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虚拟建筑场景漫游技术及其应用

来源:  


虚拟漫游技术是虚拟现实(VR)技术的重要分支,在建筑、旅游、游戏、航空航天、医学等多种行业发展很快。由于有可贵的3I特性——沉浸感、交互性和构想性,使得沿用固定漫游路径等手段的其他漫游技术和系统无法与之相比。

虚拟建筑场景漫游或称建筑场景虚拟漫游是虚拟漫游的一个代表性方面,是虚拟建筑场景建立技术和虚拟漫游技术的结合。前者是基础,后者是系统运行方法。

虚拟建筑场景漫游技术的分类与应用

虚拟建筑场景漫游技术有多种分类方法,比如:按漫游对象——建筑物或建筑环境的真实存在与否来分;按漫游对象数据的真实性来分;按漫游系统的形成技术来分;按漫游系统的应用行业和目的来分等等。

本文以上述第一种方法为主线,结合其他方法分两大类来说明虚拟建筑场景漫游技术的典型应用。

1.真实建筑场景的虚拟漫游

这种虚拟漫游的最大特点是:被漫游的对象是已客观真实存在着的,只不过漫游形式是异地虚拟的而已,同时,漫游对象制作是基于对象的真实数据。

(1) 真实名胜景观的虚拟观光旅游

这种虚拟漫游可以使游客足不出户地游历世界各地名胜和风光。异地漫游的对象,除久负盛名的名胜和宏伟建筑群等景物景点以外,还包括被进行虚拟漫游式检查的管道纵横的复杂车间和厂房。因此,虚拟的漫游对象制作时,对真实数据的测量精确度要求很高。

在名胜景点虚拟漫游系统的开发方面,我国科技工作者制作的敦煌莫高窟博物馆参观系统、中国的故宫以及西湖风光虚拟游览系统都具有一定代表性。

特别值得一提的是于2003年完成的故宫VR《紫禁城·天子的宫殿》项目。安装在故宫博物院的SGI Reality Center是一个沉浸式剧场,可容纳54位工作人员,高分辨率的图像投射在 50 英尺宽、14 英尺高的弧形屏幕上,三台 Barco Galaxy WARP立体 DLP 投影机以一个三管道的 Onyx 3800 InfiniteReality 4系统和千兆专用纹理库为驱动,将高分辨率的图像逼真地投射在屏幕上。参观者能够在虚拟的紫禁城中自由翱翔——借助操控器可以漫游于康乾盛世的紫禁城,最近距离地观看太和殿的全景。

(2) 真实地形地景虚拟漫游

广义地说,真实地形地景的虚拟漫游和真实景点虚拟观光漫游一样,都属于基于真实数据的而且已经存在着的真实场景虚拟漫游,只不过两者获取真实景物数据的方式和传感器不大相同而已。

这种虚拟漫游在军事上很有用处。它的3I效果是传统军用沙盘或电子沙盘无法达到的。目前多为特定作战或重点保护区域的视景形式的漫游。这种视景的制作是真实地景、地物的再现。制作过程一般为两步:第一步根据卫星或航空拍照中的高程数据制作某一战区的地形视景,局部可精确到山脉、河流、机场、桥梁、房屋的显现;第二步根据航拍素材为上述地形贴上一层纹理,从而大大增强地形、地景的视觉真实感。如果场面很大,场景还要进行无缝拼接。

这种大视野全时空虚拟漫游,已成为当今作战准备、驾驶员训练、指挥模拟训练等方面不可缺少的先进手段。

2.虚拟建筑场景的虚拟漫游

虚拟建筑是指客观上并不存在是完全虚构的,或者虽有设计数据但尚未建造的建筑物。虚拟建筑场景漫游是一种应用越来越广泛、前景十分看好的技术领域。在建筑设计、城乡规划、室内装潢等建筑行业,在虚拟战争演练场和作战指挥模拟训练方面,在游戏设计与娱乐行业,乃至在促进未来新艺术形式诞生等方面,它都大有用武之地,而且代表着这些行业的新技术和新水平。

(1)建筑设计、城乡规划中和新型房地产虚拟广告

建筑师或规划师可将其设计、规划方案或其理念三维地呈现出来,让投资方或审查者“身临其境”地在漫游中进行多角度体验性观察,找出不理想之处并当即加以改进,以免交付后特别是施工后再去更改设计。

(2)电脑游戏

高尚的电脑游戏活动,不仅可达到劳逸交替、消除疲劳的目的,还有陶冶情操和启发想象的益智作用。电脑游戏节目主要是脚本编排下的虚拟人在人造场景中的行为变化。因此虚拟建筑场景漫游技术在该领域的应用和影响举足轻重。

最初的三角洲游戏运用了大量的室内外建筑场景,比如营房、地道、碉堡、指挥塔、军火库、望塔等。后来流行的Quake、VR特警等运用了地铁、火车及轮船内部建筑场景的即时战略游戏已较普遍。当今网络对抗游戏CS的场景更是由三维室内外建筑物组成。就连体育类游戏如极品飞车、FIFA,其中体育场、大桥、隧道等建筑物场景也是不可或缺的。

(3) 虚拟战争演练场和作战指挥模拟训练

战场虚拟仿真和指挥模拟训练具有虚拟仿真技术的各种优点,例如安全性、可重复性、经济性、战场环境难度可调性、方便对抗模拟、容易实现各种战术设定等等。

其中建筑或广义建筑场景根据训练等级和程度的不同需要可简可繁,可侧重于高山峻岭或丘陵,可侧重于江河湖海或沼泽,也可侧重于沙漠荒原或草地;可附设机场、公铁路、桥隧或导弹发射场,可附设大厦、兵营或交通枢纽,也可附设岸炮基地或山头雷达站等等。

由于上述虚拟建筑场景的侧重或复杂度要视模拟训练的层次不同而调整,所以不强求地形、地景建筑场景数据的真实性。

3.虚拟建筑场景漫游系统的设计与实现

整个漫游系统如前所述是以建筑场景的建立为基础的,其设计与实现方法可归纳为三种:基于多边形的直接绘制法(简称直接建模法)、场景模型导入法和基于图像的绘制方法。

(1)基于多边形绘制的漫游系统的设计与实现

这种方法适合于场景组织不复杂、多边形数目比较少的较规范、较简单或简化的场景绘制。例如建筑物远观或大场景的建筑点缀等等。

(2)基于模型导入的漫游系统的设计与实现

基于几何建模及模型导入的技术,通常利用造型软件(如3DS Studio, AutoCAD等)手工搭建三维模型,建立场景。这种方法需要耗费大量的时间建立模型,工作量很大,一般涉及到测量现场、定位和数字化结构平面或者转换现存CAD数据;其次很难校验其结果是否精确。其漫游场景是由计算机根据一定的光照模型绘制,色彩层次没有自然景观丰富,带有明显的人工痕迹,即使采用贴图渲染也不能逼真地再现现实世界。

由于建模软件的功能日益强大,设计中人们的分工日益明确,人们可以利用日益精细的建筑模型和丰富的模型库资源来加快设计,这一基于几何建模的模型导入技术已成为当今游戏设计等领域的主流技术。

(3)基于图像的绘制技术设计与实现漫游系统

这种技术首见于Quick Time系统。它采用实时图像图形处理来生成三维观察效果,用方向不受约束的图像(包括360度漫游所需的信息)代替了电影片段,用实时图像代替了电影播放。这种方法的一个缺点是在景点切换时会有跳跃。

基于图像的虚拟场景漫游技术,利用在某一固定位置所抓取的一个环境的360度全景图像,通过展现全景图像的相应部分来实现相互的调整。全景图像是利用一系列局像拼接起来的,能够进行全视野、360度全方位环视漫游的图像环境。

基于图像的虚拟场景漫游技术的实现,是利用摄影设备连续扫描周围空间的真实图像。要求精度高时,要利用激光扫描仪来获得真实图像数据。

与在三维图形世界中的漫游相比,这种系统可以避免复杂的三维建模工作,所以更适合复杂的自然风光、地景的漫游。

技术难点与发展远景

技术难点

目前,虚拟建筑场景漫游的最大难点在于建模逼真度和绘制实时性的矛盾。由于这种漫游所看到的景象离观察者近,就要求绘制非常逼真。因此,建模时构造要精细,会消耗很多时间。同样,由于计算机性能的制约,构造出来的模型越复杂,在绘制时要达到实时效果就越困难,实时性太差就会使观察者无法接受。

这对矛盾是整个虚拟现实系统普遍存在的。一般来说,需要在精确程度和绘制速度两方面取一个折衷值,即既满足一定的绘制真实感,又不造成观察者的动态不适感。也可以运用多层次细节(LOD)方法为场景生成不同的细节层次,可大大减少绘制的计算量。还可以采取一些场景预处理办法,例如用辐射度方法,可在漫游时省去许多计算光照的计算量。

关于多通道感知、全3I虚拟漫游的设想

有权威人士称虚拟现实技术是继多媒体技术之后的21世纪代表性技术,它又是多媒体技术的终极技术。既然虚拟建筑场景漫游系统也是一种虚拟现实和虚拟漫游系统,它也同样可以充分体现出VR系统特有的让人多感觉器官感知和令人神往的3I优越性。这不仅要在设备上具有头盔显示器等条件,而且要在制作上(比如立体成像、头盔跟踪)采用相适应的技术和方法。这样,虚拟建筑场景漫游作品也将使观察者像体验美国犹他州大型VR娱乐场一样,令人陶醉其中,留连忘返。

在促进人类第九艺术诞生中的作用

由于虚拟现实技术的出现和进一步发展,有专家预料将来会诞生人类的第九艺术形式。到底第九艺术是什么样子,不同艺术门类的人有不同想象。不过,任何艺术门类和形式都离不开生存环境的再现和体验。只要有对环境的体验和介入,环境中就必然包括建筑环境。尽管今天人们还无法具体想象在未来艺术形式中的建筑场景如何与人交互,如何有充分的感情色彩,但是未来艺术和社会文明对虚拟建筑漫游技术发展的巨大期望是可想而知的。

出处:[哈佛设计]

2009-2-15 10:38:46

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