, 其稳态数据与现场数据误差不超过1%, 操作动态响应趋势、连锁响应及事故现象与实际工厂一致, 动态响应过程中数据误差不超过3% (主要变量误差不超过1%) 。通过对模型运行倍率进行调节可以缩短培训过程中的无效等待时间, 例如, 仿真系统按照实际开工方案1倍速度运行, 从气密到完全开工正常需要7天时间, 与装置实际生产基本一致, 如果将运行倍率改为150倍, 可在1小时内完成该系列操作。
仿真DCS系统是采用Eml Base软件开发的高度仿真DCS操作系统。仿真DCS系统各界面和操作面板采用真实DCS操作系统截图为底图开发, 与实际DCS操作系统完全一致。控制系统采用与实际DCS系统一致的算法, 其控制系统操作与响应、联锁操作均参照真实DCS系统的操作过程开发, 符合操作员操作习惯, 提高主操仿真操作的逼真度。仿真DCS系统还具备实时数据显示、历史趋势查询、实时报警提示、历史报警查询等功能, 使操作员进行事故演练时可以自主分析判断事故原因, 从而指定事故处理方案。
2D现场站是传统仿真培训系统经常采用的现场站形式, 一般以工艺原则流程图 (PFD图) 和工艺自控仪表流程图 (P&ID图) 为基础开发, 能够清晰地展示现场工艺流程, 主要用于工艺流程培训和辅助DCS控制操作培训。
三维虚拟现实现场站的开发采用北京华康达计算机应用技术有限公司开发的过程动态仿真软件平台VRS, 是以在大庆炼化公司苯抽提装置现场采集的影像资料和设计图纸等为基础数据实现各个设备的建模和虚拟场景的三维建模。三维虚拟现实现场站能够模拟装置现场的场景, 并且体现出材质和变化, 附加贴图, 使用户能够在与现实非常相似的三维虚拟环境中自由交互、随意漫游, 并且随时接收到场景反馈回来的信息, 信息内容包括使用者在当前所处的场景位置和视野方向, 装置的场景中实物的概况和使用者在操作过程中的注意事项、提示信息、操作内容等。根据用户的需求, 系统可以暂停或恢复正在运行的仿真过程, 能根据不同用户有差异的操作秩序和参与程度给出智能评价, 同时能够记录使用者的操作步骤信息和保存相关的系统数据、资料结果等。三维虚拟现实现场站会提供良好的人机互动界面, 包括场景浏览模式的选择、相关浏览器信息、虚拟场景的描述及反馈信息、曲线面板, 可以快捷简易地创建和修改虚拟环境, 数据输入手段非常友好, 可以进行优化控制参数的操作, 亦可存储和公布数据结果。为了满足应急演练和各种预案落实和考核的需要, 三维虚拟现场站对灾害现场和灾害过程进行了模拟仿真, 由工艺模型传出的事故故障信号触发各种事故现场特效场景, 为参训者在计算机系统上提供判断故障原因、处理事故的虚拟环境。参训者在此环境中可以按照职能和任务的不同, 模拟不同的角色, 各角色相互合作, 协同训练, 完成所设定的训练内容。
苯抽提装置仿真培训系统界面简洁、有效、清晰、易懂, 只需简单培训就能熟练掌握其操作步骤和方法。培训系统功能齐全, 包括冷态开停车、单项操作、事故状态、评分, 实现了DCS控制系统的高级控制、连锁控制、紧急停车等功能, 同时开发了具有三维真实感的现场环境, 实现了3D巡检培训功能, 提高了仿真培训系统的真实感。培训系统逼真度和应用性高, 仿真效果与实际装置运行的现象基本吻合。动态变化趋势与实际装置运行的现象吻合, 现场三维环境与生产现场几乎一致, 使应急预案的演练过程和真实的演练接近。该培训系统硬件和网络结构简单, 易于维护和扩充, 能够扩大同时参加培训的员工人数。
摘要：本文简要介绍了大庆炼化公司信息中心开发的应用三维虚拟现实技术的仿真培训系统的网络架构、组成及应用。
关键词：三维虚拟现实,仿真培训系统,网络架构
参考文献
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三维虚拟再现技术 篇10
目前,对于传统的展览馆、博物馆,观众通常要花费大量的精力,亲自到博物馆去了解陈列展品、图文图版、内部环境和相关说明。使得博物馆的传播影响大打折扣,不利于知识的传播和教育。而当前已建的一些网上展馆,又大多仅通过简单的图片和文字来进行内容介绍,观众只能被动地接收,缺少互动性,参观体验较差。因而观众浏览这类网上展馆的意愿较低。针对这些问题,我们提出了一套基于WEB的三维全景虚拟导览系统的设想,可以让参观者用鼠标在三维全景虚拟报史馆中达到认识、学习、导览和体验的目的,改进传统展馆的不足。
背景
中国近代发行时间最久、影响最大的第一份商业报纸是上海的《申报》,创办于1872年,历经了清同治、光绪和宣统三个朝代,又经历了辛亥革命、抗日战争和解放战争各个历史阶段,至1949年上海解放时因历史原因停刊。而《解放日报》创刊于1941年中国共产党延安时期,是中共中央的机关报,是中国共产党早期的政治理论刊物。1949年党中央授权上海市委在《申报》原址上出版《解放日报》。2000年,又成立了以解放日报为主报组建的一个综合性媒体集团,包括创刊于1954年的中共上海市委党刊《上海支部生活》、创立于1998年《申江服务导报》、新中国创刊最早的文摘类报纸《报刊文摘》等在内的十一报四刊一个网站一家出版社和一家文艺院团。
这一百多年的报纸文化、新闻事件是无价的历史沉淀,是不可忽视的精神财富。为了让更多关心新闻和对新闻行业感兴趣的爱好者方便有效地了解学习相关媒体知识,建设一个报纸博物馆无疑是非常必要的。我们可以从众多文字、图片、影像资料中提取精华,配合现代技术,完整展现一份报纸甚至一家报社的发展轨迹,使报史馆具有教育引导和积极推动文化发展的功能。
实体报史馆的困境
传播影响不够
传统的展馆一直以实体馆的方式进行展示,观众往往要花费很长的时间和精力,亲自到展馆,才能了解其内部陈展。有些展馆由丁展示时间和地理位置的限制,很多观众无法参观,这样不利于发挥展馆的展示、教育、传播作用。随着信息技术的迅猛发展,互联网已经渗透到全球的每一个角落,报史馆因此也面临着前所未有的机遇和挑战。
建设投入巨大
建设一个传统实体展馆往往要投入很大的财力、人力和物力。根据经验,一个1000平方米的小型报史馆的建设约需投入1000万元。这其中还不包括土地、文物征集等方面的投入。目前报业集团面临着发行成本较高的压力和办公场地紧张的困难,很难拿出这么大一笔资金投入在报史馆的建设上。
运维成本较高
传统展馆建成后往往面临着参观人数少、缺少增值服务能力等问题,而仅仅门票收入无法支撑展馆的正常运行和维护。同时为了保证展馆的接待能力,展馆还要配备一定的管理人员,势必要求投入更多的人力和财力。而报史馆又不属于国家的博物馆,无法取得国家行政补贴。这些都是困扰着报社和报史馆的问题。
三维数字报史馆的优势
网上三维展馆除了在投资成本上相对于实体展馆有一定优势之外,还具备以下特点。
宣传优势
大多数的博物馆、展示馆于开馆当天,会邀请各方媒体进行宣传和报道,但是大部分的电视、电台、报纸媒体仅仅是在一个时间段内对其进行介绍,影响力比较有限。而互联网是集现代通信技术、计算机技术为一体的世界上最大的计算机互联网络。相对报刊、电视、广播,互联网被称为第四媒体。网上展馆可充分利用网络的优势,突破地域、时间的限制,为报史馆的宣传和传播发挥强有力的作用。
展示优势
设计实现一个360度的互动虚拟数字展馆,观众就可以通过网上的三维虚拟导览系统,足不出户地对报史馆进行直观、生动、全面的参观。让公众全面认识、理解、体验、感受报史馆的展示内容和空间布局。同时,还可以通过技术手段将报社现有的内部架构展示在虚拟展馆中。比如解放日报集团下属的多家报纸和杂志,分布在上海各个区域,都可以通过网上虚拟展馆将他们集合在一起,让观众有一个整体的概念和感觉。
导览优势
传统展馆的参观过程中,由于现场解说人员数量有限,无法进行一对一的专业讲解。而很多情况下缺少了专业的解说,观众很可能无法了解到众多展品展项的特点、细节和背后的故事,从而大大降低了参观效果,没有达到参观的目的。甚至有些国外观众,由于讲解人员的语言沟通能力的问题,失去了参观的意义。网上虚拟展馆就能够很好地解决这些问题。虚拟数字报史馆可提供各种语言的讲解,以及相关的背景、文字、图像和视频信息,让观众对展项、展品进行深入的了解,而且还可以知晓展品背后的故事,从而提高了参观体验效果。
研究优势
网上虚拟展馆可采用多语言解说,创造一个国际化的平台,使其符合上海这个国际化大都市的形象。各国参观者可以通过这个平台对报纸和报社进行深入的了解和研究,增进国际间的文化交流。同时数字报史馆也可以不断更新相关史料,成为报史资料收集、整合、展示的平台,而先进的计算机技术将无限扩展报史资料的存储功能。
虚拟展馆展示内容的设想
历史物品展示区
说到报纸就不得不提到印刷术,从古至今,文化的传播从一开始的手抄到印章和石刻、雕版印刷、活字印刷、再到铅活字印刷,直至现在的各式印刷机。印刷是一个历史悠久又相当复杂的技术,对人类文化的传播、发展有着重大作用,处处闪现着劳动人民智慧的光辉。在此展区,我们可以对各个时期不同印刷工具及相关新闻制品进行详细展示和介绍。
重大新闻事件陈列室
在这里可以为大型新闻事件举办特别展览,比如近几年的神州六号载人飞船、北京奥运会、上海世博会等。为每项重大新闻专题提供独立区域,以不同的表现形式(包括文字、图片、漫画、特刊、视频)来展现相关内容,把新闻事件完整体现在参观者面前。
各大报刊头版陈列室
新中国成立至今,解放日报集团旗下的很多报纸刊物随着新中国一起成长发展,面对不同时代的需求而不断变化。历经岁月的洗礼,每份报刊都有自己独特的发展轨迹。在此展区展出每份报刊在不同时代不同事件中的头版风格,让参观者能对整个报社下属的报刊历史及发展有一个全面的了解。
新闻记者名人堂
新闻记者每天关注着社会各个层面,随时都处于备战状态,对于发生的最新事件力争在第一时间赶到现场进行采访。一个好的新闻工作者有着神圣的使命感,那就是时刻准备着,用笔记录下看到、听到的一切,向公众揭露事件的本质和真相。在这里我们可以向参观者介绍历年来众多优秀新闻工作者中的佼佼者,以及他们的成就及作品。
新媒体体验区
互联网出现后,数字网络技术正在迅速传播,纸媒体正与其他多种新媒体并存发展。解放日报集团旗下就拥有多种新媒体媒介,包括:新新闻、inews、ipaper、ipad客户端等,它们与传统媒体互补互存,对此感兴趣的参观者可以在这个区域具体了解和体验。同时还可参加一些互动展项,比如参观者自己动手选取新闻做一张报纸,自由排版并打印留念,既有趣味性又有纪念意义。
实现方法
目前实现虚拟导览的方式主要有两种,一种是三维全景虚拟现实,另一种是3D模型虚拟现实。
三维全景虚拟现实也称实景虚拟或者交互式漫游,是基于全景图像的虚拟现实技术。勾勒出一组或多组360度环绕的图片,然后将这些图片拼接成一个场景节点的全景图像,将这些一个个单独的场景节点全景图像通过多媒体人机交互界面和交互信息导航的方式,辅助背景解说、图像、动画、视频等多种元素的展示手法,实现全方位互动式观看的真实场景还原展示方式。在浏览器中,通过播放插件如Quick time、Activex、Flash等的支持下,使用鼠标控制环视的方向,可放大观看细节,可缩小观看整体。在这样的一个场馆中,观众就可以实现随意的边走边看,在不同的三维场景之间任意漫游。
基于3D技术的虚拟现实,主要由实时3D建模和动态显示两部分组成。通常实时3D建模和动态显示是基于几何数学模型,首先利用Open GL、DirectDraw等桌面三维图形绘制工具对虚拟世界或者真实的场馆进行建模,然后通过显示屏进行观察,并有能自由地控制的视点和视角。它通过计算机计算来生成三维模型,模型的复杂度和真实感受桌面计算机计算能力的限制。同样观众可以在已经存在的或者未来设计的报史馆的三维模型中,通过虚拟漫游从不同角度来观察场景效果,还可对场景内的任何展品进行点击查询,有较强的交互性。
这两种技术各有其优点,我们基于以下几个方面进行分析比较(见表1)。
前者采用图像镶嵌方式实现实时建模,开发成本低,计算量小且效果逼真。后者可方便地建立以任意角度进行观察的3D空间,但计算量大,因而对硬件要求较高,同时对复杂模型的建模过程较为困难。综合对比分析,对于虚拟报史馆的建立,显然前一种较为合适。
结束语
建立报史馆是想让普通读者有机会从一个个新闻故事中了解媒体工作。当人们进入这座网络数字报史馆,可以全身心获得愉快体验,并从中获取知识,体会到媒体和言论对于社会发展的重要性。
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