...多牌號生產調度模型與優化算法研究
張志騰
摘 要：虛擬現實運用計算機技術對客觀現實世界進行可視化仿真設計，構建虛擬環境場景是實現虛擬現實交互系統的基礎。虛擬現實環境中的建筑模型又是主要的組成部分，只有將各種建筑模型進行有效的優化設計與處理，虛擬現實系統的整體視覺呈現才能更加完美。本文重點針對虛擬場景環境中的中國古建筑三維模型進行模型優化方法與策略的研究。
關鍵詞：模型層級結構；LOD優化；結構優化；數量優化；紋理優化
0 引言
“虛擬現實（簡稱VR），是利用計算機圖形學技術，通過對復雜數據進行可視化操作與交互，從而完成對真實的客觀世界進行仿真再現的技術。”[1]目前，隨著計算機數字技術的快速發展，古建筑的保護、修復、結構研究、歷史及文化信息庫建設等多方面成為VR技術應用的熱點，這種技術所采用的交互體驗與物象極致仿真的感知方式，是文化傳承的有效傳播途徑。VR技術不僅可以對現存的古建筑遺產進行仿真再現，還可以重現已經不存在的建筑遺址面貌，而且用戶體驗到的是一種浸入式的、多重感官刺激的交互式經驗。整個VR系統順暢運行的基礎是建立在虛擬現實環境中的古建筑模型能否合理優化上的。本文研究如何運用3DS MAX建模平臺中的各種技術，完成古建筑模型優化方法的研究工作。
1 模型優化對于VR系統的重要性
由于VR系統的運行環境包括單機運行與網絡運行兩種，在VR場景模型的演示與操作過程中，流暢度是衡量該系統穩定性的一個重要指標。建筑模型的數據量大小對VR-DEMO的演示速度影響較大，整個VR系統的實時交互性能和效率就會降低，這是由于硬件設備的圖形數據處理能力不能滿足三維模型的大存儲容量需求。在設計古建筑VR交互系統過程中，建立以古建筑結構層級為基礎的場景模型優化是十分必要的。在模型設計階段只有采用合理的模型優化方法，才能解決VR系統在不同的運行環境下出現的卡頓現象。如果前期對VR場景中的各類模型沒有進行分類優化處理，后期制作環節就會因為模型數據量問題導致系統無法正常運行，需要在3DS MAX平臺中反復修改模型的各項參數值，極大地降低了工作效率。
2 古建筑模型層級結構庫的設計
中國古建筑具有獨特而完整的建筑體系，無論是寺廟、宮殿，還是住宅，外觀體形都是由臺基、屋身和屋頂組成的單體建筑標準化建筑樣式。“均以木構柱梁為承重骨架，利用斗拱構建在上部梁架和立柱之間傳遞荷載，以木材為圍護物的木構架建筑體系。”[2]由于虛擬現實場景中的古建筑建模方法和室外建筑效果圖、古建筑動畫的建模方法存在較大的差異性，這種差異性主要體現在如何在虛擬現實環境中進行基于實景的模型有效優化。
筆者依據古建筑實際建造過程中運用到的結構構件，將各種構件具體劃分到柱礎層、裝飾層、斗拱層、梁架層、屋頂層五個層級中，如表1所示的模型層級結構庫。即在模型優化前期就做好建筑模型層級規劃工作，按照不同層級主要建筑構件的不同特點，選擇相應的建模方式。通過模型層級結構庫的設計，不僅可以避免在模型優化過程中，由于場景復雜程度不一致、建筑模型量不一致等問題所產生的思路不清晰、建模次序混亂的問題，還可以及時糾正建筑模型優化方案使用不當等情況，從而優化解決方案，提高模型優化效率。
3 古建筑模型優化方法探究
3.1 古建筑模型LOD優化
按照VR系統權衡速度與效果的嚴格要求，確保近距離、多角度地觀察古建筑和不同規模場景流暢運行率的雙重要求，在3DS MAX平臺中按照三級LOD（多層次細節）面數簡化原則，在不同層次和視覺條件下，確保不同級別模型的順暢切換與自然過渡。LOD的特點是：視點距離建筑物越近，近距離觀摩采用精細模型表現，而視點離建筑物越遠，遠距離觀摩采用極簡模型表現，中距離觀摩則采用精簡模型表現。這樣就能夠兼顧系統速度與視覺表現效果（如圖1所展示的古建筑屋頂模型的多級分層優化示意圖）。
其中A1圖和A2圖分別呈現的是一級LOD模型的實體模型和對應的線框模型，古建筑的板瓦、椽、板、掛瓦條、正脊等結構均采用實體模型表述，面數較高。B1圖和B2圖為二級LOD模型的實體模型和對應的線框模型，該級別模型的面數往往控制為一級模型的1/15左右，除了古建筑物的瓦面構件仍然保持模型的實體造型，而正脊、飛檐、鴟吻等構件則多采用面片貼圖的方式表述。C1圖和C2圖分別為三級LOD模型的實體模型和對應的線框模型，該級別模型在場景中屬于距離視點較遠的模型，主要用于表現建筑的基本輪廓，模型多采用三角形、長方形等基礎幾何體生成。例如，瓦面層采用以直代曲的建模方法，飛檐、鴟吻等構件全部刪除，模型面數控制在二級模型的1/10左右。表2是根據圖1中的屋頂模型在實際項目設計過程中，通過建立多級層次細節模型，研究得出的三級LOD模型精度對比樣本。
3.2 古建筑模型結構優化
由于古建筑構件具有層級復雜、形式多樣、類型豐富的特點，在運用3DS MAX平臺建模過程中，各種構件契合部位都存在大量的不可見面片、各種構件分段面數較大、內部結構優化方式不合理等問題。這些問題不解決，會造成文件容量增大，導致VR系統運行速度緩慢甚至無法運行，從而嚴重地影響VR系統的網絡發布和下載速度。
古建筑結構優化的具體方法：第一，單體構件簡模化，控制模型分段數，用最少的面片數進行模型幾何結構的精簡。如圖2所示，古建筑屋頂層級中的正脊構件模型采用Loft（放樣）工具進行優化，通過直線路徑拾取二維線框截面，得到具有三維屬性的復雜幾何體造型，在此基礎上適度減少放樣物體的Shape（形狀步幅）和Path Steps（路徑步幅）參數值，從而精簡模型總面數。第二，確保模型的三角面為等邊三角形，等邊三角形面有利于渲染及烘焙，同時鋸齒和紋理模糊現象較少。第三，刪除古建筑底部看不見的面、各種模型之間的重疊面、各種模型之間相交的面以及因遮擋關系不可見的面。例如，柱子作為木構架建筑承重體系中的主要部分，在進行該類構件的模型優化過程中，不僅要減少冗余分段數，而且要將柱子與其他構件相互接觸的底面和頂面刪除。第四，制作復雜鏤空及窗框模型時，采用導入AI格式線框圖編輯制作的方法。第五，減少曲面，將模型截面上的分段數值設置為最低，以達到優化模型的效果。
3.3 古建筑模型數量優化
應該按照古建筑模型層級規劃方案，根據VR系統中設計好的不同觀察視角，對古建筑模型個數進行優化，減少場景模型量也是十分重要的。VR場景中的模型數量過多，不僅會增加烘培物體的數量，還會影響建筑物模型的渲染時間，嚴重降低系統運行速度，應當去除場景中所有模型的冗余面，將VR場景中的模型數量盡量控制在1500～4000個之間，達到優化內存資源的目的。
減少古建筑模型數量的方法：第一，合理分布模型的密度。運行速度的不穩定往往是因為場景中模型密度分布的不均勻導致的。第二，將所有相同材質的模型合并在一起，通過3DS MAX平臺中的Attach（附加）和Collapse（塌陷）工具，從而減少物體個數。充分利用Attach（附加）命令可以將不同的建筑構件合并為一個可編輯多邊形，并且保留合并后的多邊形中任意建筑構件的可編輯性。古建筑模型往往由于結構復雜，需要在修改器命令面板中通過添加各種修改命令才能完成，Collapse（塌陷）命令能夠將相同材質的建筑構件模型合并成一個模型，解決建筑單體模型量多、系統運行緩慢的問題。另外，還應該注意處理距離視角較遠、模型面數多的配景建筑物模型時，一般不建議合并模型，因為這樣反而會影響VR場景的運行速度。
3.4 古建筑模型紋理優化
VR場景中，曲面面數較高的古建筑構件模型往往采用紋理優化方法進行優化處理，從而得到高度仿真效果。例如，屋頂層級中的走獸、脊首、吻獸、寶剎、鴟吻、飛檐等復雜構件通常都采用該方法進行優化。
紋理優化方法主要包括靜幀貼圖優化和烘焙貼圖優化兩種。靜幀貼圖優化方式的紋理渲染時間較少，極大地降低了復雜模型的面數。圖3為古模型層級結構庫中屋頂層級列表下的吻獸模型構建的制作方法，該貼圖的制作依賴于Photoshop位圖處理軟件和CorelDRAW矢量圖處理軟件的綜合應用。通過在Photoshop軟件中合理化設計貼圖的分辨率、輸出格式、色彩模式、濾鏡組配、透明度要素完成構件貼圖的制作，運用CorelDraw軟件完成古建筑構件的輪廓線稿制作，在3DS MAX平臺中完成模型的仿真表現。
烘焙貼圖優化方式利用3DS MAX平臺中的Vray渲染器插件工具，通過計算場景中的光照信息，渲染生成建筑立面貼圖。烘焙貼圖優化技術的優點在于保證了貼圖信息的完整性，系統分別生成材質貼圖和光影貼圖兩張貼圖。由于渲染后的紋理帶有光照信息，從而增強了場景的真實感。如圖4所示的戶牖構建，通過烘焙貼圖優化后的效果，渲染得出的材質貼圖紋理清晰，烘焙出來的光效真實，明暗區分明確，根據戶牖模型的復雜度烘焙不同尺寸的貼圖，如l024*1024、512*512、256*256等尺寸。在實際的運算過程中，圖像紋理分辨率的變化主要根據視距的大小而變。這種優化方式極大地縮短了瀏覽系統實時計算燈光的時間，增強了場景的視覺仿真度。
4 結語
基于VR系統的模型優化方法的課題研究是當下虛擬現實應用技術的重要方向。本文以虛擬環境中古建筑為研究對象，探討了如何借助于3DS Max實現全方位的模型優化體系，并得到了比較滿意的模型仿真效果，為真實還原古代建筑原貌及其所蘊涵的藝術、文化信息提供了強有力的技術支持。
參考文獻：
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[5] 朱慶，林琿.數碼城市地理信息系統——虛擬城市環境中的三維城市模型初探[M].武漢：武漢大學出版社，
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