近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)以及相關(guān)硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，視景仿真及建模技術(shù)已經(jīng)在軍事模擬訓(xùn)練、工程建筑、影視娛樂(lè)、醫(yī)療和教育培訓(xùn)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。虛擬環(huán)境中仿真對(duì)象及其場(chǎng)景建模是整個(gè)視景仿真系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)。參與仿真系統(tǒng)的模型不僅需要能夠逼真地再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景和對(duì)象，而且必須滿足實(shí)時(shí)渲染與交互性的要求，這樣才能使參與者在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生沉浸感。因此，針對(duì)虛擬環(huán)境建模技術(shù)的研究對(duì)于視景仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。
　　在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，常用的建模技術(shù)主要包括幾何建模" title="幾何建模">幾何建模、物理建模、行為建模、模型分割以及音頻建模等。其中，幾何建模是虛擬環(huán)境建模的基礎(chǔ)，行為建模、物理建模等則體現(xiàn)了虛擬環(huán)境中模型的特征。幾何建模處理物體的幾何和形狀的表示，研究圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法等問(wèn)題。行為建模、物理建模主要處理物體的運(yùn)動(dòng)和行為等內(nèi)在屬性的描述。只有將現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)象的幾何外形和行為規(guī)則與其物理屬性有機(jī)結(jié)合，才能構(gòu)造出符合仿真應(yīng)用要求的三維對(duì)象模型。同時(shí)，所構(gòu)建的模型還需滿足虛擬建模技術(shù)的常用指標(biāo)———交互顯示能力、交互式操縱能力、易于構(gòu)造能力的要求。
　　本文根據(jù)視景仿真對(duì)建模的要求和特點(diǎn)，論述了如何利用專業(yè)實(shí)時(shí)三維建模軟件MultiGen Creator構(gòu)建大規(guī)模地形和對(duì)象模型，以及使用MultiGen Creator提供的OpenFlight API進(jìn)行輔助建模的方法。
1 MultiGen Creator簡(jiǎn)介
　　MultiGen Creator是美國(guó)MULTIGEN-PARADIGM公司推出的專業(yè)實(shí)時(shí)仿真三維建模軟件，它較好地解決了實(shí)時(shí)運(yùn)行中真實(shí)感與實(shí)時(shí)渲染的關(guān)系，是惟一將多邊形建模、矢量建模和地形生成集成在一個(gè)軟件包中的手動(dòng)建模工具。由于其具備強(qiáng)大便捷的矢量編輯、交互式建模與裝配以及地形地貌生成功能，所以已成為視景仿真領(lǐng)域應(yīng)用最廣的建模工具。
　　MultiGen Creator軟件主要由基本建模環(huán)境模塊、地形建模" title="地形建模">地形建模模塊和特殊用途模塊組成。其中基本建模環(huán)境模塊給建模人員提供一個(gè)交互的、可視化建模環(huán)境，用戶可以便捷地進(jìn)行仿真對(duì)象建模。地形建模模塊提供了強(qiáng)大的批處理三維地形、地貌生成工具。特殊用途模塊主要包括公路、儀表構(gòu)建模塊等。
2 基于MultiGen Creator的三維地形建模
　　三維地形建模是指將一定范圍內(nèi)適當(dāng)比例尺的真實(shí)地形高程數(shù)據(jù)、地貌特征數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的地形轉(zhuǎn)換算法" title="轉(zhuǎn)換算法">轉(zhuǎn)換算法，結(jié)合包含真實(shí)地形表面細(xì)節(jié)的紋理，生成具有一定組織序列、能夠近似表示部分地球表面狀況的多邊形集合。地形建模的整體流程如圖1所示。

2.1 三維地形建模過(guò)程
2.1.1 規(guī)劃地形數(shù)據(jù)庫(kù)
　　根據(jù)仿真目的和對(duì)場(chǎng)景的要求，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)時(shí)系統(tǒng)" title="實(shí)時(shí)系統(tǒng)">實(shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件和軟件平臺(tái)性能，在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提下，對(duì)應(yīng)用于仿真系統(tǒng)的整個(gè)模型數(shù)據(jù)庫(kù)的多邊形預(yù)估。最簡(jiǎn)單的多邊形估算方法是：實(shí)時(shí)系統(tǒng)硬件每秒鐘處理多邊形數(shù)量除以幀頻。對(duì)于所創(chuàng)建的地形模型而言，通用的規(guī)則是將多邊形預(yù)算的1／3用于地形模型，1／3用于地物模型(如房屋、樹(shù)木等)，其余1／3用于場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)物體模型。
2.1.2 地形數(shù)據(jù)的預(yù)處理
　　目前常用的地形高程數(shù)據(jù)有美國(guó)地質(zhì)測(cè)量局(USGS)的DEM數(shù)據(jù)、美國(guó)圖像地圖局(NIMA)的DTED數(shù)據(jù)和一些其他來(lái)源的數(shù)據(jù)。這些格式的地形數(shù)據(jù)不能直接在MultiGen Creator軟件中使用，必須進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成Creator的DED專用數(shù)據(jù)格式。為此MultiGen Creator提供了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換工具，如readusgs、image2ded、float2ded、image2ded以及catdma等。
2.1.3 創(chuàng)建地形參數(shù)設(shè)置
　　(1)導(dǎo)入DED格式地形高程數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的高程比例尺上設(shè)置顏色、紋理和材質(zhì)。這些屬性將應(yīng)用于生成的地形模型。
　　(2)選擇要?jiǎng)?chuàng)建地形的目標(biāo)區(qū)域，建模人員可以通過(guò)鼠標(biāo)或指定經(jīng)緯度的方式進(jìn)行確認(rèn)。同時(shí)，根據(jù)仿真的應(yīng)用類型，確定生成地形的LOD細(xì)節(jié)層次數(shù)目。
　　(3)設(shè)置地圖投影類型。MultiGen Creator提供了五種地圖投影類型：Flat Earth、UTM、Geocentric、Lambert Conic Conformal以及Trapezoidal。用戶可以根據(jù)仿真要求和即將創(chuàng)建地形的真實(shí)地球區(qū)域，選擇最適合的投影方式以減少投影誤差。
2.1.4 地形轉(zhuǎn)換算法選擇
　　對(duì)地形模型有不同需要的仿真類型，選擇不同的轉(zhuǎn)換算法和參數(shù)，生成地形的多邊形數(shù)量和場(chǎng)景外觀也會(huì)有很大差異，進(jìn)而最終影響仿真系統(tǒng)的性能和顯示效果。因此必須根據(jù)具體情況選擇最適合的地形轉(zhuǎn)換算法。MultiGen Creator提供了Polymesh、Delaunay、TCT以及CAT四種三角形化算法將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地形模型。
　　(1)Polymesh算法
　　Polymesh轉(zhuǎn)換算法根據(jù)設(shè)定的高程信息采樣率在原始DED文件中進(jìn)行有規(guī)律采樣，以獲得地形多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而創(chuàng)建矩形網(wǎng)格面的地形模型。一個(gè)地形模型的組節(jié)點(diǎn)是由X方向乘以Y方向的2×2個(gè)地形組節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每四個(gè)低級(jí)的LOD地形組節(jié)點(diǎn)構(gòu)成更高級(jí)的地形組節(jié)點(diǎn)，不同的LOD模型組節(jié)點(diǎn)包含的地形節(jié)點(diǎn)數(shù)量保持不變。生成地形的頂點(diǎn)高度根據(jù)Z Scale參數(shù)對(duì)原始的采樣高程數(shù)據(jù)縮放得到。Polymesh算法提供了四種地形三角形化的方法。Best Fit根據(jù)三個(gè)相鄰頂點(diǎn)高程相同則生成一個(gè)三角形的規(guī)則創(chuàng)建地形，生成的地形模型用于地形與海岸線連接的平坦區(qū)域。BottomRight/UpperLeft根據(jù)SGI Performer中三角形化規(guī)則生成地形三角形模型。BottomLeft/UpperRight則按照普通圖形硬件的三角形化規(guī)則生成地形三角形模型。QuadsinFlatArea通過(guò)四個(gè)高程相同頂點(diǎn)形成一個(gè)四邊形來(lái)代替兩個(gè)三角形的規(guī)則創(chuàng)建地形。用戶可以根據(jù)High LOD Polygon Count參數(shù)提示，調(diào)整高程采樣率，以控制最高級(jí)LOD模型多邊形數(shù)量，從而滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)多邊形預(yù)算的要求。
　　(2)Delaunay算法
　　Delaunay轉(zhuǎn)換算法是基于Delaunay三角網(wǎng)的地形生成算法。與Polymesh算法不同，它對(duì)原始數(shù)據(jù)中的每個(gè)高程點(diǎn)都進(jìn)行處理，從最低分辨率的LOD開(kāi)始生成地形。較低LOD地形模型的頂點(diǎn)被結(jié)合到更高級(jí)的LOD中，以保持每一個(gè)LOD的頂點(diǎn)與更高級(jí)分辨率LOD的頂點(diǎn)相符，使不同LOD地形模型之間平滑過(guò)渡。通常情況下，生成同樣精度的地形模型，Delaunay算法比Polymesh算法使用多邊形的數(shù)量少。
　　如果需要對(duì)山脊和山谷檢測(cè)，則構(gòu)成山脊和山谷的高程點(diǎn)將被加入到三角化處理中。如要保護(hù)海岸線，Creator將生成的地形多邊形與海岸線進(jìn)行相交測(cè)試，并將沿海的高程點(diǎn)加入三角化計(jì)算中。這一過(guò)程重復(fù)執(zhí)行，直到數(shù)據(jù)中未使用的高程點(diǎn)與相鄰高程點(diǎn)的平均高程的差值小于Terrain Accuracy Tolerance的公差,或者地形多邊形數(shù)量達(dá)到最大面與組的限制。
　　(3)CAT算法
　　CAT轉(zhuǎn)換算法對(duì)Delaunay算法進(jìn)行了改進(jìn)。它改變了地形的分塊模式，采用相鄰LOD間的三維變形(Morphing)技術(shù)來(lái)平滑過(guò)渡層次間的切換，可消除瓷片邊界現(xiàn)象。但是只有SGI Performer2.0以上版本才支持此算法。與其他算法不同，CAT算法創(chuàng)建的LOD模型不使用分塊地形，LOD間的切換是在面到面級(jí)別的替換，它隨著視點(diǎn)在地形數(shù)據(jù)庫(kù)上的靠近，動(dòng)態(tài)使用較高級(jí)LOD的多邊形代替低級(jí)的LOD中相應(yīng)的多邊形，從而保證地形LOD轉(zhuǎn)換的平滑過(guò)渡效果，而不會(huì)出現(xiàn)“突躍”現(xiàn)象。
　　(4)TCT算法
　　TCT轉(zhuǎn)換算法實(shí)際是一種限制性的Delaunay算法。使用TCT算法創(chuàng)建的地形模型只有一個(gè)LOD，因此只能用于批處理地形轉(zhuǎn)換。與其他算法不同，它可以將地貌矢量特征數(shù)據(jù)DFD與地形高程數(shù)據(jù)一起處理，生成包含地貌特征(如道路、河流以及湖泊等)的完整地形模型。地貌特征不是簡(jiǎn)單地投影到地形表面，而是成為地表上的一部分。用戶可以選擇隨地形一起生成的地貌特征種類。與其他算法相比，TCT算法所生成地形模型的多邊形數(shù)量將顯著增加。
2.1.5 地形模型的生成與測(cè)試發(fā)布
　　設(shè)置完成創(chuàng)建地形所需的參數(shù)和規(guī)則后，生成地形模型的工作就由MultiGen Creator自動(dòng)完成了。生成地形數(shù)據(jù)庫(kù)后，應(yīng)首先在MultiGen Creator中瀏覽，仔細(xì)檢查可能出現(xiàn)的如細(xì)長(zhǎng)三角形(Edge Slivers)、切換LOD時(shí)出現(xiàn)的垂直邊界(Wall/Gaps)等異?，F(xiàn)象。對(duì)于檢查通過(guò)的地形模型還應(yīng)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中加載測(cè)試，查看系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)幀頻是否滿足要求、切換LOD時(shí)是否平滑過(guò)渡以及地形紋理和地貌特征數(shù)據(jù)是否符合要求等。如果出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)該調(diào)整參數(shù)，重新生成地形數(shù)據(jù)庫(kù)，直至滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。
　　對(duì)于沒(méi)有大瑕疵的地形模型，最后仍需對(duì)部分地形紋理以及地貌模型進(jìn)行修正調(diào)整，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，才能投入使用。圖2為一塊映射地形紋理和地貌數(shù)據(jù)(公路)的地形模型。

2.2 地形紋理的應(yīng)用
　　地形紋理貼圖是增強(qiáng)三維地形模型真實(shí)感的一個(gè)重要途徑。對(duì)于細(xì)節(jié)層次較低的模型，甚至可以直接使用紋理代替地形多邊形，從而提高地形模型的多邊形使用效率。
　　滿足MultiGen Creator要求的地形紋理可由衛(wèi)星、航拍及其他來(lái)源的影像資料經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理得到。建模人員可以在地形高程比例尺指定不同高程顏色的同時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的紋理設(shè)置，包含真實(shí)地理坐標(biāo)信息的地形紋理可以采用同樣方式進(jìn)行映射。另一種方式是使用間接紋理映射，即將地形多邊形的顏色、紋理以及材質(zhì)等屬性對(duì)應(yīng)到一個(gè)特殊圖像文件上，再將圖像文件映射到地形模型。圖像像素顏色與地形多邊形屬性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系保存在后綴為.indrect的文件中。在地形轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)?shù)匦味噙呅蔚捻旤c(diǎn)與相應(yīng)的間接紋理控制文件信息匹配時(shí)，對(duì)應(yīng)的多邊形屬性會(huì)被自動(dòng)應(yīng)用到相應(yīng)的地形多邊形上。
　　同時(shí)，MultiGen Creator提供了多分辨率紋理(mipmap)和索引分塊(clip texture)技術(shù)，用來(lái)解決因大量應(yīng)用紋理而消耗內(nèi)存、影響系統(tǒng)性能的問(wèn)題。多分辨率紋理是指將對(duì)應(yīng)相同地區(qū)的地形紋理分成一組不同分辨率的紋理組。在實(shí)時(shí)運(yùn)行中，隨著視點(diǎn)變化，選用相應(yīng)分辨率的紋理，減少內(nèi)存使用。紋理分塊技術(shù)指將較大的地形紋理進(jìn)行分塊索引，在應(yīng)用中根據(jù)需要將分塊紋理根據(jù)一定算法調(diào)入調(diào)出內(nèi)存，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)紋理的分塊調(diào)度來(lái)提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
2.3 地貌特征的應(yīng)用
　　地貌特征主要指存在于真實(shí)地形之上的河流、湖泊、森林等自然景觀以及公路、橋梁、建筑等人文景觀。在地形數(shù)據(jù)庫(kù)中添加這些地貌特征，對(duì)于增強(qiáng)地形模型的真實(shí)性具有重要意義。
　　目前常見(jiàn)的原始地貌特征數(shù)據(jù)格式有DFAD、DLG和其他矢量數(shù)據(jù)。用戶可以使用MultiGen Creator提供的工具，根據(jù)需要方便地將所需特征轉(zhuǎn)換為MultiGen的DFD格式，在地形建模過(guò)程中使用。DFD數(shù)據(jù)格式使用特征類型碼(FID)對(duì)地形特征進(jìn)行分類，每個(gè)特征類型碼對(duì)應(yīng)一組定義特征表面材質(zhì)屬性的代碼(SMC)。兩者結(jié)合決定特征數(shù)據(jù)映射到地形模型上時(shí)的紋理、材質(zhì)以及顏色等屬性。
　　將地貌特征數(shù)據(jù)映射到地形模型上的方法主要分為預(yù)先映射和事后映射。預(yù)先映射主要指在地形模型生成之前設(shè)置需要映射的地貌特征。地形的多邊形將圍繞地貌特征生成，例如將河流選擇為預(yù)先映射方式處理，則河流會(huì)成為地形多邊形的組成部分。這對(duì)于地面仿真應(yīng)用具有更加真實(shí)的視覺(jué)效果，但是會(huì)大量增加地形多邊形的數(shù)量。事后映射方式指在地形模型生成之后，再投影所需地貌數(shù)據(jù)。
3 基于MultiGen Creator的三維對(duì)象建模
　　在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、三維動(dòng)畫(huà)和其他領(lǐng)域，通常使用大量的曲線曲面以及復(fù)雜的紋理構(gòu)建三維模型。但從視景仿真領(lǐng)域的觀點(diǎn)看來(lái)，這種基于工程設(shè)計(jì)或動(dòng)畫(huà)的建模思路，由于沒(méi)有考慮渲染效率，根本不能滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。使用3DMAX、MAYA等建模工具創(chuàng)建的三維模型，必須進(jìn)行精簡(jiǎn)優(yōu)化，才能在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中使用。雖然建模人員可以使用MultiGen Creator提供的Vsimplify工具對(duì)引入模型簡(jiǎn)化，但仍然需要大量繁瑣的手工工作，例如構(gòu)建適當(dāng)?shù)腖OD、面缺失等問(wèn)題。因此，多數(shù)情況下更多使用MultiGen Creator重新建模。
　　與MultiGen Creator所提供的三維地形建模中強(qiáng)大的批處理功能相比，在三維實(shí)體建模方面MultiGen Creator略顯簡(jiǎn)單，看起來(lái)不如3DMAX等建模軟件便捷。但建模目的不同，建模思路也不盡相同。MultiGen Creator主要針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)高效的層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、LOD技術(shù)以及紋理技術(shù)等方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化，在協(xié)調(diào)處理模型真實(shí)感與實(shí)時(shí)渲染之間具有其他建模軟件無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。
　　使用MultiGen Creator進(jìn)行對(duì)象建模，應(yīng)在首先滿足實(shí)時(shí)渲染的基礎(chǔ)上，盡可能地提高模型的逼真度。建模人員綜合運(yùn)用好MultiGen Creator提供的建模功能，同樣可以構(gòu)建具有高度真實(shí)感的實(shí)體模型。
　　(1)邏輯化層次結(jié)構(gòu)。MultiGen Creator采用的openflight格式是一種高效的邏輯化層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，建模人員必須針對(duì)對(duì)象模型的特點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，合理細(xì)分層次節(jié)點(diǎn)。這種做法不僅有助于模型的編輯、LOD設(shè)置、外部引用以及數(shù)據(jù)庫(kù)的重組和優(yōu)化，同時(shí)也為提高實(shí)時(shí)系統(tǒng)效率構(gòu)建了良好的基礎(chǔ)。
　　(2)LOD技術(shù)。LOD是一組代表同一物體不同分辨率的模型組。實(shí)時(shí)系統(tǒng)在處理模型時(shí)，會(huì)根據(jù)設(shè)定的LOD距離切換不同細(xì)節(jié)層次的模型，從而有效地提高系統(tǒng)多邊形利用效率。因此，在建模過(guò)程中合理地設(shè)置LOD層次顯得尤為重要。通常的做法是首先構(gòu)建細(xì)節(jié)層次最高的模型，然后通過(guò)自動(dòng)(Vsimplify工具)和手工(如構(gòu)建包圍盒)結(jié)合的方式，自高而低地構(gòu)造不同細(xì)節(jié)層次模型。
　　(3)紋理映射技術(shù)。使用紋理貼圖代替物體建模過(guò)程中可模擬或難以模擬的細(xì)節(jié)，可以有效地提高模型的逼真度和渲染速度。例如使用透明紋理模擬門窗和欄桿，可以有效地降低模型的復(fù)雜度。而利用各向同性構(gòu)建樹(shù)木、標(biāo)牌等的BillBoard技術(shù)，創(chuàng)建的模型僅是單個(gè)平面。紋理圖片的來(lái)源大多是拍攝實(shí)物對(duì)象的三維正投影照片，經(jīng)修正處理得到。需要注意的是，紋理大小應(yīng)是2的冪次，否則在Vega驅(qū)動(dòng)時(shí)無(wú)法正常顯示。
　　在MultiGen Creator環(huán)境下也可以進(jìn)行構(gòu)建和連接物體的運(yùn)動(dòng)建模。Creator提供了DOF技術(shù)，DOF節(jié)點(diǎn)可以控制其子節(jié)點(diǎn)按照設(shè)置的自由度范圍進(jìn)行移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，使物體表現(xiàn)出合乎邏輯的運(yùn)動(dòng)方式。聲音節(jié)點(diǎn)也可以在物體建模的過(guò)程中加入，從而豐富視聽(tīng)內(nèi)容，增強(qiáng)視景仿真的綜合效果。
4 OpenFlight API輔助建模
　　OpenFlightAPI是MultiGen Creator提供的用于操作Creator和OpenFlight(flt)格式文件的編程接口，它由一系列C語(yǔ)言的頭文件和相應(yīng)函數(shù)庫(kù)組成。OpenFlight API提供讀、寫(xiě)和建立flt格式文件的功能，用戶也可以利用它自定義數(shù)據(jù)格式及創(chuàng)建插件。在輔助建模方面，使用OpenFlight API可以幫助建模人員以編程的形式方便、準(zhǔn)確地完成手工難以完成的建模任務(wù)，例如規(guī)定弧度的彎曲物體等一些真實(shí)尺寸要求較高情況。使用編程方式讀取數(shù)據(jù)創(chuàng)建控制線、放樣面，再結(jié)合手工處理，可以極大地加速建模過(guò)程。甚至對(duì)于地形模型，也可以使用OpenFlight API進(jìn)行編程處理。