動(dòng)態(tài)三維樹實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-

1、2004 2009,30 (8 0引言虛擬自然場(chǎng)景的實(shí)時(shí)生成一直是圖形學(xué)領(lǐng)域中的難題1,作為自然界的重要組成部分,虛擬樹木的研究也得到了廣泛的重視。目前樹木仿真的研究工作主要集中在靜態(tài)生長(zhǎng)模型和繪制方面,而對(duì)于動(dòng)態(tài)三維樹木的實(shí)時(shí)仿真,某些單位曾做過(guò)一些嘗試,但是由于各種條件的限制,這些模擬僅僅是在相對(duì)簡(jiǎn)單的視景數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行理論、方法上的模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)際效果及實(shí)時(shí)性尚不能令人滿意,文章提出了一種基于三維圖形引擎與SpeedTree 動(dòng)態(tài)樹木仿真類庫(kù)相耦合的解決方案,較好的把三維動(dòng)態(tài)樹木模型加載到飛行仿真視景系統(tǒng)中去,很大程度提高了虛擬自然環(huán)境的真實(shí)感和沉浸感2,對(duì)于飛行員一直反應(yīng)的懸停高度判斷困難

2、的問(wèn)題得到了較好的解決。1虛擬樹木建模方法樹木無(wú)疑是自然場(chǎng)景的重要構(gòu)成因素,樹木種類繁多,形態(tài)各異,結(jié)構(gòu)復(fù)雜使其無(wú)論在造型、存儲(chǔ)還是在繪制上都存在相當(dāng)?shù)睦щy3。因此,任何一個(gè)植物生成模型,總是有其優(yōu)越性和局限性,我們可以根據(jù)某些特定研究?jī)?nèi)容,選擇不同的模型。1.1分形方法分形方法是根據(jù)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu),利用了描述具有自相似性的數(shù)學(xué)功能來(lái)表現(xiàn)植物生長(zhǎng)的拓?fù)浼靶螒B(tài)結(jié)構(gòu)4。實(shí)現(xiàn)分形幾何建模的方法主要包括L 系統(tǒng)5、迭代函數(shù)系統(tǒng)(iterated function system ,IFS 方法、A 系統(tǒng)方法等?；诜中渭夹g(shù)建立的植物模型具有細(xì)節(jié)程度高、模型逼真等優(yōu)點(diǎn),生成的三角形面一般有幾千到幾十萬(wàn)之間

3、,一般來(lái)說(shuō),模型的細(xì)節(jié)程度是影響其逼真性的重要因素之一。但是分形方法過(guò)分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié),不僅使得工作量驟然增大,而且可能導(dǎo)致整個(gè)漫游系統(tǒng)的運(yùn)行速度下降,性能降低,因此此方法并不實(shí)用于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中。1.2粒子系統(tǒng)方法粒子系統(tǒng)方法是Reeves 在1983年提出的用以模擬一類模糊動(dòng)態(tài)物體基本思想是把模糊物體看作是眾多粒子組成的收稿日期:2008-05-13;修訂日期:2008-09-04。仿真技術(shù)熊壯,王潤(rùn)杰,陳蕾,等:動(dòng)態(tài)三維樹實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2009,30(82005粒子團(tuán),各粒子均有自己的屬性,如顏色、形狀、大小、生存期、速度等,粒子隨時(shí)間移動(dòng)并變化形態(tài),粒子的位置、屬性和動(dòng)態(tài)性通過(guò)隨機(jī)過(guò)程來(lái)

4、模擬實(shí)現(xiàn)“粒子系統(tǒng)”。與其它模擬方法不同,這種方法能夠充分體現(xiàn)不規(guī)則模糊物體的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性,擅長(zhǎng)描述隨時(shí)間變化的物體對(duì)象。粒子系統(tǒng)的缺點(diǎn)是不適合表現(xiàn)個(gè)體植物的形態(tài)結(jié)構(gòu),所繪制的樹木看起來(lái)有比較明顯的人造痕跡。1.3基于圖像的多邊形幾何造型方法粒子系統(tǒng)方法是Reeves在1983年提出的用以模擬一類模糊動(dòng)態(tài)物體基本思想是把模糊物體看作是眾多粒子組成的粒子團(tuán),各粒子均有自己的屬性,如顏色、形狀、大小、生存期、速度等,粒子隨時(shí)間移動(dòng)并變化形態(tài),粒子的位置、屬性和動(dòng)態(tài)性通過(guò)隨機(jī)過(guò)程來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)“粒子系統(tǒng)”。與其它模擬方法不同,這種方法能夠充分體現(xiàn)不規(guī)則模糊物體的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性,擅長(zhǎng)描述隨時(shí)間變化的物體

5、對(duì)象。粒子系統(tǒng)的缺點(diǎn)是不適合表現(xiàn)個(gè)體植物的形態(tài)結(jié)構(gòu),所繪制的樹木看起來(lái)有比較明顯的人造痕跡。布告板技術(shù)原理是利用一個(gè)矩形面貼上紋理來(lái)實(shí)現(xiàn)二維圖形的三維模擬,當(dāng)檢測(cè)到觀察者相機(jī)發(fā)生移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí),同時(shí)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)矩形的4個(gè)頂點(diǎn),使矩形面的法向量始終面對(duì)著觀察者相機(jī),這樣位于矩形面里的紋理圖形看似三維的。這種技術(shù)對(duì)于虛擬場(chǎng)景中樹木、路燈等外觀、紋理基本一致且數(shù)量眾多的物體造型較為適用,可以降低因多邊形數(shù)量引起的系統(tǒng)繪制開銷、進(jìn)而提高程序的渲染速度。缺點(diǎn)是一旦觀察者距離目標(biāo)很近或者在物體上方時(shí)很容易發(fā)現(xiàn)單一面結(jié)構(gòu),從而使場(chǎng)景的真實(shí)感下降。交叉面法也是實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中植物、路燈等建模較常使用的一種技術(shù),先通

6、過(guò)拍照獲得物體的紋理圖片,然后將紋理貼在兩個(gè)90垂直交叉的兩個(gè)矩形面上來(lái)完成造型,并可以根據(jù)樹木距視點(diǎn)遠(yuǎn)近的不同,采用不同分辨率的紋理圖片以達(dá)到節(jié)省資源的目的。在漫游時(shí),觀察者視點(diǎn)始終可以觀察到兩個(gè)相交的紋理面,觀察模型的立體感較前一種方法有所增強(qiáng)?；趫D像的多邊形幾何造型方法,利用紋理映射技術(shù)先通過(guò)拍照獲得樹木的紋理圖片,然后將樹木紋理貼在一個(gè)或一組簡(jiǎn)單的與地面垂直的多邊形上以達(dá)到節(jié)省資源的目的6。這種方法能夠有效建立大規(guī)模的植物場(chǎng)景,而且對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性影響不大,但缺點(diǎn)是真實(shí)感較差,這種技術(shù)目前多用在對(duì)運(yùn)行速度敏感且對(duì)視景細(xì)節(jié)程度要求不高的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中。2基于SpeedTree動(dòng)態(tài)三維樹木

7、的建模國(guó)外對(duì)動(dòng)態(tài)樹的研究比較成熟,近年來(lái)有許多模擬動(dòng)態(tài)樹的優(yōu)秀軟件問(wèn)世。Digimation公司開發(fā)的SpeedTree7就是其中一個(gè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)樹技術(shù)的優(yōu)秀軟件,它的最大的特點(diǎn)就是可以在使用極少多邊形的情況下創(chuàng)造出高度逼真的樹木和植物,如果在SpeedTree中加入風(fēng)場(chǎng),樹葉會(huì)隨風(fēng)飄動(dòng)。2.1模型建立SpeedTree中樹木的建模采用的是幾何與圖像混合繪制技術(shù),它把一棵樹分3部分繪制:樹干、小樹枝、樹葉。樹干的繪制采用貝塞爾曲線來(lái)描述,貝塞爾曲線的描述方式給實(shí)時(shí)高效率的LOD計(jì)算提供了可行性;為了節(jié)省三角形使用兩個(gè)十字交叉的面模擬小樹枝;使用布告版技術(shù)方式繪制樹葉。這種方式的劃分是出于以下的考慮

8、:各部分的渲染狀態(tài)、動(dòng)畫的狀態(tài)、LOD效果均分別考慮,以提高渲染的實(shí)時(shí)性。樹模型建立如圖1所示。2.2動(dòng)態(tài)渲染樹的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)渲染主要包括兩個(gè)方面因素:樹在風(fēng)場(chǎng)作用下如何擺動(dòng);LOD效果。樹模型的各部分在風(fēng)場(chǎng)的作用下狀態(tài)是不一樣的。帶紋理的布告版來(lái)回平移以及它本身繞視坐標(biāo)系統(tǒng)Z軸旋轉(zhuǎn)模擬了樹葉的擺動(dòng),樹枝的擺動(dòng)由樹枝模型進(jìn)行矩陣運(yùn)算得到,該矩陣是由風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生的矩陣。為支持大規(guī)模的場(chǎng)景,LOD分為3方面:頂點(diǎn)的LOD、紋理LOD、動(dòng)畫的LOD。頂點(diǎn)LOD首先是針對(duì)樹干,因?yàn)闃涓赡Ｐ褪且恢贝嬖诘?同時(shí)還針對(duì)樹枝,視線漸遠(yuǎn)后,小樹枝就不渲染了,達(dá)到一定的距離的時(shí)候,整棵樹就簡(jiǎn)化成一個(gè)布告版,如圖2所示

9、。紋理的LOD對(duì)于樹干最高精度的時(shí)候會(huì)有三級(jí)紋理:基本紋理、光照貼圖、法線貼圖。隨著LOD的進(jìn)行,依次減去法線貼圖,光照貼圖,基本紋理,最后只保留一種顏色渲染。樹模型動(dòng)畫有3種:大樹枝的動(dòng)畫、小樹枝的動(dòng)畫、樹葉的動(dòng)畫,隨著LOD的進(jìn)行,依次去掉大樹桿的動(dòng)畫、小樹桿的動(dòng)畫,最后是樹葉的動(dòng)畫,這種方式的處理比較符合視覺(jué)效果。2.3光照處理FL4中樹木的光照分為3部分進(jìn)行處理:對(duì)于主干部分使用的是每像素光照技術(shù),支干部分由于是兩個(gè)空心網(wǎng)格,因此計(jì)算光照時(shí)使用面法線,這樣一個(gè)網(wǎng)格總是一個(gè)面為亮面另一個(gè)為暗面。由于樹葉是布告版模型,因此不能使用用法線,而是根據(jù)樹葉的位置來(lái)確定光照值,最簡(jiǎn)單的一種是通過(guò)光

10、線的方向獲得一個(gè)和其垂直的通過(guò)樹木中心點(diǎn)的水平軸線,將樹葉分成兩部分,一部分渲染為帶光照,一部分渲染為不帶光照。20062009,30(8計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)Computer Engineering and Design2.4風(fēng)場(chǎng)作用下枝杈、樹葉的運(yùn)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的采取了整體均衡(PID控制器和隨機(jī)數(shù)組合方案,SpeedWind函數(shù)控制多種隨機(jī)數(shù)和控制器的回調(diào)。使用這種控制器策略,可以對(duì)風(fēng)強(qiáng)和方向的改變做出快速反應(yīng)及自然的過(guò)度。樹枝的運(yùn)動(dòng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算后操作。當(dāng)計(jì)算一棵樹的風(fēng)影響時(shí),這棵樹的每個(gè)枝杈被分配一個(gè)惟一的索引,在指定風(fēng)等級(jí)的枝杈頂端,根據(jù)事先設(shè)定的彈性參數(shù)分配相應(yīng)的壓重,然后根據(jù)SpeedWi

11、nd創(chuàng)建的一組旋轉(zhuǎn)矩陣,使樹枝產(chǎn)生像自然界一樣彎曲、振動(dòng)的效果。在風(fēng)的作用下,葉布告板二個(gè)軸運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬葉的轉(zhuǎn)動(dòng)。單個(gè)樹葉旋轉(zhuǎn)的方向軸垂直于屏幕在視覺(jué)中產(chǎn)生搖動(dòng)的效果,而某一枝杈上整片樹葉的運(yùn)動(dòng)與SpeedWind控制枝杈運(yùn)動(dòng)保持一致。這樣通過(guò)SpeedWind計(jì)算的旋轉(zhuǎn)矩陣與樹葉搖動(dòng)兩種方程的共同作用,就可以完美的模擬出非常真實(shí)的風(fēng)吹樹木的動(dòng)態(tài)效果。2.5優(yōu)化技術(shù)為了應(yīng)付系統(tǒng)每一幀渲染大量的樹木而引起的巨量計(jì)算和繪制開銷,SpeedTree主要使用以下幾個(gè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化渲染。(1對(duì)超過(guò)一定距離的樹木使用billboard渲染,這種技術(shù)也被稱為替換體(impostoring技術(shù),在SpeedTre

12、e中預(yù)先做好樹木的貼圖,但是使用的時(shí)候添加了過(guò)度的細(xì)節(jié),最遠(yuǎn)的時(shí)候是一張貼圖,隨著距離的拉近在貼圖的位置開始出現(xiàn)主干的mesh,接著是支干,接下來(lái)逐漸出現(xiàn)樹葉,這時(shí)候樹葉的bill-board會(huì)比較大,隨著距離接近開始變小,隨著樹葉增加bill-board貼圖開始消失。SpeedTree使用了bumped billboard技術(shù),給billboard貼圖附加了一個(gè)法向貼圖,這樣在billboard隨著視角發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)表面的光照也會(huì)出現(xiàn)變化,不但可以增強(qiáng)仿真系統(tǒng)的真實(shí)性,而且?guī)?lái)的額外計(jì)算很少。(2限制場(chǎng)景中樹木的種類,這樣做的好處顯而易見,可以避免過(guò)多的轉(zhuǎn)換渲染的狀態(tài),如果同一樹種的方位和大小相

13、同,那么相應(yīng)的光照和陰影都是一樣的,在陽(yáng)光位置不變的情況下只需要計(jì)算一次。3與3D引擎銜接動(dòng)態(tài)樹加載到三維場(chǎng)景中需要考慮兩個(gè)問(wèn)題:如何把動(dòng)態(tài)樹加載到三維場(chǎng)景中;動(dòng)態(tài)樹在場(chǎng)景中渲染問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)完美地跟自己的引擎相結(jié)合,并不是一件容易的事情。主要是因?yàn)?D引擎本來(lái)就有一套完整的渲染系統(tǒng),其中的光照、LOD、動(dòng)畫等系統(tǒng)與SpeedTree的方式也不一樣。一個(gè)極端的做法就是,屏蔽SpeedTree的實(shí)時(shí)計(jì)算,根據(jù)自己引擎的系統(tǒng)計(jì)算,這樣的話,其實(shí)是只利用了SpeedTree的數(shù)據(jù)結(jié)果,并不能發(fā)揮其本身的優(yōu)勢(shì),而且繪制效率也大大降低。另外辦法就是,忽略SpeedTree和三維視景引擎的關(guān)系,只保留相關(guān)耦

14、合,各自使用各自的系統(tǒng),只是讓他們的渲染行為(LOD,光照效果等保持一致性,這種方案的點(diǎn)是顯而易見的,因?yàn)橐坏┰O(shè)計(jì)成功,只需改變一下接口函數(shù),SpeedTree就可以等同于插件一樣和大多數(shù)三維圖形引擎做快速銜接,只要是二者的渲染引擎沒(méi)有兼容性的問(wèn)題就可以。本文采取的就是后一種方案設(shè)計(jì),程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。OpenGVS8是Quantum3D公司開發(fā)的一種實(shí)時(shí)視景仿真程序的高層API。OpenGVS基于OpenGL提供更高層的數(shù)據(jù)管理功能通過(guò)這些場(chǎng)景管理API能實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景、物體、視點(diǎn)等資源的控制。文章采用OpenGVS圖形引擎與SpeedTree做銜接,在OpenGVS的回調(diào)函數(shù)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維

15、樹的功能仿真。3.1坐標(biāo)系調(diào)整OpenGVS和SpeedTree的坐標(biāo)系不同,二者相差90,因此需要通過(guò)OpenGVS API的幾何矩陣函數(shù)調(diào)整SpeedTree的坐標(biāo)系。SpeedTree坐標(biāo)系的方向角信息是3x3的矩陣結(jié)構(gòu),通過(guò)OpenGVS函數(shù):G_mat_compose_R_3x3(const G_Rotation*rotation,G_Ma-trix3x3R把OpenGVS中相機(jī)方向角轉(zhuǎn)換位3x3的矩陣R。然后再把R轉(zhuǎn)換為SpeedTree坐標(biāo)系中設(shè)置相機(jī)所需要的矩陣,rota-tion為二坐標(biāo)系相差的角度。3.2設(shè)置SpeedTree相機(jī)LOD是SpeedTree樹木引擎中應(yīng)用的的

16、一個(gè)重要技術(shù), SpeedTree中LOD技術(shù)的完成需要實(shí)時(shí)獲得SpeedTree中相機(jī)的空間信息,用以給LOD提供閾值。SpeedTree中對(duì)相機(jī)的管理函數(shù)如下:CSpeedTreeRT:SetCamera(afCameraPosition,afCameraDi-rection;其中CSpeedTreeRT是SpeedTree C+API的基類,第1個(gè)參數(shù)afCameraPosition設(shè)置相機(jī)位置,第2個(gè)參數(shù)afCameraDi-rection設(shè)置相機(jī)方向。這兩個(gè)參數(shù)通過(guò)OpenGVS函數(shù)每幀獲得,然后傳遞給SpeedTree,用以保持二者的一致。3.3風(fēng)場(chǎng)函數(shù)SpeedTree技術(shù)中風(fēng)場(chǎng)

17、效果是實(shí)時(shí)的,因此需要把風(fēng)場(chǎng)函數(shù)的設(shè)置放在OpenGVS中的回調(diào)函數(shù)里。在實(shí)時(shí)回調(diào)函數(shù)首先設(shè)置時(shí)間單位,其次設(shè)計(jì)根據(jù)時(shí)間單位的設(shè)置進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)效果的渲染。/獲得系統(tǒng)的時(shí)間單位,其中k為調(diào)整系數(shù)float fTime=glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME/設(shè)置SpeedTree時(shí)間單位CSpeedTreeRT:SetTime(fTime;圖3程序設(shè)計(jì)流程設(shè)置動(dòng)態(tài)樹繪制場(chǎng)景加載“SPT”腳本文件定義SpeedTree模型為物體實(shí)例在OpenGVS中獲取視點(diǎn)空間位置及角度信息計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣修正SpeedTree坐標(biāo)系統(tǒng)一GVS與SpeedTree相機(jī)參數(shù)動(dòng)態(tài)更新風(fēng)場(chǎng)函數(shù),產(chǎn)生樹木搖曳效果熊壯

18、,王潤(rùn)杰,陳蕾,等:動(dòng)態(tài)三維樹實(shí)時(shí)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2009,30(82007/風(fēng)場(chǎng)渲染g_pForest-SetupWindMatrices(fTime;固定視點(diǎn)動(dòng)態(tài)樹的形態(tài)隨風(fēng)場(chǎng)變化如圖4所示。3.4仿真實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)系統(tǒng)在P3.0G主頻,GeForce FX8800512M圖形卡, 1G內(nèi)存的PC機(jī)上進(jìn)行仿真,實(shí)驗(yàn)地形紋理總量270M,其仿真結(jié)果如表1所示。SpeedTree技術(shù)在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的應(yīng)用如圖5所示。4結(jié)束語(yǔ)從表1中可以看出,樹木的數(shù)量對(duì)當(dāng)前成像計(jì)算機(jī)需要計(jì)算的三角形數(shù)量影響不是很大,但是對(duì)系統(tǒng)的幀率影響很大,隨樹木數(shù)量的增加系統(tǒng)的幀率下降。有風(fēng)場(chǎng)時(shí)當(dāng)前視口需要計(jì)算的三角形數(shù)量減少,同時(shí)系統(tǒng)的幀率上升。說(shuō)明加風(fēng)場(chǎng)時(shí),動(dòng)態(tài)樹擺動(dòng),LOD等替換技術(shù)的應(yīng)用使得顯示的三角形數(shù)量以及計(jì)算量都減少,因此系統(tǒng)幀率隨之上升。直升機(jī)飛行員的懸停訓(xùn)練,對(duì)面景物的清晰度要求很高,飛行員要不斷通過(guò)地面參造物的相對(duì)位置來(lái)保持飛機(jī)的位置和高度。以往的辦法是把飛機(jī)起降區(qū)域的數(shù)據(jù)庫(kù)紋理做得更細(xì),用以提供更加清晰的艙外景象。但是過(guò)度的增加數(shù)據(jù)庫(kù)某一區(qū)域的細(xì)節(jié)會(huì)造成系統(tǒng)某一時(shí)刻渲染工作量的驟增,產(chǎn)生“跳幀”的負(fù)面效果。動(dòng)態(tài)樹的引入更好的解決了這一難題,實(shí)驗(yàn)表明,動(dòng)態(tài)搖曳的樹木能夠給飛行人員提供更好的運(yùn)動(dòng)感覺(jué)提示和距離提示,景物的逼真度也