基于VRML的大规模虚拟场景的实时载入方法.pdf

1、第 28 卷 第 1 期 吉 林 大 学 学 报 ( 信 息 科 学 版 ) Vol.28 No.12010 年 1 月 Journal of Jilin University ( Information Science Edition) Jan.2010文章编号 : 1671-5896( 2010) 01-0084-05基于VRML的大规模虚拟场景的实时载入方法收稿日期 : 2009-03-30基金项目 : 教育部留学回国人员科研启动基金资助项目作者简介 : 李惠 ( 1966 )， 女 ， 长春人 ， 吉林大学馆员 ， 主要从事数字图书馆 、虚拟现实研究 ，( Tel) 86-431-85

2、168005( E-mail) l_hui jlu. edu. cn; 通讯作者 : 卢奕南 ( 1969 )， 女 ， 长春人 ， 吉林大学教授 ， 博士生导师 ， 主要从事智能信息处理和图形图像研究 ，( Tel) 86-431-85663366; 13843100175 ( E-mail) luyn jlu. edu. cn。李 惠a， 卢奕南b， 齐阿荣b( 吉林大学 a. 图书馆 ; b. 计算机科学与技术学院 ， 长春 130012)摘要 : 针对网络环境下大规模虚拟场景的实时生成中所面临的速度问题 ， 通过对 VRML ( Virtual Reality Mod-eling La

3、nguage) 工作原理和优化技术的分析 ， 提出一种基于网格化管理的大规模虚拟场景的实时载入方法 ，实现了虚拟校园场景的生成系统 。通过有选择地下载和渲染小部分场景 ， 可提高生成速度 ， 便于大规模场景的实时浏览 。关键词 : 虚拟现实 ; 虚拟场景 ; 实时下载中图分类号 : TP391 文献标识码 : AReal-Time Loading Method of Virtual Environment Based on VRMLLI Huia， LU Yi-nanb， QI A-rongb( a. Library; b. College of Computer Science and Te

4、chnology， Jilin University， Changchun 130012， China)Abstract: By analying VRML ( Virtual Reality Modeling Language) principle and its optimization technology， areal-time downloading and loading method based on net management is presented to solve speed problem facing inreal-time generation of a larg

5、e scale virtual scene in a networked environment. Through selecting and renderingsome small parts of scene， the generation speed is improved and it is helpful to explore a large scale virtual scenein real-time， a system for rendering virtual campus scene based on the above method was developed.Key w

6、ords: virtual reality; virtual scene; real-time loading引 言虚拟现实技术作为一种新兴技术已引起广泛重视 。在十分流行的 Internet 上 ， 虚拟现实也成为热门话题 。虚拟现实建模语言 ( VRML: Virtual Reality Modeling Language) 作为 Internet 上 3D 文件的交换和描述标准 ， 使在 Internet 上实现虚拟现实成为可能 。利用其在 Internet 上建立交互式三维多媒体虚拟境界 。VRML 的基本特征包括 : 分布式 、交互式 、平台无关 、三维 、多媒体集成和逼真自然等 ，

7、 被称为第二代 Web， 其应用领域非常广泛 ， 包括科学研究 、教育 、工程 、建筑和商业等 ， 已被越来越多的人所重视 1 5。VRML 也存在一些缺点 ， 例如属性过多难于实现 ; 与其应用集成困难 ; 稳定性和一致性不能满足用户要求 ; 对不同的 VRML 浏览器还要进行兼容设计 ; 复杂的 VRML 嵌套结构 ; VRML 文件虽然是经过压缩的文本 ， 但对大规模场景 ， 网络传输的数据量及贴图文件仍然非常庞大 ， 解释执行的特点使绘制速度较慢 ， 对大规模复杂虚拟场景 ， 很难在窄带的互联网和普通微机平台上达到实时漫游的效果 。因此要解决的关键问题就是如何提高下载速度 ， 以及如何

8、实时生成及显示 VRML 虚拟世界 6， 7。针对上面提出的问题 ， 笔者通过对 VRML 工作原理和优化技术分析 ， 提出一种实时下载方法 ， 并应用于大规模虚拟场景的显示 ， 实现了虚拟校园的漫游系统 。主要是通过对场景地面进行网格化管理 ，只对那些可见的小部分网格进行下载和渲染 ， 以提高虚拟场景的显示速度 ， 有助于大规模虚拟场景的实时浏览 。1 VRML 工作原理VRML 是一种多用户交互的 ， 独立于计算机平台的网络虚拟现实建模语言 。虚拟世界的显示 、交互及网络互连都可以用 VRML 描述 。VRML 定义了一组用以描述三维图形的对象 ， 这些对象称为节点 ， 节点被组织成分层的

9、结构 ， 称为场景 。使用场景图数据结构建立 3D 场景 。场景图代表所有 3D 静态特征的节点等级 : 几何关系 、质材 、纹理 、几何转换 、光线 、视点以及嵌套结构 。境界中的对象及属性用节点描述 ， 节点按照一定规则构成场景图 ， 即场景图是境界的内部表示 。场景图中的一类节点用于从视觉和听觉角度表现对象 ， 它们按照图 1 VRML 工作方式Fig. 1 Working mode in VRML层次体系组织起来 ， 反映了境界的空间结构 ; 另一类节点参与事件产生和路由机制 ， 形成路由图 ， 确定境界随事件的推移如何动态变化 。VRML 用文本信息描述三维场景 ， 在 Intern

10、et 上传输 ， 然后在本地机上由 VRML 浏览器解释生成三维场景 。这种工作机制 ，避免了在网络上直接传输图形文件的问题 ， 把复杂任务交给本地机器 ， 从而减轻了网络的负担 ， 使在 Internet 上的三维交互成为可能 8。图 1 描述了 VRML 的工作方式 。VRML 的访问方式是 B/S 模式 ， 其中服务器提供 VRML 文件及支持资源 ， 客户通过网络下载希望访问的文件 ， 并通过本地平台上 VRML 浏览器 ，交互式访问该文件描述的虚拟境界 ， 因为浏览器是本地平台提供的 ， 从而实现了与硬件平台的无关性 。2 VRML 优化技术大型 VRML 场景设计一般采用 3D M

11、AX， Maya 等 ， 用于 PC 平台的 3D 软件进行高精度渲染建模以及刚体和柔体动画等工作 ， 通过专门的输出插件转换成 VRML 文件 ， 此时 VRML 文件较大 ， 难以实现用户与 VRML 世界进行流畅的交互 9。由 VRML 工作方式可知 ， VRML 将所有描述三维的指令文件 ( * . wrl) 以及其他媒体文件 ， 如贴图 、声音和视频文件一次性下载到客户机上 ， 再由客户机解释 、执行指令并渲染变化的场景 。因此需要考虑以下因素 : 文件的下载速度 ， 即文件的大小 ; 渲染速度 ， 即场景描述的复杂程度 ; 加入交互路由及脚本控制 10。在保证图形的实时生成速度的前

12、提下 ， 尽可能地提高生成图像的质量 ， 目前已有的方法主要可分为采用并行或分布 、基于图像的绘制以模型简化和多分辨率表示三大类 11。在基于 VRML 的大规模虚拟场景中通常适用如下优化技术 12。1) 多层次细节选择 ( LOD: Level of Detail) 。多层次细节选择 ， 即为每个物体建立多个相似的模型 ， 不同模型对物体的细节描述不同 。对物体细节的描述越精确 ， 模型越复杂 。根据物体在屏幕上所占区域大小及用户视点等因素 ， 为各物体选择不同的细节模型 ， 从而减少需显示的多边形数目 。VRML 中的 LOD 节点可实现这一部分的优化 。2) 场景分块 ( World S

13、ubdivision) 。一个复杂的场景可划分成多个场景 : 每个场景之间可见 、不可见或完全不可见 。例如把一个建筑按房间划分成多个子部分 。此时 ， 观察者在某个房间仅能看到房内的场景及与门 、窗等相连的其他房间 ， 有效地减少在任一时刻需显示的多边形数目 ， 从而有效地降低了场景的复杂度 。但该方法仅对封闭空间有效 ， 对开放空间则很难使用这种方法 。可使用 Inline 节点和 An-chor 节点加快初始场景的显示 。3) 可见消隐 ( Visibility Culling) 。与场景分块方法不同 ， 这种方法与用户的视点关系密切 ， 而前者58第 1 期 李惠 ， 等 : 基于 V

14、RML 的大规模虚拟场景的实时载入方法仅与用户所处场景位置有关 。使用这种方法 ， 系统仅显示用户当前能 “看见 ”的场景 。当用户仅能看到场景的很少一部分时 ， 由于系统仅显示相应场景 ， 从而大大减少了需显示的多边形数目 。Occlusion，Cell 节点都是应用此原理进行场景优化的 。此外还有一些优化技术 ， 如 : 使用模型优化器 ， 贴图优化 ， 使用原语 、实例和原型 ， 使用压缩文件 ， 有效地使用脚本等 。这些技术都可以对 VRML 虚拟场景进行一定程度的优化 13。3 大规模场景分步下载方法及实现以吉林大学珠海学院虚拟校园漫游系统 ( 见图 2) 为例 ， 通过文件压缩 、

15、消减面片数 、贴图优化等图 2 虚拟校园Fig. 2 Virtual campus技术优化后得到一个虚拟校园 。但往往由于较低的网络带宽 ， 使基于 VRML 技术建造的大规模场景下载速度较慢 ，等待时间较长 ， 并且渲染速度也较低 。针对以上问题 ， 笔者在优化的基础上 ， 对整个场景进行了网格划分 ， 并采用脚本控制的方法实现场景的分步下载 。3. 1 网格划分规则和命名规则1) 网格边长可定为 50 100 m， 视场景复杂度由计算方便而定 ， 本例设定网格边长为 100 m。记录场景网格的 4 个顶点之一的 ( x， z) 为起始点 ， 用于进行网格坐标计算 ， 网格左上角为 ( 0，

16、 0) 点 。2) 对场景中的物体根据类型和网格进行划分 。将场景中的物体分类 ， 对同一种物体处理成带有位置 、旋转等信息的 vrml 图形文件 。对每个文件中存储的 wrl 文件命名规则如下 : 按照网格将每种类型的物体进行分割 ， 按照分割后的网格 ， 将每个网格的同种类物体存储为一个单独文件 ， 并对该文件中的代码进行优化 ， 用 DEF-USE 规则使内存占用量最少 。3) 按照物体的种类数定义网格字节标志码 。例如 ， 场景中树的种类共有 5 种 ( a， b， c， d， e)，则将字节码标志位定为 5 位 ， 每位代表唯一的一种树 。如果某个网格中有某一种物体 ， 则将该网格的

17、该位设置为 1; 如果一个网格中存在物体种类 a， b， 则将该字节码定义为 00011， 记录至场景整型的网格标志数组 。所以在计算时可通过这个唯一的整数 ， 将该网格中拥有树木的种类反算出来 ， 并通过命名规则 ， 最终推算出应该载入该网格的文件名 。对场景中的建筑物等也用同样的方法进行处理 ， 建立字节码 。经过比较 ， 将字节码直接存储为字符串型数组 ， 比整型操作更简便 ， 速度更快 。图 3 跨网格建筑物Fig. 3 The building spanning the net4) 每个网格内的物体有以下几种情况 。以场景中的建筑物作为例子加以说明 ， 如果其整体或大部分落入同一网格

18、 ， 而只有极少的部分落入其他网格中 ， 将其归属为一个网格 。在网格数组中 ， 将该网格标记添加带有该建筑物特征的标记字符 ， 如图 3 中的小方格部分 。例如 ， 建筑物 a 完全落入 B02 网格 ， 则在 B02 网格的编码中相应位置的 0 改为 1; 建筑物 b 大部分落入 B04 网格 ， 而少量落入 B05网格 ， 则在 B04 网格中编码的相应位置的 0 改为 1， B05 网格中的部分忽略不记 。如果物体比较平均地落入两个或多个网格中 ， 则将这些相关网格的标记信息全部添加物体的标志字符 。图 3 中 D04，D05， E04， E05 中分别添加物体 c 的标志位 。对于不

19、包含任何建筑物信息的网格 ， 将其标记为空字符串 。如图 3 中网格 H05 中包含了两种建筑物 ， 则将该网格中两种建筑物的相应标志位改为 1。5) 将进入近似圆域范围内的所有物体 ， 通过 VRML 中 Inline 和 addChildren 载入到场景中并显示 。当圆域前进时将进行如下判断 : 判断哪些是新进入圆域内的网格 ， 并载入新进入圆域网格中的物体 ; 判断哪些网格已经不在圆域内 ; 对仍然在圆域内的网格不作改动 。图 4 演示了圆域移动过程中的网格的载入情况 。68 吉 林 大 学 学 报 ( 信 息 科 学 版 ) 第 28 卷图 4 跨网格建筑物Fig. 4 The bu

20、ilding spanning the net3. 2 程序伪代码开始 :获得当前的位置 ， 平面坐标 x， z;用 x， z 与网格起点坐标求出当前所在网格行 、列号 i， j;If ( i = = ibuffer j = = jbuffer) 保存当前行号以供下次判断 ;k = i n;Do If ( k 值是在划分的网格行号范围 ) l = j n;Do If ( l 值是在划分的网格行号范围 ) If ( | k i | + | l j | ( n 1) * 2) /* 近似判断 ( k， l) 网格是否在园域内 * /If ( ( k， l) = =0) /* ( k， l) 网格是

21、否没有被载入 * /按分类将该网格内所有的相关物体调入场景中 ， 并标记数组 ( k， l) =1; 表示已经被载入 ;l + + ; while ( lj + n)k + + ; while ( ki + n)结束 。4 结 语在一台内存为 512 MByte， CPU 为 P4 2. 8 G， 显卡为 GeForce5200 128 M 的普通 PC 机上 ， 在 Win-dows XP 系统下安装 BS_ Contact_ VRML-X3D_ 62 插件 ， 应用 VRML 技术实现了这一过程 。客户端下载带宽为 512 kbit/s。笔者首先设计一个校园的虚拟场景 ， 通过一些基本技术

22、优化后 ， 其总面数为 150万面 ， 建筑物平均面数标准为 150 面 ， 模型加贴图总大小为 14 MByte; 然后再设计其他不同的虚拟场景 ， 只是在原场景中添加不同比例的树木和建筑物 ， 分别应用笔者提出的载入方法 ， 得到相应的参数 ，78第 1 期 李惠 ， 等 : 基于 VRML 的大规模虚拟场景的实时载入方法再计算这些参数的平均值 ， 并给出优化前后参数平均值的对比 ( 见表 1) 。由此可知 ， 虚拟场景在下载速度和流畅度方面都有所提高 。网络传输和场景实时显示是当前面临的最大问题 ， 通过利用以上所提的优化技术和方法 ， 可使这两方面的问题得到改善 。在所做的虚拟校园中

23、， 采用上述优化策略后 ， 具有较高复杂度大场景的初始生成时间及绘制速度都有所提高 。但此方法采用的表 1 优化前后对比Tab. 1 Comparison after optimization参 数 优化前 优化后显示初始化时间 /s 33 6未完全渲染前帧频 / ( 帧 s1) 6 9 14 18渲染完后帧频 / ( 帧 s1) 4 8是静态网格 ， 下一步将继续研究不同的场景自动剖分 。随着 VRML 及相关技术的发展 ， 及对 VRML 更深入的研究 ， 会生成更理想的基于网络环境的虚拟世界 。参考文献 : 1 郭轶 ， 陈岱林 ， 姜立 ， 等 . 基于虚拟现实的三维建筑造型和装修设计

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