基于EON的虛擬化工場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)的研究

虛擬現實(shí)VR(Virtual Reality)是一種可以創(chuàng )建和體驗虛擬世界的計算機系統，其本質(zhì)特征要求能夠生成實(shí)時(shí)且真實(shí)的虛擬環(huán)境。虛擬環(huán)境生成從本質(zhì)上是一種限時(shí)的計算機圖形繪制技術(shù)，這與傳統的單一強調逼真性的真實(shí)感圖形繪制技術(shù)有著(zhù)根本的不同。虛擬現實(shí)系統所要求的是實(shí)時(shí)圖形生成，一方面渲染出來(lái)的虛擬場(chǎng)景要能滿(mǎn)足一定的視覺(jué)效果，否則就違背了模擬真實(shí)的初衷；另一方面由于實(shí)時(shí)性的限制，有時(shí)不得不降低虛擬環(huán)境的幾何復雜度、降低生成圖像質(zhì)量，或采用優(yōu)化技術(shù)來(lái)提高虛擬環(huán)境的速度。本文應用虛擬現實(shí)軟件EON，以某化工企業(yè)的生產(chǎn)現場(chǎng)為模型，建立了多處虛擬化工場(chǎng)景，制作過(guò)程中結合多種優(yōu)化理論及技術(shù)的具體應用，實(shí)現了具有工藝流程培訓、漫游交互等功能的漫游系統，可使用戶(hù)有身臨其境的真實(shí)模擬操作的感覺(jué)，同時(shí)讓用戶(hù)對實(shí)際化工生產(chǎn)中的管路設計、生產(chǎn)設備和車(chē)間布置有更加感性的認識。

1 開(kāi)發(fā)平臺概述

EON Studio是美國EON Reality公司開(kāi)發(fā)的一套模塊化多用途的三維交互式仿真軟件開(kāi)發(fā)工具，它能夠讓用戶(hù)自定義行為及交互方式，也能夠進(jìn)行仿真測試及實(shí)時(shí)更改測試的參數，可應用在設計、研究、制造、生產(chǎn)、教育、訓練與維護等領(lǐng)域。EON Studio基于最新的PC技術(shù)，是在OpenGL圖形標準和微軟的DirectX多媒體功能的基礎上建立起來(lái)的。通過(guò)與OpenGL和DirectX的聯(lián)系，使得利用EON所開(kāi)發(fā)的應用程序在將來(lái)圖形卡渲染能力加強的同時(shí)其渲染效果也會(huì )得到提高。EON強調資源(軟件/硬件)的集成與延展、基于Web的交互式三維文件的安全維護、逼真度及后臺數據庫的結合。EON Studio技術(shù)和VRML技術(shù)在結構上十分相似，可以認為，EON Studio技術(shù)是VRML技術(shù)基礎上的延伸和擴充，其系統組成如圖1所示。

EON Studio應用了面向對象技術(shù)，不僅使得對三維世界的描述變得清晰，還通過(guò)封裝屬性和建立模擬場(chǎng)景內部消息路由，很方便地實(shí)現虛擬實(shí)體的交互和行為動(dòng)作等功能。虛擬場(chǎng)景的基本元素為節點(diǎn)(node)，節點(diǎn)是EON Studio為多媒體和交互對象定義的一個(gè)對象集。節點(diǎn)[1]的屬性包含在域(field)和事件(event)中。EON Studio的節點(diǎn)類(lèi)型很豐富，具有超過(guò)100個(gè)預先設定好的功能節點(diǎn)，按功能可以分為以下幾類(lèi)：預設節點(diǎn)；代理節點(diǎn)；組裝節點(diǎn)；基礎節點(diǎn)；碰撞檢測節點(diǎn)；可視化節點(diǎn)；傳感器節點(diǎn)。

另外，EON Studio在以上基礎上又增加了Script Nodes，可以利用Java script或VB script進(jìn)行編程，處理一些復雜的仿真，擴展了EON Studio中虛擬世界的動(dòng)態(tài)行為。利用EON Studio的功能節點(diǎn)，能方便地建立滿(mǎn)足用戶(hù)要求的三維虛擬場(chǎng)景，完成用戶(hù)特定的交互過(guò)程。

2 三維模型建立與優(yōu)化

2.1 三維模型建立

使用3DS MAX可以較方便地建立逼真度很高的三維模型。圖2是建立某化工場(chǎng)景模型的軟件界面。

2.2 模型的優(yōu)化

模型的優(yōu)化對漫游場(chǎng)景的瀏覽很有幫助，前期如果不對場(chǎng)景的模型進(jìn)行很好的優(yōu)化，到了制作后期再對模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)就需要重新回到MAX里修改模型并進(jìn)行重新烘焙后再導入到當前的EON場(chǎng)景里，這樣就出現了重復工作的情況，大大降低了工作效率。因此，模型的優(yōu)化需要在創(chuàng )建場(chǎng)景時(shí)就應受到足夠的重視。

在3DS MAX中建模的準則基本上可以歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)制作簡(jiǎn)模

漫游場(chǎng)景中運行畫(huà)面每一幀都是靠顯卡和CPU實(shí)時(shí)計算出來(lái)的，如果面數太多，會(huì )導致運行速度急劇下降，甚至無(wú)法運行；還會(huì )導致文件容量增大，在網(wǎng)絡(luò )上發(fā)布還會(huì )導致下載時(shí)間增加[2]。

(2)三角面盡量為等邊三角形

在調用模型或創(chuàng )建模型時(shí)，盡量保證模型的三角面為等邊三角形，不要出現長(cháng)條型。這是因為長(cháng)條形的面不利于實(shí)時(shí)渲染，還會(huì )出現鋸齒、紋理模糊等現象。

(3)合理分布模型的密度

模型的密度分布不合理對其后面的運行速度有影響，如果模型密度不均勻，會(huì )導致運行速度時(shí)快時(shí)慢，因此，應合理地分布場(chǎng)景模型的密度。

在3DS MAX中完成模型烘焙和優(yōu)化后，輸出的Eoz文件格式，可方便地導入EON Studio進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計。

3 EON中場(chǎng)景的優(yōu)化

初步完成化工場(chǎng)景的建模后，通過(guò)EON Viewer瀏覽的速度緩慢，甚至發(fā)生停頓現象，如果不能解決瀏覽速度問(wèn)題，整個(gè)系統就沒(méi)有什么意義了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，首先要對該問(wèn)題的產(chǎn)生進(jìn)行分析。三維場(chǎng)景的呈現是通過(guò)瀏覽器以默認視點(diǎn)為參照對場(chǎng)景描述文件的解釋而完成的，每當用戶(hù)拖動(dòng)鼠標或按下箭頭鍵在場(chǎng)景中走動(dòng)或旋轉時(shí)，視點(diǎn)就會(huì )發(fā)生變化。在真實(shí)世界中，人向前行，對面的事物會(huì )越來(lái)越近，為了模仿這種效果，每當視點(diǎn)發(fā)生變化，瀏覽器就會(huì )重新計算場(chǎng)景中各對象的新位置并重新進(jìn)行渲染，使得人能走近某個(gè)對象。當場(chǎng)景中對象較多時(shí)，瀏覽器渲染的速度就跟不上視點(diǎn)變化的速度，從而產(chǎn)生停頓的現象。

由于化工廠(chǎng)場(chǎng)景巨大、管線(xiàn)繁多、工藝流程復雜等問(wèn)題，對三維場(chǎng)景的顯示與實(shí)現帶來(lái)一定的困難。筆者曾試著(zhù)采用貼圖的方法，即在一個(gè)方體上貼上相應的紋理圖來(lái)表示裝置，這種方法實(shí)現起來(lái)很簡(jiǎn)單，瀏覽器解釋速度較快，但最大的缺點(diǎn)是構建的對象缺乏三維立體感和真實(shí)感，因此貼圖的方法不適合化工場(chǎng)景。通過(guò)對三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制技術(shù)的分析與研究，提出如下優(yōu)化方式。

3.1 大量使用重用機制

不僅一個(gè)裝置內部的對象可以重用，流程相同的裝置之間也可采用重用機制。對于兩個(gè)不同的構建模型，有些泵和閥門(mén)是相同的，那么對相同的部分利用DEF與UES重用機制就可以極大地簡(jiǎn)化描述文件，最重要的是能夠減輕瀏覽器的負擔，從而提高渲染速度。重用機制的使用有個(gè)前提，即只能在一個(gè)描述文件內部使用[3]。因此，需要進(jìn)行代碼重用的2個(gè)或多個(gè)對象，它們的描述應放在同一個(gè)節點(diǎn)中。

3.2 利用EON統計值改善模擬品質(zhì)

復雜三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制要求包括：場(chǎng)景環(huán)境中的運動(dòng)體的位置、姿態(tài)的實(shí)時(shí)計算與動(dòng)態(tài)繪制；用戶(hù)視點(diǎn)改變時(shí)，畫(huà)面的刷新必須達到人眼覺(jué)察不到閃爍，即相當光滑的程度，通常為20~30幀/s，至少不能少于10幀/s；同時(shí)場(chǎng)景的環(huán)境也要求隨著(zhù)人的活動(dòng)及時(shí)產(chǎn)生相應的畫(huà)面，圖形生成必須能立即做出反應并產(chǎn)生相應的環(huán)境和場(chǎng)景。

可以利用模擬(Simulation)菜單中顯示模擬程式統計值(Show Simulation Statistics)選項，或是點(diǎn)選工具列中顯示模擬程式統計值的按鈕，啟動(dòng)模擬統計值的顯示[4]。HZ：每秒框架數目。這是一個(gè)利用數個(gè)框架計算出來(lái)的平均速率，較小的值表示框架產(chǎn)生較慢；Frm：準備框架所需的時(shí)間(s)。這個(gè)值可用來(lái)確認哪個(gè)框架耗費較多的時(shí)間；App：更新傳呼所需的時(shí)間(s)；Eve：事件處理所耗費的時(shí)間(s)。Drw：繪圖所耗費的時(shí)間(s)，包含下載材質(zhì)、像素填充及頂點(diǎn)轉換；#tri：繪制的三角形實(shí)際的數目(注意這個(gè)值會(huì )隨視角的改變而改變)。

隨著(zhù)統計值的變化，可實(shí)時(shí)判定具體場(chǎng)景的瀏覽速度，同時(shí)利用EON中Mesh節點(diǎn)下的Polygon Reduction level子節點(diǎn)進(jìn)行Mesh網(wǎng)格的簡(jiǎn)化，以達到適合的瀏覽效果。

3.3 合理定義顯示比例

大部分的顯卡使用材質(zhì)的影像記憶體及框架緩沖來(lái)做動(dòng)作?？蚣芫彌_可分為前緩沖、后緩沖及Z緩沖，在屏幕上根據所看到影像的不同而不同。如果在視窗中執行EON模擬程式，前緩沖會(huì )涵蓋整體事件屏幕，但不影響模擬視窗的大小，在記憶體的數量上，前緩沖由Windows屏幕設定來(lái)決定。而后緩沖及Z緩沖的大小則依據目前EON模擬視窗的大小來(lái)設定。

在屏幕上繪制像素是需要時(shí)間的，當相對于視窗大小的框架速率很大時(shí)，像素填充會(huì )設定模擬速度的極限。要降低像素填充所花費的時(shí)間，可使用較小的模擬視窗，點(diǎn)選大小/方位比例(Size/Aspect Ratio)標簽，并輸入模擬視窗大小，降低透支(Overdraw)的程度(例如空間內部結構的模擬)，合理地將場(chǎng)景進(jìn)行分割并保存為獨立的Edz文件，利用改變模擬(Change Simulation)功能節點(diǎn)來(lái)進(jìn)行切換，也可利用在框架功能節點(diǎn)的特性視窗中選取隱藏(Hidden)選項，讓漫游瀏覽中尚未看到的幾何物件暫時(shí)不顯示。

3.4 利用場(chǎng)景切換技術(shù)實(shí)現同一對象不同模型的自動(dòng)切換

有針對性地為場(chǎng)景中面數復雜的裝置建立多個(gè)不同的模型，使場(chǎng)景在顯示的時(shí)候以不同模型多方面顯示，如圖3所示。最簡(jiǎn)單的是建立簡(jiǎn)單和細化兩種模型，當視點(diǎn)距對象較遠時(shí)采用簡(jiǎn)單模型，視點(diǎn)接近時(shí)自動(dòng)切換為該對象的細化模型。采用這種辦法，需對某對象建立多個(gè)模型，并利用Switch、LOD節點(diǎn)或觸發(fā)器實(shí)現模型的切換[5]。在切換過(guò)程中，要對切換時(shí)間進(jìn)行設置，使切換時(shí)間小于人眼眨動(dòng)頻率，畫(huà)面看起來(lái)更加逼真。這種方法既能夠減小面數、提高演示速度，又能夠使人感覺(jué)不到明顯的切換痕跡，是虛擬現實(shí)領(lǐng)域應該繼續沿用并加以延伸的方法。

3.5 漫游系統優(yōu)化測試

虛擬現實(shí)漫游技術(shù)的一大困難在于漫游仿真速度與運行速度之間的矛盾。在建立最佳仿真程度模型的同時(shí)又要保證速度的運行是要重點(diǎn)協(xié)調的問(wèn)題。本系統運行的硬件配置為：處理器Pentiu(R)4 3.0 GHz，內存1 GB，顯卡使用NVIDIA Geforce 7300GT(256 MB)，在臺式機上進(jìn)行了優(yōu)化測試，測試結果如表1所示。

利用EON Studio建立的虛擬化工場(chǎng)景，以某化工企業(yè)的生產(chǎn)場(chǎng)景為模型，實(shí)現了該虛擬場(chǎng)景的漫游，如圖4所示。使用者可以對場(chǎng)景進(jìn)行全方位瀏覽，也可對局部進(jìn)行細致的觀(guān)察；并配合適當的講解，最終對該生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生一個(gè)清晰、深刻的認識。通過(guò)對模型部分優(yōu)化與在EON Studio中進(jìn)行的必要優(yōu)化，符合實(shí)時(shí)交互頻率15幀/s以上的漫游要求，加快了三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制速度，提供了良好的漫游瀏覽速度。該優(yōu)化方法具有一定的普遍性，對后續漫游信息系統的完善和二次開(kāi)發(fā)提供了必要的保證。