魏晓光 唐潇 张倩

摘  要： 为了兼顾虚拟现实仿真应用中的真实感和实时性，以便营造流畅且高逼真的模拟环境，对真实感实时绘制关键技术进行具体研究。选取多细节层次模型（LOD）作为研究对象，并采用三角形网格简化模型对地形生成算法进行处理，提高了渲染速度。此外，采用基于三维透视投影的可视化策略对LOD选择机制进行设计，增强了场景的真实感。使用Visual C++开发语言和OpenGL开发工具对设计的LOD模型进行实现。模拟结果显示，提出的方法绘制效率较好，能够达到比较理想的场景仿真效果。

关键词： 虚拟现实; 真实感; 实时绘制; 多细节层次模型; 渲染速度; OpenGL

中图分类号： TN911?34; TP393                    文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2019）09?0111?04

Research on virtual reality key technologies based on true sense

WEI Xiaoguang1， TANG Xiao2， ZHANG Qian3

（1. University Intelligent Finance Application Technology Development Center of Hebei Province， Hebei Finance University， Baoding 071000， China;

2. Academic Affairs Office， Hebei Finance University， Baoding 071000， China;

3. Department of Information Engineering， Hebei Software Institute， Baoding 071000， China）

Abstract： In order to balance the realism and real?time performance in the virtual reality simulation application， and create a smooth and highly?realistic simulation environment， the realistic real?time drawing key technologies are studied in detail. The levels of detail （LOD） model is selected as the research object， and the triangular mesh simplified model is used to process the terrain generation algorithm， which can improve the rendering speed. The visualization strategy based on 3D perspective projection is used to design the LOD selection mechanism to enhance the reality of the scene. The designed LOD model was implemented by using Visual C++ development language and OpenGL development tool. The simulation results show that the proposed method has high drawing efficiency， and can reach the ideal scene simulation effects.

Keywords： virtual reality; true sense; real?time drawing; levels of detail model; rendering speed; OpenGL

0  引  言

随着计算机技术的不断发展，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术也随之不断成熟和普及。由于具有“身临其境”的真实感， 虚拟现实能够以更加自然和逼真的人机交互方式给用户带来全新的体验经历[1?3]。因此，虚拟现实逐渐成为近十年来比较热门的研究方向。作为一个多学科综合发展的产物，虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面，是仿真技术与计算机图形学、人机交互技术、信息处理技术、传感器技术等多种技术的集合。与现有的其他仿真技术相比， 虚拟现实能够完成多维信息空间的仿真和建模，同时提供了更高的逼真度[4]。

但是，现有的虚拟现实技术仍具有某些局限性。由于计算机处理性能的限制，在虚拟仿真中对图像进行实时绘制时需要对逼真度和绘制速度进行有效平衡，从而在现有硬件条件下为用户提供流暢的真实感体验[5]。

因此，本文对真实感实时绘制关键技术中的LOD模型进行具体研究。模拟结果显示，提出方法绘制效率较好，能够达到比较理想的场景仿真效果。

1  虚拟环境下的真实感实时绘制技术

1.1  需求分析

所谓的三维图形实时绘制技术，就是利用计算机技术让用户在所有视点和方向上对虚拟场景进行观察时均具有三维视觉感的技术[3]。

为了给用户提供最佳的真实感，该技术需要尽量统一图像的刷新速度和用户的视点变化速度，否则，用户最终看到的画面会出现掉帧现象，十分影响用户的体验感。

为了构建基于几何的虚拟场景模型，必须采用点、线、面等几何对象对模型中的所有部件进行解析和整合，然后通过纹理映射和光照处理等技术对模型进行处理[6]。

但是，在实际几何虚拟场景的构建过程中，需要处理大量的图像信息，尤其是数据量较多的复杂场景，系统实现复杂度会急剧增加。这种情况会导致图像的刷新率明显降低，因此对内存、CPU和图像处理设备的性能要求较高。必须保证足够高的图像刷新率才能确保场景显示保持一定的实时性。如果虚拟仿真系统需要较大延迟才能呈现出新场景，会明显降低场景中用户的真实体验感，严重的情况下还会导致用户产生“眩晕”“恶心”等生理不适现象[6]。目前，降低场景复杂度最常用的方法是LOD技术，可以有效改善三维场景的动态刷新速度，例如文献[7]提出一种基于半边折叠的LOD模型构造方法，该算法能较好地保持模型的外形特征，实现起来快速有效。

1.2  LOD技术分析

LOD的基本思想是在不影响画面质量的前提下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂度，从而提高绘制算法的效率。Level of Detail（模型详细程度）这一概念来源于计算机图形学，简单来说，就是根据物体的移动速度，距离相机的距离决定模型细节，从而提高计算机运算效率。如同观察自然风景时，距离较近的物体更精细，距离较远的物体比较模糊。图1为人像模型的LOD显示结果。

2  實时绘制的关键技术及解决方案

2.1  LOD网格模型的简化

LOD技术的实现具体包含三方面的内容[8]：LOD模型的自动生成;LOD模型的选择机制;几何形状过渡，即不同层次模型转换。

本文针对LOD模型的生成过程进行简化操作。采用三角形网格简化模型对地形生成算法进行处理，提高了渲染速度。根据网格的几何及拓扑特性，使用顶点删除操作，如图2所示。

图1  头像模型的LOD显示

图2  顶点删除操作

2.2  LOD的选择机制

在LOD技术的实现过程中，当绘制所需图像时，选择机制会在多个层次的LOD模型中选择最适宜的某个模型[9]。一般按照模型与视点的距离来挑选不同细节层次的模型。

图3表示一个圆形模型的LOD选择过程。当用户的视点与模型的距离在[0～rl]内的范围时，选择细节内容最丰富的圆形模型进行绘制;当用户的视点与模型的距离在[r1]～[r2]之间时，选择相对简化的六边形模型进行绘制，如此类推，直到距离大于[r3]时，模型完全消失。

图3  LOD选择过程演示

同样，根据模型离视点的距离，本文基于三维透视投影的可视化策略对LOD选择机制进行设计，增强了场景的真实感。当距离越远，模型在屏幕上的投影区域越小。

三维透视投影示意图如图4所示，投影的计算演示如图5所示。

图4  三维透视投影示意图

图5  投影的计算演示

式中：[e]表示观察点;[F]表示模型所处的空间位置;[D]表示观察点到前裁剪面的距离;[a]表示视角;[l]表示其真实高度;[d]表示目标在二维平面上的投影，单位为像素数;[b]表示模型因观察点变化引起的倾角。

判断LOD层次模型选择的条件为：

2.3  连续LOD地形的转换

对于绘制地形的过程，按照上述计算方法选择不同层次的LOD模型来绘制，并选择三角形来仿真地形的生成。

对于不同复杂模式的地形，采用的三角形绘制函数也有所区别，代码如下：

3  功能实现与测试

3.1  开发环境

PC主机的CPU为i5?4570，内存为4 GB，硬盘为 500 GB，图形显示器为HKC P4000 23.8寸电脑显示器。VR系统硬件的核心显卡设备为NVIDIA GeForce GTX1060。虚拟平台为Windows 10。软件开发语言采用Visual C++ 6.0，开发工具为OpenGL vl.2， 建模工具为MultiGen Ceraotr v2.6。

3.2  测试结果

以自然风景区大型漫游系统为例，对本文设计的方法进行实际测试，地形场景的实验结果如图6所示。从图6可以看出，设计方法的网格分布较为均匀，且地形模型的主要特征保留效果较好。此外，表1给出了本文方法和Garland方法[10]对相同数据进行建模的效率，可以看出，本文方法所需时间较少。

图6  地形效果显示

表1  建模性能对比

4  结  语

本文对真实感实时绘制关键技术中的LOD模型进行了具体研究。首先，采用三角形网格简化模型对地形生成算法进行了处理，提高了渲染速度。然后，采用基于三维透视投影的可视化策略对LOD选择机制进行了设计，增强了场景的真实感。最终使用Visual C++开发语言和OpenGL开发工具对设计的LOD模型进行了实现。模拟结果显示，本文提出的方法绘制效率较好，并能够较好地保留模型主要特征，具有一定的参考价值。

参考文献

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