龔星宇,常心坦

(1.西安科技大學 計算機科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

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一種數(shù)字礦山快速漫游的層次建模方法

龔星宇1,常心坦2

(1.西安科技大學 計算機科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

針對虛擬數(shù)字礦山中三維場景渲染速度問題，以提高漫游過程細節(jié)層次的建模速度為目標，通過對三維場景中各模型的相關(guān)性定義，提出了一種快速結(jié)構(gòu)分層建模方法。首先利用漫游場景中規(guī)則模型的視點相關(guān)性組織細節(jié)層次，通過結(jié)構(gòu)分層有效組織和管理礦山漫游三維場景，從而減少場景程序文件容量；其次利用視點相關(guān)性提出的動態(tài)權(quán)系數(shù)算法，計算礦山各結(jié)構(gòu)分層動態(tài)顯示系數(shù)；以簡單、快速的方式構(gòu)建動態(tài)變化下的場景模型，實現(xiàn)數(shù)字礦山各結(jié)構(gòu)塊不同細節(jié)層次顯示的虛擬漫游。實驗結(jié)果表明，該方法能夠有效減小程序文件，實現(xiàn)數(shù)字礦山三維場景的快速漫游。

虛擬現(xiàn)實;數(shù)字礦山；渲染優(yōu)化；場景管理；視點相關(guān)

0 引 言

伴隨數(shù)字攝影、地理信息系統(tǒng)和三維可視化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字礦山應(yīng)用已成為煤炭行業(yè)研究的發(fā)展趨勢和信息化建設(shè)的重要方向[1-2]。以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，優(yōu)化建模為目標，生成實景虛擬礦山漫游系統(tǒng)，讓瀏覽者產(chǎn)生身臨其境的感覺。

作為計算機技術(shù)中應(yīng)用熱點的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于園區(qū)場景的虛擬漫游可視化[3-4]。但是對于數(shù)字礦區(qū)這樣大規(guī)模多類數(shù)據(jù)集的高速交互式三維場景可視化仍具有極大的挑戰(zhàn)性，其主要原因在于場景渲染速度問題[5-6]。細節(jié)層次(LOD)技術(shù)是解決此類問題流行的優(yōu)化方法之一，通過降低模型的視覺質(zhì)量來提高渲染效率[7-8]，高分辨率場景數(shù)據(jù)渲染采用LOD技術(shù)可以提高三維立體地形可視化及實時漫游效果[9]。研究者從網(wǎng)格簡化算法和層次劃分方法2方面[10-11]已經(jīng)作了大量研究并取得成果。文獻[12]把用戶感興趣區(qū)域ROI融入LOD模型，在不明顯降低原始模型的表面細節(jié)信息前提下，平均減少27%的內(nèi)存容量；文獻[13]利用LOD技術(shù)產(chǎn)生基于形狀特征分析和變形區(qū)域保存技術(shù)的漸進式變形網(wǎng)格；文獻[5]為提高渲染速度，采用視點相關(guān)的DEM數(shù)據(jù)分塊策略。但是以上方法對于動態(tài)虛擬場景沒有提供直接的細節(jié)層次解決方法。

文中針對動態(tài)場景中的LOD問題，從數(shù)字礦山場景空間結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實建模語言自身特點，提出一種結(jié)構(gòu)分層方法和計算各分層結(jié)構(gòu)間動態(tài)權(quán)系數(shù)的算法，實現(xiàn)數(shù)字礦山各結(jié)構(gòu)塊不同細節(jié)層次顯示的快速虛擬漫游。

1 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)分層法

在數(shù)字礦山虛擬漫游中，假設(shè)V為當前視點，場景中每個物體距離視點V不同。虛擬環(huán)境中為了逼近真實世界，各物體不是實際顯示真實模型大小，而是根據(jù)其距離V的遠近程度，顯示對應(yīng)的細節(jié)層次模型，即：近者為較細模型，遠者為較粗模型[14]。如果對數(shù)字礦山場景中的每個虛擬物體，都分別建立由細到粗的細節(jié)層次模型，結(jié)果必然會產(chǎn)生龐大的模型文件。

若能對場景進行結(jié)構(gòu)化處理，則會形成結(jié)構(gòu)化模型。LOD模型以結(jié)構(gòu)塊為單位而不是單個物體，會在很大程度上減小程序文件。基于以上考慮，這里提出數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層方法：即對V視點下的數(shù)字礦山場景集合M，按照從左向右、從上向下的空間結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)化處理，表示為集合Wi，其中1≤i≤6，如圖1所示。在此結(jié)構(gòu)化處理基礎(chǔ)上進行LOD處理。

圖1 結(jié)構(gòu)化分層原理示意圖

圖1中，按照結(jié)構(gòu)化分層方法場景M被分成6部分，各部分與背景集合B共同組成M.并且使Wi∩Wj=Φ.即結(jié)構(gòu)化的各集合互不相交并相互獨立，且交集為空集。另外，W1∪Wi∪…W6∪B=M，即各結(jié)構(gòu)塊Wi與背景集合B共同構(gòu)成全集。

實際中的數(shù)字礦區(qū)三維場景不一定如圖1結(jié)構(gòu)完整，為了具體化結(jié)構(gòu)分層方法的應(yīng)用，這里對其進行簡化。當前視點場景集合m，按照從左向右、從上向下的空間結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)化，表示為集合wi，其中，1≤i≤4，在此結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)上做LOD處理。

簡化結(jié)構(gòu)分層的結(jié)果如圖2所示。簡化結(jié)構(gòu)分層后同樣具有wi∩wj=Φ和w1∪wi∪…w6∪b=m的關(guān)系，其中b表示簡化結(jié)構(gòu)后的背景集合。

圖2 簡化結(jié)構(gòu)化分層示意圖

圖2中，視點V的移動軌跡用向量X表示。隨著V的變化，wi顯示的模型層次呈動態(tài)變化趨勢，具體變化過程通過動態(tài)權(quán)系數(shù)描述，計算方法在下一節(jié)介紹。

2 結(jié)構(gòu)塊動態(tài)權(quán)系數(shù)算法

為實現(xiàn)數(shù)字礦山虛擬漫游，應(yīng)該為視點設(shè)定漫游路徑。路徑變化過程中，結(jié)構(gòu)塊發(fā)生細節(jié)層次變化，這一變化與模型到視點的距離有關(guān)。

設(shè)視點X沿指定路徑移動，結(jié)構(gòu)塊顯示的層次模型與權(quán)系數(shù)η相關(guān)，η與結(jié)構(gòu)塊和視點之間距離d有關(guān)。結(jié)構(gòu)塊同時受其他結(jié)構(gòu)塊的影響，共同形成動態(tài)變化過程。設(shè)原模型為W，則當前需要顯示的層次模型W′為

W′=η·W，

(1)

如果把結(jié)構(gòu)塊分為如圖1的6塊形式，用I表示各結(jié)構(gòu)塊之間的影響因子矩陣，則I可以表示為

(2)

其中iij表示第i個結(jié)構(gòu)塊對第j個結(jié)構(gòu)塊的影響因子， 1≤i≤6,1≤j≤6.那么某個結(jié)構(gòu)塊i的動態(tài)權(quán)系數(shù)ηi可以通過下式計算

(3)

式(3)中的β表示歸一化因子，其中1≤i≤6,0≤ηi≤1.

結(jié)構(gòu)塊動態(tài)權(quán)系數(shù)算法步驟為

試驗段施工前，對下路床頂高程、中線、寬度、平整度、壓實度進行驗收。檢驗合格后，根據(jù)設(shè)計導線點恢復該段的路線中樁及邊樁，安排人員灑出路基中、邊線。

Step1初始化各結(jié)構(gòu)塊η值；

Step2用式(3)計算沿指定路線移動后各結(jié)構(gòu)塊η值；

Step3用式(1)計算當前模型層次；

Step4轉(zhuǎn)步驟2.

3 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層實現(xiàn)及結(jié)果分析

為了驗證結(jié)構(gòu)分層細節(jié)建模表示方法在數(shù)字礦山虛擬漫游中的作用，文中對實際數(shù)字礦山地面場景做結(jié)構(gòu)化分層實驗。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實建模語言VRML和Java編程，將本文提出的結(jié)構(gòu)化分層方法和動態(tài)權(quán)系數(shù)算法應(yīng)用于三維數(shù)字礦山動態(tài)場景的LOD處理，并分析實驗結(jié)果。

3.1 數(shù)字礦山場景結(jié)構(gòu)化分層

假設(shè)礦山場景當前視點在V下，按照本文提出的結(jié)構(gòu)化分層原理，對場景進行結(jié)構(gòu)化分層。在場景動態(tài)變化即視點V移動過程中，視點會進入某一個結(jié)構(gòu)塊內(nèi)，此時按照第一節(jié)方法繼續(xù)進行結(jié)構(gòu)化分層。結(jié)構(gòu)化分層之后，以結(jié)構(gòu)塊場景為單位，建立LOD模型。動態(tài)場景中，按照第二節(jié)算法的計算結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的層次模型。

如果用VRML中自帶的LOD節(jié)點對數(shù)字礦山場景進行細節(jié)層次處理，則需要為場景中每一個物體的LOD節(jié)點設(shè)計程序。與結(jié)構(gòu)化分層相比較，LOD節(jié)點設(shè)計程序會較大。隨著場景復雜度的增加，需設(shè)計的LOD節(jié)點成線性增長。而結(jié)構(gòu)化分層思想按照視覺空間位置信息，把礦山場景分成圖1或是圖2的結(jié)構(gòu)化形式，按照圖2簡化結(jié)構(gòu)化分層，將左上部分物體歸入w1，左下部分物體歸入w3，右上部分物體歸入w2,右下部分物體歸入w4，完成結(jié)構(gòu)化分層工作，最后結(jié)果如圖3,圖4和圖5所示的效果。

圖3 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層場景1

圖4 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層場景2

圖5 數(shù)字礦山結(jié)構(gòu)化分層場景3

3.2 結(jié)果分析

在圖3，圖4，圖5所示數(shù)字礦山場景基礎(chǔ)上，進行基于第二節(jié)動態(tài)權(quán)系數(shù)算法的動畫設(shè)計，經(jīng)過實驗結(jié)果的文件比較見表1，表2，表3所示。按照自左向右、自上而下的順序?qū)Y(jié)構(gòu)塊進行編號，3個表格依次列出各結(jié)構(gòu)塊和總場景采用結(jié)構(gòu)化分層原理與未采用結(jié)構(gòu)化分層原理的程序文件大小。

表1 場景1文件大小比較Tab.1 Comparison of the scene 1 file size 字節(jié)

表2 場景2文件大小比較Tab.2 Comparison of the scene 2 file size 字節(jié)

表3 場景3文件大小比較Tab.3 Comparison of the scene 3 file size 字節(jié)

通過表1，表2，表3的數(shù)據(jù)比較可以看出，本文提出的結(jié)構(gòu)化分層LOD方法能夠有效減小VRML文件。w1文件平均減少10%，w2文件平均減少4%，w3文件平均減少6%，w4文件平均減少4%，m文件減少8%。結(jié)構(gòu)塊包含物體越多，文件減少就越明顯。

表4，表5，表6進一步說明本文所提方法的有效性，分別列出數(shù)字礦山場景3倍復雜度時使用結(jié)構(gòu)分層LOD方法的實驗結(jié)果。

表4 3倍復雜度場景1文件大小比較Tab.4 Comparison of the three times scene 1 file size 字節(jié)

表5 3倍復雜度場景2文件大小比較Tab.5 Comparison of the three times scene 2 file size 字節(jié)

表6 3倍復雜度場景3文件大小比較Tab.6 Comparison of the three times scene 3 file size 字節(jié)

三倍復雜度數(shù)字礦山場景中，w1文件平均減少12%，w2文件平均減少8%，w3文件平均減少9%，w4文件平均減少7%，m文件平均減少10%.三倍復雜度場景比原場景減少文件平均多4.8%.可見本文提出的結(jié)構(gòu)分層LOD方法尤其對復雜礦山場景及包含物體較多的結(jié)構(gòu)塊效果會更加顯著。

實驗結(jié)果表明，經(jīng)過動態(tài)權(quán)系數(shù)算法的動畫漫游效果基本不影響動畫質(zhì)量。充分表明本文所提出方法的有效性和實用性。

4 結(jié) 論

本文以數(shù)字礦山漫游為應(yīng)用背景，在VRML動態(tài)場景下，利用結(jié)構(gòu)分層方法對礦山場景進行結(jié)構(gòu)化處理，形成分層結(jié)構(gòu)化的LOD模型。結(jié)構(gòu)化分層方法以簡單的方式實現(xiàn)模型組動態(tài)LOD表示和礦山場景模型文件的縮減，總結(jié)研究內(nèi)容與實驗結(jié)果表明

1)本文提出的方法能有效減小程序文件且有較好的動畫效果；

2)能有效提高數(shù)字礦山漫游的渲染速度；

3)增強了數(shù)字礦山漫游的真實感。

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A method of level modeling for digital mine’s fast roaming

GONG Xing-yu1,CHANG Xin-tan2

(1.CollegeofComputerScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Aiming at the problem of the rendering speed in digital mine and in order to improve the rate of level of detail modeling in Digital Mine roaming，a new fast LOD method based on structure level modeling is proposed using the view-depend of model in roaming scene to organize the level of detail.First，organize and manage mine roaming three-dimensional scene effectively using structure level to reduce the total digital mine scene file.Secondly，using the proposed algorithm of dynamic weight coefficient，the dynamic display coefficient of each mine structure block level is calculated.Finally，the 3D scene model of digital mine in dynamic changes can be constructed by a simple and fast way to realize the virtual roaming in structure block level.Experimental results show that this method can effectively reduce the program file，and achieve fast roaming for 3D scene of digital mine.

virtual reality；digital mine；rendering optimization；scene management；view-depend

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0119

1672-9315(2015)01-0110-05

2014-10-20責任編輯:高 佳

陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2012JQ8035)；陜西省教育廳科研計劃項目資助(2013JK0870)

龔星宇(1982-)，男，寧夏平羅人，博士研究生，講師，E-mail:gxyonline@gmail.com

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