海軍大連艦艇學(xué)院 董廣智

1.引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用與場景仿真及漫游領(lǐng)域，通過人機交互功能可以為用戶提供身臨其境的交互體驗。場景漫游系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的主要形式，主要采用基于三維圖形引擎的開發(fā)平臺，避免了直接基于圖形API開發(fā)的復(fù)雜性。OGRE引擎就是為設(shè)計和實現(xiàn)虛擬場景漫游系統(tǒng)打造的大型三維圖形引擎。OGRE可以通過構(gòu)建場景及其設(shè)施設(shè)備的三維模型，同時支持人機交互功能，可以很好的再現(xiàn)真實場景，它將現(xiàn)實世界的人物、場景的紋理和特性表現(xiàn)得淋漓盡致。OGRE引擎可以應(yīng)用于虛擬場景漫游系統(tǒng)，比如城市規(guī)劃與設(shè)計、三維游戲、虛擬廣告系統(tǒng)、虛擬娛樂等。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)

2.1 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實及其技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，包含工業(yè)制造自動化、軍事演練仿真、大型3D游戲等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過對現(xiàn)實世界的場景、人物、花草樹木進行三維建模，重新構(gòu)造虛擬場景，通過人機交互功能可以為用戶提供良好的視覺交互體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主體特征如圖1所示。

2.2 OGRE簡介

OGRE是一種面向?qū)ο蟮娜S圖形引擎。由于OGRE引擎支持C++語言開發(fā)，而且操作靈活、功能齊全，因此可以方便開發(fā)者快速構(gòu)建虛擬場景交互系統(tǒng)，同時OGRE支持更高層次的圖形、圖像API，屏蔽了對底層圖形庫API的直接調(diào)用，提供一致的面向現(xiàn)實世界的操作接口，適應(yīng)性更強。

圖1 主體特征

3.基于OGRE引擎的虛擬場景漫游系統(tǒng)設(shè)計過程

3.1 構(gòu)建場景結(jié)構(gòu)

構(gòu)建大型虛擬場景漫游系統(tǒng)最基本的內(nèi)容就是要完成三維場景結(jié)構(gòu)的建模。通常，虛擬場景漫游系統(tǒng)是對現(xiàn)實世界人物活動的再造，因此對人物、場景的仿真要求較高。如果場景中的各種人物、物體胡亂堆砌，雜亂無章，或者場景元素較少、單調(diào)，這樣的場景注定是失敗的。OGRE引擎不僅提供了三維場景模型管理功能，而且提供了面向?qū)ο蟮膱鼍皩嵗芾砗驮L問功能。場景中的實體主要描述如下：

(1)Entitiy：表示場景元素對應(yīng)的模型的場景實例；

(2)Light：表示場景元素?zé)艄鈱?yīng)的模型的場景實例；

(3)Camera：表示場景元素攝像機對應(yīng)的模型的場景實例；

(4)SeeneNode：表示場景元素中抽象場景節(jié)點管理單位。

OGRE引擎根據(jù)SceneNode節(jié)點來劃分場景空間層次組織結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對整個場景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化管理，對應(yīng)的場景結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.2 檢測碰撞

在場景漫游系統(tǒng)中，碰撞檢測是一項很重要的內(nèi)容，直接影響到場景交互體驗的真實感。碰撞檢測功能主要完成場景中人物與場景、場景元素與元素、人物與人物之間的空間位置重合檢測，防止發(fā)生不符合現(xiàn)實世界規(guī)律的情況發(fā)生。舉例來說，人物在場景中行走不能穿墻而過，人物不應(yīng)該漂浮在空中。那么當系統(tǒng)檢測中元素重合的情況，就要做出碰撞反應(yīng)，比如人物碰墻后應(yīng)該停止行走，直到人物選擇新的方向。應(yīng)用碰撞檢測可以避免人物穿墻而過、人物身體重復(fù)等不符合現(xiàn)實的情況。OGRE引擎全面支持碰撞檢測模塊，比如AABB包圍盒。

4.虛擬場景漫游系統(tǒng)設(shè)計

4.1 場景與設(shè)備建模

不同的場景仿真對應(yīng)的場景是不一樣的，要根據(jù)實際情況來完成場景建模的工作。比如在進行煤礦巷道場景漫游系統(tǒng)中，首先要完成煤礦巷道場景網(wǎng)格模型。通常，OGRE引擎支持自動建模功能，但是這只針對簡單模型，通常主要手工建模的方法，一般主要應(yīng)用大型三維建模工具（3DsMax或Maya）來設(shè)計主場景MESH模型。一般來說，多邊形數(shù)目越多，模型細節(jié)度就高，但是通常會降低渲染的效率。OGRE引擎全面支持MESH網(wǎng)格模型。

4.2 開發(fā)環(huán)境配置

目前，大部分的用戶都選擇WINDOWS操作系統(tǒng)，應(yīng)用較為廣泛，本系統(tǒng)也主要采用基于WINDOWS平臺的OGRE圖形引擎平臺。在使用OGRE引擎來構(gòu)建虛擬場景漫游系統(tǒng)之前，首先構(gòu)建對應(yīng)的場景模型，其次是要配置好相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境。OGRE除了本身的功能組件以外，還需要額外的庫作為支撐環(huán)境。在WINDOWS操作系統(tǒng)環(huán)境下，OGRE引擎需要下面的組件：(1)STLport；(2)DireetX SDK。

4.3 漫游系統(tǒng)設(shè)計

在實現(xiàn)虛擬場景漫游系統(tǒng)過程中，主要包括兩個主要的步驟：構(gòu)建虛擬場景元素及其模型、設(shè)計漫游引擎。其中，構(gòu)建虛擬場景元素及其模型是基礎(chǔ)，主要完成的工作是設(shè)計三維MESH模型，同時制作動畫文件、多媒體文件、聲樂文件、紋理圖像等資源，然后進行資源整合，形成最終的場景數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。設(shè)計漫游引擎的主要目的是實現(xiàn)三維虛擬場景的實時交互和渲染工作，它主要依賴于OGRE引擎提供的人機交互模塊。處理過程如下：用戶操作鼠標、鍵盤來驅(qū)動人物角色的行走、方向，場景中的人物就會移動起來，OGRE引擎負責(zé)場景渲染更新并同步輸出到顯示屏，這樣用戶就可以看到實時交互畫面。OGRE引擎只需要根據(jù)用戶的操作調(diào)入場景元素及其模型數(shù)據(jù)到內(nèi)存，并輸出到顯示設(shè)備顯示出來。需要說明的是，虛擬場景漫游系統(tǒng)主要包括兩大控制模塊：三維圖形渲染、交互控制。對應(yīng)的虛擬場景漫游系統(tǒng)總體框架圖如圖3所示。

圖2 場景結(jié)構(gòu)圖

圖3 總體框架圖

4.4 人機交互

虛擬場景漫游系統(tǒng)的交互性主要表現(xiàn)為場景漫游，主要包括兩個方面的內(nèi)容：

（1）用戶通過鼠標、鍵盤來操作虛擬場景中的人物角色，對應(yīng)的場景實體對象的動作（語言、肢體動作、行走方向等）變化可以立即反饋給用戶，從而相應(yīng)用戶的操作。

（2）當場景中虛擬攝像機方向、角度發(fā)生改變時，系統(tǒng)會生成最新的視覺方面并顯示出來。

5.結(jié)語

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，人們對視覺仿真的實時性、視覺提出了更高的要求，相信在未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)畢竟發(fā)揮更大的作用。本文以O(shè)GRE引擎為主線介紹了基于OGRE引擎的虛擬場景漫游系統(tǒng)的設(shè)計思路、關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計過程，充分闡述了OGRE引擎用于開發(fā)虛擬場景漫游系統(tǒng)的基本步驟和過程，大大提高了虛擬場景漫游系統(tǒng)的制作效率，具有良好的實用參考價值。

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