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1、2010年 4月第 6卷 第 2期系 统 仿 真 技 术Syste m Si mu lation Techno logyApr. , 2010Vo. l 6, N o . 2中图分类号 : TP 39文献标识码 : ACreator 三维模型数据库优化技术张建( 91404部队 93分队 ,河北 秦 皇岛066001)摘要: 从提高视景仿真系统的运行效率角度出发, 首先简 要介绍了著 名的三维 建模软 件 M ultiGenCreator ,然 后针对用于视景仿真系统的三维模型数据库的特点, 详细阐 述了 Creator模型 数据库的优 化技术。 通过对 模型数据 库进行减少多边形数量、 优化
2、层次结构、 使用布告板等方法, 能显著提高视景仿真系统的运行效率。关键词 : 可视化仿真 ; 三 维模型 ; 数据库 ; 优化Optim izati on Techniqueof Creat or Threedimensi onalModel DatabaseZHANG Jian(Th e93 Un it of 91404 PLA, Q inhuangdao 066001, China)Abstract: Taking i mprove the run efficiency of v isual si m ulation syste m as purpose , the author intr
3、oducetheM ultiG en Creator , then, base on the characteristics of t hree dim ensional m odel database , illum inatethe optim ization technique of C reator three di mensional model database . The run effic iency of visualsi mulation syste m canbe i m prove through reduce thenum bers of polygon , opti
4、m ize arrange m ent structureand B illboard , etc .Key words:scenesi mulation; three dim ensionalm ode; ldatabase ;optim ization1引言视景仿真技术(V isualSi mulation Technology)是计算机技术、 图形处理与图像生成技术、立体影像和音响技术、 信息合成技术、 显示技术等高新技术的综合运用。它分为仿真环境制作和仿真运行驱动2个环节 , 仿真环境制作主要包括: 模型设计、场景构造、纹理设计制作、 特效设计等,它要求构造出逼真的三维模型和制作逼真的
5、纹理与特效。仿真驱动主要包括: 场景驱动、 模型调动处理、 分布交互等 , 它要求高速逼真的再现仿真环境 , 实时响应交互操作等。随着三维场景数据量的日益增大以及专为图形渲染设计的图形处理器( graphic processinguni, tGPU)的普及, 在不明显降低图形质量和复杂程度的前提下 ,解决大数据量仿真场景在速度、质量及场景复杂度之间越来越突出的矛盾, 成为一个值得研究的问题。对于可视化仿真系统而言, 重要的是仿真系统运行时的速度和流畅性, 要在保证系统运行速度的前提下适当提高模型逼真度,在模型逼真度和运行速度之间找到1个平衡点。2M ultiG en Creator 简介著名的
6、三维图形建模软件, 如 M aya , 3DMAX,3Dstudio等,都以视觉效果为第一建模目标, 能生成逼真的三维模型。但是这些软件不考虑模型的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 张建: Creator三维模型数据库优化技术渲染效率 , 渲染一帧画面可能需要几十分钟甚至更长时间 , 这显然不能满足实时仿真的要求。Creator是 MultiGen Paradigm 公司新一代的实时仿真建模软件, 它的设计理念就是
7、完全针对可视化仿真应用, 主要考虑在满足实时性的前提下如何生成面向仿真的、 逼真度好的大面积场景。Creator的最大特点在于它独创的用于描述三维虚拟场景的层次化数据结构OpenFlight数据结构。 OpenFlight采取 1种节点式的分层结构,可以快捷方便地对场景内任何元素进行直接的编辑、 修改和控制 , 特别适合图像生成器对其进行实时的渲染功能。它提供了诸如多层次细节(LOD)、自由度控制(DOF)、 光点系统等高级实时功能, 同时还支持逻辑筛选、分离面裁剪、纹理动画系列、公告牌渲染等多种高级渲染功能, 使得 OpenFlight格式在实时三维领域成为最流行的图像生成格式, 并成为视景
8、仿真领域事实上的行业标准。3基于Creator 的模 型数据 库优化技术使用 Creator建造的模型不仅要有一定的逼真度 , 更要满足实时仿真系统的需求, 如果为了追求精细度而建造过于复杂的模型, 就会付出很大的运行代价。可视化仿真实时性和交互性的特点决定了用于可视化仿真系统的三维模型数据库应具有以下特点:( 1) 模型的多边形数量要尽可能少;( 2) 模型数据的构造要尽可能简单;( 3) 模 型数据 库的结构要便 于进行 遍历操作;( 4) 模 型数据 库要能够被应 用程序 快速读取;( 5) 模 型数据 库可以包含各 种约束 限制信息。3. 1减少多边形数量3. 1. 1使用 LOD技术
9、使用 LOD技术创建的包含不同细节程度版本的模型 , 可以在实时系统的多边形预算范围内有效增加仿真系统的绘制效率。不同层次的模型有着不同数量的多边形, 当视点里物体越近,就会使用细节程度越高的模型版本。多边形数量最多、模型细节最丰富的版本称为最高层次细节模型 , 只有在视点离物体最近的时候才会被显示出来1 。当视点远离模型后, 不需要那么多细节就可以转换为1个更低层次细节版本模型。图1所示为Creator采用了不同参数自动生成的飞机 LOD示意图。图 1使用不同参数的LOD 示意图Fig. 1D iagram of LOD usin g d ifferent param eters3. 1.
10、2使用纹理代替多边形在不使用更多附加多边形的情况下, 使用纹理可以从视觉效果上极大地丰富模型细节。例如, 要建立 1辆坦克模型 , 只需建立几个简单的几何体 , 通过为每个面映射坦克相应的照片纹理,就能产生1个极为逼真的坦克模型。图2为使用纹理代替多边形建立的坦克模型。从图中可看出, 坦克车身由1个简单的六面体组成,但通过适当的纹理映射后 , 在连坦克履带的细节都有所反映的前提下 , 却没有用到1个额外的多边形 , 从而极大地减少了模型的多边形数量。165名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -
11、- - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 系统仿真技术第 6卷 第 2期图 2坦克模型示意图F ig . 2D iagram of T ank m odel3. 1. 3删除冗余多边形和背面多边形冗余多边形是指在实时仿真过程中始终不会被显示出来的多边形, 包括模型几何体内部多边形、一些过度的模型细节和被其他多边形完全遮蔽的多边形等。冗余多边形除了能进行手动删除外, 还可以使用 V irtue 3D公司的 V Si mplify之类的第三方工具来自动对模型多边形进行自定义的精简, 可以在保留原有模型多边形各种属性的基础上按照指定的百分比对模型进行简化。V Si
12、mplify 相当于 Creator的 1个插件 ,调用它的命令通常出现在LOD菜单中。3. 2纹理优化除了 LOD技术外 ,纹理是另1个用来简化复杂几何体的有效方法, 这对实时交互绘制系统来说是非常重要的。采用多幅图像压缩成单幅纹理或消除细小纹理等方法均可提高纹理内存的使用效率。1983年 W illiams提出了 M ip map(Multi i magepyra mid map)技术 , 该技术相当于纹理LOD! 技术, 在多分辨率的模型中加入多分辨率的纹理影像, 高分辨率的M ipmap图像用于接近观察者的物体 , 当物体逐渐远离观察者时, 使用低分辨率的图像。该技术虽然内存消耗很大,
13、 但能有效解决纹理和系统内存之间的矛盾, 提高场景渲染的质量。图3是 M ip map表的存储方式, 其中右下角、 右上角及左上角区域分别存储纹理图像的红、 绿、 蓝分量在初始分辨率下的采样值, 而左下角区域则为对纹理图像红、蓝、 绿三分量逐级压缩的结构 2。针对 M ip m ap内存消耗很大的问题, 可采用剪切纹理 ( Clipmap)方法减少大纹理使用时存在的矛盾。当使用剪切纹理时, M ipmap金字塔中的最高分辨率纹理被剪裁成较小的尺寸, 因为较高分辨率的纹理通常都不会使用其整体。这就意味着较低分辨率的纹理覆盖了剪切纹理的整个区域, 而较高分辨率的纹理则覆盖较其应有的小得多的区域。当
14、环绕纹理移动时, 只有剪切纹理金字塔的被剪切的那部分即通常被称为栈的部分移动 , 因为较低层次的纹理已经完全载入并覆盖剪切纹理的整个区域。图 3M ipm ap表的存储方式Fig. 3Storage m ethod ofM ipm ap剪切纹理还提供了从磁盘进行纹理分页载入, 这样不需要内存一直保存着所有的纹理数据。为进行分页调度, 剪切纹理在主存使用1个图像缓存 , 这个图像缓存总是保持同一大小, 并且随视点在剪切纹理上的移动而更新。将要被使用的纹理需要在剪切纹理使用前进行预滤波,并在磁盘上进行分割3。3. 3优化数据库的层次结构Creator模型数据库中节点的层级结构组织方式在很大程度上决
15、定了模型数据库的实时应用性能 , 特别影响实时系统中的剔除( cull) 和绘制 ( draw) 2个过程。合理有效地组织数据库节点层次结构 , 会使得绘制顺序能够快速地遍历数据166名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 张建: Creator三维模型数据库优化技术库节点 , 进行节点截取计算, 从而提高最后仿真运行系统的速度。3. 3. 1剔除过程实时系统只对边界体与观测体相交的组节点及其子节点进行遍历, 这些节点包
16、含的模型对象共同构成了当前潜在的可视场景。可以按照下列 3种不同类型的形式来组织模型数据库。( 1) 线性结构 : 所有节点放在1个组节点下 ,运行程序必须逐个计算每个节点是否需要显示出来 , 影响剔除。( 2) 逻辑结构 : 将构成场景的所有体节点按照某种逻辑规则进行分组,将它们分别放置在相应的逻辑组节点下。运行程序时需要遍历所有体节点 , 判断其 是否需要进行显示计算 , 影响剔除。按照这种逻辑结构组织模型数据库在创建场景模型的过程中可能会比较方便, 但是由于场景中的各类模型对象的分布是随机的和不可预料的 , 所以, 对于大型系统而言, 这种逻辑结构虽然便于编辑和整理节点, 但使用这种方式
17、对系统剔除性能的影响会更大。( 3) 空间结构 : 按照场景中的区域来对节点进行分组。运行系统调用各个组的外围约束体,判断该组何时需要显示。如果显示则整个分组中的所有子节点均显示, 否则所有子节点均不显示。这样能显著提高模型的运行效率。使用这种结构进行分组, 实时系统可以快速判断出哪些区域在或者不在当前的可视范围内。由于按空间结构进行分组的方式可以以组节点为单位进行可见性判断, 而不用遍历不可见组节点的子节点 , 所以实时系统处理的速度会很快。特别是对大规模的场景数据库而言, 这种速度优势会更加明显。如果某个模型跨越了2个区域 , 可以采用将模型的几何体进行隔离, 并将不同部分放置到不同的区域
18、组节点下, 或者是调整该模型的空间,使之仅处于某1个区域中。3. 3. 2绘制过程( 1) 固定次序 : 固定次序的绘制方式就是完全按照模型数据库中的各节点顺序进行绘制, 而不考虑其具体的空间位置。在这种绘制方式下应尽可能地将相同属性的面放在同一组中。(2) BSP(binary separati ng plane)隔离面 : BSP隔离面是指一些可以插入被隔离的不同部分几何体之间的不可见平面 , 模型数据库节点就是根据它们相对于 BSP隔离面的位置被绘制出来的。具体地说, 就是位于BSP隔离面同一侧的节点会被绘制在位于隔离面另一侧的节点的前面,而那些不含BSP隔离面的节点仍然按照固定次序顺序
19、绘制。为了快速插入BSP隔离面, 应注意:模型数据库中的每个多边形的所有顶点都应该是共面的 ; 对于可以从中间分开的具有对称性的模型 , 尽量采用先创建半边模型再使用镜像工具的方式 ; 对于诸如飞机机身这样的管状模型建模, 应该尽量使用偶数边的横截面, 这样的模型在旋转的时候看起来像是对称的; 模型数据库中的单独模型几何体应分开布置。3. 4使用边界体边界体是1个包围着模型几何体的不可见线框形状 , 用来确定模型对象的大致范围。用户可以在 Creator中为模型数据库定义边界体, 这些边界体信息可以被一些实时系统用来进行诸如碰撞检测、数据剔除等操作。在很多实时仿真应用中都需要进行碰撞检测, 碰
20、撞检测不仅可以增强虚拟仿真的真实性,还可以在仿真应用中触发许多特殊效果。在实时仿真过程中 , 当 2个场景元素对象的模型几何体有相交或者空间位置有重叠时, 就说明有碰撞发生。如果模型对象都有相应的边界体用来描述其大致范围 , 那么实时系统只需判断二者的边界体是否相交即可判断是否发生了碰撞, 实时系统的工作效率就会非常高。否则, 模型几何体的每个多边形都需要进行相交判断, 这样的计算效率显然会比较低, 不能满足仿真应用的实时要求。如图4所示, 对于直升机的螺旋桨,在仿真系统中, 使用 1个圆柱体型的边界体来代表螺旋桨的移动范围 , 不仅更加符合真实情况, 而且能显著提高计算效率。167名师资料总
21、结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 系统仿真技术第 6卷 第 2期图 4 直升机螺旋 桨的边界体F ig . 4B ound ing volum esof helicopter prop eller边界体的另1个重要应用是实时系统在进行数据剔除的过程中进行可见性判断, 边界体是模型数据库中组节点的属性之一, 用户可以在组节点属性对话框中设置边界体的形状、大小和位置等。默认的边界体是可以将组节点及其子节点全部完全包围的, 为了实
22、现特殊的目的, 用户还可以人为适当缩小或扩大边界体的大小。有时也可以使用不跟模型几何体类似形状的边界体。3. 5模型对象实例化一个实例 ( instance)是指对模型数据库中某个模型对象的1个参考副本 , 是指向模型数据库中模型对象的指针, 并没有复制模型对象的几何体, 通过实例化创建的模型副本并没有增加模型数据库的实际多边形数量。在复杂场景中, 由于会使用到大量相同的重复出现的几何体而使几何体数量迅速增加,这将大大增加存储空间。通过使用模型对象实例化 , 相同的几何体共享同一个模型数据, 通过矩阵变化安置在不同的地方, 这时只需1个几何体数据的存储空间, 由此 , 节省了系统的内存空间和磁
23、盘存储空间, 同时还可以改善实时系统的运行性能。3. 6布告板技术布告板 (B illboard)是指那些模型数据库中可以在实时仿真过程中始终保持面对视点的多边形。布告板通常用来创建场景中类似于电线杆或者树木等具有对称形的物体, 甚至可以用1个多边形表现具有大量细节的模型对象。由于布告板是通过为1个多边形加上贴图来表现物体,所以能极大地减少模型的多边形数量 4。4结论本文首先分析了用于可视化仿真系统的三维模型数据库具有的特点, 然后针对专门用来生成仿真模型的大型软件M ultiGenCreator , 通过使用减少多边形数量、纹理优化、 数据库层次结构优化、使用边界体、 模型对象实例化、 布告
24、板技术和FS T 文件格式等方法, 优化了模型数据库, 提高了视景仿真系统的运行速度和流畅性。参考文献 : 1殷宏 , 王志东 ,许 继恒 . 基 于 Creato r/V ega 的 战场 视景仿真 J. 解放军理工大学学报, 2005 , 4( 2): 137 141 .Y I N H ong , WANG Zh idong , XU Jiheng . Battlefield scenesi mu lation based on creator/ vega J. PLA University ofScience , 2005 , 4( 2): 137 141 . 2古伊 , 高井祥 ,孙九
25、运 . 基于 CreatorPro_VegaPri me的三维地形仿真技术 J. 矿山测量 , 2005 , 3( 1): 27 29.GU Y,i GAO Jingxiang , S UNJiuyun . Three di mensionaltopography si mu lation based on C reato rPro_V egaPri metechno logy J. M ine Surveying, 2005 , 3( 1): 27 29 . 3侯涛 . 三维仿真场景优化理论与 算法研 究 D . 北 京:中国科学院遥感应用研究所 , 2006 .HOU Tao . The
26、studyof threedimensional si mulationscenar io optim ization theory and algorith ms D . Beijing :Instituteof R emoteSensingApplications ,ChineseAcademy of Sciences , 2006 . 4杨丽 , 李 光耀 . 城 市仿 真建 模工 具Creator软 件教程 M . 上海 :同济大学出版社, 2007 .YANG L , i L I Guangyao . U rban si mu lation and modelingtoolsCreator soft w are tutorials M .Shangha: i TongjiUn iversityPress , 2007 .张建男 ( 1979-), 云南曲靖人,讲 师, 主 要 研 究 方 向 为 光 电 对 抗试验 。168名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -