虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,簡稱VR,又譯作靈境、幻真）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。VR是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬世界進(jìn)行體驗和交互作用。使用者進(jìn)行位置移動時，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。該技術(shù)集成了計算機圖形（CG）技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計算機技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。

1 開發(fā)平臺概述

EONStudio是一種依據(jù)圖形使用者接口，用來研發(fā)實時3D多媒體應(yīng)用程序的工具，主要應(yīng)用在電子商務(wù)/營銷/數(shù)字學(xué)習(xí)/教育訓(xùn)練與建筑空間等領(lǐng)域。研發(fā)步驟包括輸入3D對象，通常這些對象會先由3D繪圖軟件完成，如3DStudioMAX、Lightwave等等，或者CAD應(yīng)用軟件如ArchiCAD、ProENGINEER、AutoCAD等。輸入模型后，就可以透過EON視覺圖型化程序接口、Scripting或C++程序代碼輕易讓模型加上動作。最后，EON程序檔案可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)或封包展示，也可以與其它支持微軟ActiveX組件的工具進(jìn)行互動，（Powerpoint、Word、Macormedia、Authorware、Director、Shockwave、VisualBasic等等）。EON Studio基于最新的PC技術(shù)，是在OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)和微軟的DirectX多媒體功能的基礎(chǔ)上建立起來的。通過與OpenGL和DirectX的聯(lián)系，使得利用EON所開發(fā)的應(yīng)用程序在將來圖形卡渲染能力加強的同時其渲染效果也會得到提高。EON強調(diào)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(hù)、逼真度及后臺數(shù)據(jù)庫的結(jié)合。EON Studio技術(shù)和VRML技術(shù)在結(jié)構(gòu)上十分相似，可以認(rèn)為，EON Studio技術(shù)是VRML技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴充，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

EON Studio應(yīng)用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，不僅使得對三維世界的描述變得清晰，還通過封裝屬性和建立模擬場景內(nèi)部消息路由，很方便地實現(xiàn)虛擬實體的交互和行為動作等功能。虛擬場景的基本元素為節(jié)點（node），節(jié)點是EON Studio為多媒體和交互對象定義的一個對象集。節(jié)點[1]的屬性包含在域（field）和事件（event）中。EON Studio的節(jié)點類型很豐富，具有超過100個預(yù)先設(shè)定好的功能節(jié)點，按功能可以分為以下幾類：預(yù)設(shè)節(jié)點；代理節(jié)點；組裝節(jié)點；基礎(chǔ)節(jié)點；碰撞檢測節(jié)點；可視化節(jié)點；傳感器節(jié)點。

另外，EON Studio在以上基礎(chǔ)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(fù)雜的仿真，擴展了EON Studio中虛擬世界的動態(tài)行為。利用EON Studio的功能節(jié)點，能方便地建立滿足用戶要求的三維虛擬場景，完成用戶特定的交互過程。

2 三維模型建立與優(yōu)化

2.1 三維模型建立

3D Studio Max,常簡稱為3ds Max或MAX,是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。其前身是基于DOS操作系統(tǒng)的3D Studio系列軟件，最新版本是2011.在Windows NT出現(xiàn)以前，工業(yè)級的CG制作被SGI圖形工作站所壟斷。3D Studio Max + Windows NT組合的出現(xiàn)一下子降低了CG制作的門檻，首選開始運用在電腦游戲中的動畫制作，后更進(jìn)一步開始參與影視片的特效制作，例如X戰(zhàn)警II,最后的武士等。

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)化對漫游場景的瀏覽很有幫助，前期如果不對場景的模型進(jìn)行很好的優(yōu)化，到了制作后期再對模型進(jìn)行優(yōu)化時就需要重新回到MAX里修改模型并進(jìn)行重新烘焙后再導(dǎo)入到當(dāng)前的EON場景里，這樣就出現(xiàn)了重復(fù)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)建場景時就應(yīng)受到足夠的重視。

在3DS MAX中建模的準(zhǔn)則基本上可以歸納為以下幾點：

（1）制作簡模

漫游場景中運行畫面每一幀都是靠顯卡和CPU實時計算出來的，如果面數(shù)太多，會導(dǎo)致運行速度急劇下降，甚至無法運行；還會導(dǎo)致文件容量增大，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布還會導(dǎo)致下載時間增加[2].

（2）三角面盡量為等邊三角形

在調(diào)用模型或創(chuàng)建模型時，盡量保證模型的三角面為等邊三角形，不要出現(xiàn)長條型。這是因為長條形的面不利于實時渲染，還會出現(xiàn)鋸齒、紋理模糊等現(xiàn)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，會導(dǎo)致運行速度時快時慢，因此，應(yīng)合理地分布場景模型的密度。

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(dǎo)入EON Studio進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。

3 EON中場景的優(yōu)化

初步完成化工場景的建模后，通過EON Viewer瀏覽的速度緩慢，甚至發(fā)生停頓現(xiàn)象，如果不能解決瀏覽速度問題，整個系統(tǒng)就沒有什么意義了。為了解決這個問題，首先要對該問題的產(chǎn)生進(jìn)行分析。三維場景的呈現(xiàn)是通過瀏覽器以默認(rèn)視點為參照對場景描述文件的解釋而完成的，每當(dāng)用戶拖動鼠標(biāo)或按下箭頭鍵在場景中走動或旋轉(zhuǎn)時，視點就會發(fā)生變化。在真實世界中，人向前行，對面的事物會越來越近，為了模仿這種效果，每當(dāng)視點發(fā)生變化，瀏覽器就會重新計算場景中各對象的新位置并重新進(jìn)行渲染，使得人能走近某個對象。當(dāng)場景中對象較多時，瀏覽器渲染的速度就跟不上視點變化的速度，從而產(chǎn)生停頓的現(xiàn)象。

由于化工廠場景巨大、管線繁多、工藝流程復(fù)雜等問題，對三維場景的顯示與實現(xiàn)帶來一定的困難。筆者曾試著采用貼圖的方法，即在一個方體上貼上相應(yīng)的紋理圖來表示裝置，這種方法實現(xiàn)起來很簡單，瀏覽器解釋速度較快，但最大的缺點是構(gòu)建的對象缺乏三維立體感和真實感，因此貼圖的方法不適合化工場景。通過對三維場景實時繪制技術(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

不僅一個裝置內(nèi)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。對于兩個不同的構(gòu)建模型，有些泵和閥門是相同的，那么對相同的部分利用DEF與UES重用機制就可以極大地簡化描述文件，最重要的是能夠減輕瀏覽器的負(fù)擔(dān)，從而提高渲染速度。重用機制的使用有個前提，即只能在一個描述文件內(nèi)部使用[3].因此，需要進(jìn)行代碼重用的2個或多個對象，它們的描述應(yīng)放在同一個節(jié)點中。

3.2 利用EON統(tǒng)計值改善模擬品質(zhì)

復(fù)雜三維場景的實時繪制要求包括：場景環(huán)境中的運動體的位置、姿態(tài)的實時計算與動態(tài)繪制；用戶視點改變時，畫面的刷新必須達(dá)到人眼覺察不到閃爍，即相當(dāng)光滑的程度，通常為20~30幀/s,至少不能少于10幀/s;同時場景的環(huán)境也要求隨著人的活動及時產(chǎn)生相應(yīng)的畫面，圖形生成必須能立即做出反應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境和場景。

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

隨著統(tǒng)計值的變化，可實時判定具體場景的瀏覽速度，同時利用EON中Mesh節(jié)點下的Polygon Reduction level子節(jié)點進(jìn)行Mesh網(wǎng)格的簡化，以達(dá)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做動作。框架緩沖可分為前緩沖、后緩沖及Z緩沖，在屏幕上根據(jù)所看到影像的不同而不同。如果在視窗中執(zhí)行EON模擬程式，前緩沖會涵蓋整體事件屏幕，但不影響模擬視窗的大小，在記憶體的數(shù)量上，前緩沖由Windows屏幕設(shè)定來決定。而后緩沖及Z緩沖的大小則依據(jù)目前EON模擬視窗的大小來設(shè)定。

在屏幕上繪制像素是需要時間的，當(dāng)相對于視窗大小的框架速率很大時，像素填充會設(shè)定模擬速度的極限。要降低像素填充所花費的時間，可使用較小的模擬視窗，點選大小/方位比例（Size/Aspect Ratio）標(biāo)簽，并輸入模擬視窗大小，降低透支（Overdraw）的程度（例如空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模擬），合理地將場景進(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(jié)點來進(jìn)行切換，也可利用在框架功能節(jié)點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不顯示。

3.4 利用場景切換技術(shù)實現(xiàn)同一對象不同模型的自動切換

有針對性地為場景中面數(shù)復(fù)雜的裝置建立多個不同的模型，使場景在顯示的時候以不同模型多方面顯示，如圖3所示。最簡單的是建立簡單和細(xì)化兩種模型，當(dāng)視點距對象較遠(yuǎn)時采用簡單模型，視點接近時自動切換為該對象的細(xì)化模型。采用這種辦法，需對某對象建立多個模型，并利用Switch、LOD節(jié)點或觸發(fā)器實現(xiàn)模型的切換[5].在切換過程中，要對切換時間進(jìn)行設(shè)置，使切換時間小于人眼眨動頻率，畫面看起來更加逼真。這種方法既能夠減小面數(shù)、提高演示速度，又能夠使人感覺不到明顯的切換痕跡，是虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域應(yīng)該繼續(xù)沿用并加以延伸的方法。

3.5 漫游系統(tǒng)優(yōu)化測試

虛擬現(xiàn)實漫游技術(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又要保證速度的運行是要重點協(xié)調(diào)的問題。本系統(tǒng)運行的硬件配置為：處理器Pentiu（R）4 3.0 GHz,內(nèi)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(jié)果如表1所示。

利用EON Studio建立的虛擬化工場景，以某化工企業(yè)的生產(chǎn)場景為模型，實現(xiàn)了該虛擬場景的漫游，如圖4所示。使用者可以對場景進(jìn)行全方位瀏覽，也可對局部進(jìn)行細(xì)致的觀察；并配合適當(dāng)?shù)闹v解，最終對該生產(chǎn)過程產(chǎn)生一個清晰、深刻的認(rèn)識。通過對模型部分優(yōu)化與在EON Studio中進(jìn)行的必要優(yōu)化，符合實時交互頻率15幀/s以上的漫游要求，加快了三維場景的實時繪制速度，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(xù)漫游信息系統(tǒng)的完善和二次開發(fā)提供了必要的保證。