MultiGen Creator的驾驶室建模的实现与优化
基于MultiGen Creator的驾驶室建模的实现
与优化
课程名称：轮机仿真及控制技术
授课教师：尚前明副教授
学生姓名：聂晓崧
指导老师：陈辉教授
学号： 104972091791
班级： 09级研06班
研究方向：轮机仿真及建模
联系电话： 134********
基于MultiGen Creator的驾驶室建模的实现
与优化
聂晓崧
（武汉理工大学能源与动力工程学院；湖北武汉；430063）
摘要：作为虚拟现实技术的一项重要应用，视景仿真以三维图形为主，结合多媒体、立体视觉、传感等技术构造出身临其境的虚拟世界，它是21世纪最有前景的高科技技术之一。介绍了常用的仿真软件MultiGen Creator，并与时下流行其它建模软件AutoCAD和3D max简单的进行了对比，并实践了一种利用3D MAX 软件作为辅助建模的方法，然后利用MultiGen Creator虚拟现实软件包和其他一些软件对驾驶室及其附属设施进行仿真建模，并对模型的建立和优化做出探讨。
关键词：MultiGen Creator；建模；3D Max；
Realization and Optimize of MultiGen Creator Modeling Technology
of Cabin
Abstract：As virtual reality technology is an important application, scene simulation based on three-dimensional graphics, combining multi-media, stereo vision, sensing technologies so that immersive virtual world can be builded, it is one of the 21st century's most prospected high- technologies. Describes the commonly used simulation software MultiGen Creator, and make simply a comparison among other popular software such as AutoCAD and 3D max, and practice a kind of a supplementary method using 3D MAX modeling software, and then using MultiGen Creator and other software building its subsidiary simulation modeling and other facilities on the cab, and discussed the method of .model building and the optimize of it.
Key words：MultiGen Creator;Modeling Technology;3D max
引言
虚拟现实技术(Virtual Reality)是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多种学科而发展起来的计算机领域的最新技术，它以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形世界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使参与者仿佛置身于一个虚拟的世界中。它与网络、多媒体并称为21世纪最具应用前景的三大技术。虚拟现实技术最突出的是“3I”特征，这三个特征分别是交互性（Interactivity）、构想（Imagination）和沉浸感（Immersion）。虚拟现实技术在航海领域的应用是当今仿真技术发展的重点与方向之一。本文主要探讨使用虚拟软件MultiGen Creator来实现驾驶室的建模仿真并对其中的优化做出了一些探讨和实践。
1.建模工具及方案
1.1 MultiGen Creator简介
MultiGen Creator产品是世界上领先的实时三维数据库生成系统，它可以用来对战场仿真、娱乐、城市仿真和计算可视化等领域的视景数据库进行产生、编辑和查看。这种先进的技术由包括自动化的大型地形和三维人文景观产生器、道路产生器等强有力的集成选项来支
撑。 MultiGen Creator 性能优越，系统可靠，稳定|生好。具有同类软件无法比拟的优点。 MultiGen Creator 与其他三维建模软件不一样。它首先是一个三维数据库系统，然后才是一个实时交互三维建模软件。如果模型仿真要求严格，不允许任何出错，能够确保排除任何异常干扰。MultiGen Creator 是一个强有力的、集为一体的套装软件，用来开发诸如大地、海洋、天空等视景仿真数据库。无论您是要建立动态的车辆的模型，产生特定地点的符合地球弧度的大地场景还是操控半自动化的武器，MultiGen Creator 都在同一个完整的环境中给了你所有必需的高效率的工具来创建最优化、高度逼真的实时三维模型。 MultiGen Creator 还拥有强大的兼容性．与许多重要的VR 环境兼容。例如可以转换VRMI ，3DS ，AutoCAD ，Photoshop ，Wavetront 的数据。正是这种兼容性使得MultiGen 在与其他软件联合使用中．可以充分发挥各个软件的长处，最大限度地提高工作效率[1]。
MultiGen Creator 包括一套综合的强大建模工具，具有精简、直观的交互能力。工作在所见即所得/三维/实时的环境中，能够让你看到在数据库的什么地方发生了什么事情。针对要完成的任务，你总能找到所需的工具或使用自定义的工具箱。图1.1是MultiGen Creator 建立的直升机模型。
图1MultiGen Creator 建立的直升机模型
1.2 总体建模方案设计
图2建模流程图
上图为基于MultiGen Creator 和Vega 的驾驶室建模流程图。首先进行数据的采集和整
理，包括模型的真实数据和纹理的采集处理，再次通过Creator和其它软件（3DS MAX）建模，然后在Creator中整合、优化模型，为下一步的Vega交互式设定做准备[1]。
2、数据采集与整合
2.1 AutoCAD的图形导入
MultiGen Creator作为视觉模拟的建模工具和AUTOCAD有着很大的区别。前者强调视觉效果,要求有精确的形状和位置尺寸。因此MultiGen Creator不需要构建工程标准,没有精确的材料特征,它的建模方法更接近于艺术创作,可以把附加在模型上,使其美观逼真[6]。Creator的输入格式有(3ds)格式、(dxf)格式等四种，而数据的给出是有AutoCAD三视图，在CAD环境下绘制从AutoCAD制作的驾驶台平面图中提取建模要用到的建筑轮廓线，并将其保存为*.dxf的格式，该数据格式后期可以直接导入MultiGen Creator，即(dwg)格式，进而转换为(dxf)格式。AUTOCAD中通过面的旋转、拉伸形成的实体一般无法直接导入到MultiGen Creator中，要先导入到3DMAX中形成面包围体，才能被MultiGen Creator接受。对于CAD中形成的直纹曲面、边界曲面、旋转曲面可以直接导入到MultiGen Creator中。另外MultiGen Creator中的单位和AUTOCAD中的单位并不一致，在转换中遵循一对一原则，即一单位的AUTOCAD的长度换算一单位的MultiGen Creator长度，而不管是什么单位。如果在CAD中的模型是以毫米为单位，在MultiGen Creator面板中Info－Preferences－Flight 中设置单位为米，那么模型导入之后将放大1000倍。
2.2纹理采集与处理
1)纹理准备，纹理贴图是Creator里面非常重要的一个环节，这个环节往往是最耗费时间和精力的，因此事前的素材准备尤其重要。为了表现现实场景，需要用数码相机采物体的表面纹理照片；
2) 软件准备。Photoshop软件本身并不具备输出或者理RGB格式的能力，为了使它可以完成这一功能，必须安Creator提供的RGB处理插件，这可以在Creator的安装文件里面找到．在Free Stuff子目录里提供这一插件；
3) 纹理处理处理。对拍摄的数码相片一般以jpg格式保存。为了在Creator中使用，必须对原始图形进行加工，采用Photoshop进行纹理处理。虽然Creator可以接受JPG，IF，BMP，TIFF等多种常用图形格式为纹理，但是输出时格式应保存为Vega接受的RGB或者RGBA格式的图形文件。对于纹理文件输出时一定要注意输出文件的长宽尺寸，在这个工程中．将文件长，宽度全部限制为2的n次幂的像素大小。这样的严格限制保正了贴图纹理的正常显示，否则在Creator的规则的贴图在实景浏览时，很可能丢失、或者倾斜变形；
4)Creator中的纹理贴图。Creator软件提供了强大的贴图和修改功能。Creator提供了3点、4点、放射、球面、环境贴图等贴图工具可供使用，同时提供了强大的纹理库，共有128个格存放纹理，而每个格间可以存放256个纹理，这对于任何一个模型或者场景来说，应该是足够的了。与此同Creator还提供了8个纹理层和一个Blend混合层．这意味着对于一十面可以对它同时应用8种纹理并且可以得到它的混合效果而小用漆加任何额外的面[3]。
在这次工程中．对于工作台更多地使用了3点和4点贴图。而对于墙面或者屋顶这样的大面积相同纹理贴图。使用Surf Project 工具贴图。纹理图片在Creator中的排列顺序，最常用纹理应该排在最左下角，最不常用的排列在右上角，这样规则的排列一方面可以防止重复装入纹理，占用内存，另外可以加快显示速度。
3、模型的建立、整合和优化
3.1 建模工具的选择
3D max的在建模精细程度上的优势3D Max具有非常强大的点、线、面、几何体编辑功能，如编辑网格、放样、NURBS曲面、布尔运算等功能，对对象的细节描述非常生动，在用于建立复杂的模型时很有效。它能够精确的确定模型的位置和尺寸，建模完成后还可以对模型的高度、底面大小等参数进行修改，这就保证了模型对精细程度的要求。而在Creator 中，建筑物的高度、底面大小等参数的改变只能通过手动移动节点来实现，这样模型的精度很难保证[4]。
MultiGen Creator是专门为复杂的虚拟场景实时漫游设计的建模工具，具有良好的用户交互界面，建模的优势不仅在于较大场景地理环境的生成及浏览，是基于多边形的图形生成软件，而且在数据量大小上具有绝对的优势。普通的建筑物在MultiGen Creator文件中只有50 K左右，大型的复杂建筑物也不会超过1 M，但是对于3DS Max文件来说，数据量的控制是一个难以解决的问题，一般的3DS Max文件都要大于100 K。这样的数据量大小对于一个可漫游的三维场景来说是一个相当大的负担。
由于要求能够对建立的场景在Vega平台基础上实现实时漫游[7]，不仅对数据量有要求，对模型精度也有一定要求，所以我们采用3DS max与MultiGen Creator两种软件结合起来进行建模。表3.1是针对驾驶台的各个模型和软件的特点进行分配
表1：模型分配
3.2 关于多个模型的合并
3.2.1MultiGen Creator模型的合并
在MultiGen Creator环境下制作每一个单体模型，并形成相应的对应于每个单体模型的OPENFLIGHT(*FLT)文件。为了表现真实场景．需要将多个建筑物合并成为一个文件。通过合并的实践和比较，针对不同的场景，应采取不同的合并方法。
1)对于小场景。如果仅有不多的建筑物，也就是说，只要合并的文件数目比较少，可“采用必一个文件为主的复制帖贴的办法，生成最后的文件。将其他模型通过粘贴拷贝到当前文件中并置于合适的位置，同时在层级目录结构中调整层次关系，可以达到整合场景的目的。其优点是方法简单易用．生成后的文件模型不会发生转移储存目采后就丢失纹理的事情，并且便于保存。其缺点是生成的．FLT文件较大，进人场景的速度慢．不利于实时漫游，因此议适用于简单场景。本项目的驾驶室，只有雷达台，姿态台，海图室等较小模型，属于小场景适用于此种方法。
2)并行式分式处理模式。对于道桥等大型场景来讲，不仅有许多建筑单体．_而且道路和树木等也有制作成单独的．FLT文件．单独文件数很多，不宜采用上述处理方法。因此，以较大的模型文件为主体．通过使用External Reference外部引用的功能，将所有单体模型导入．这样每个建筑模型的纹理文件和三维模型文件都能保持独立．从而使最后的整合文件变小。因此，计算机在处理场景时，不会因为一次性调入过多的图形和纹理而死机或者使得漫游速度过慢。
3.2.2 3Dmax模型导入MultiGen Creator及优化
基于3Dmax的优点，网上也有较多的模板资源，对于精细模型，如高档皮椅，电话等就用3dmax建模较为方便。3Dmax模型建好以后，在3D MAX的建模完成后，模型以3ds 的文件存储。一个3ds的文件包含一系列的有用信息，它们用于描述由一个或多个物体构成的3d场景的每一个最小的细节。3ds文件的二进制信息是用特殊的方式写入的。3ds文件导
入MultiGen Creator有两种方法：第一种方法是直接导入，这种转换过程会有一些错误产生，例如遗失或置换面数。这些错误可以用MultiGen Creator的转换，复制工具校正。另一种方法是模型附上3D MAX的网格形式，再导入creator。但是在3D MAX中没有类似MultiGen Creator的层次化结构，尽管它有组的概念，但组的设计仅仅是用作易于选择，它的信息并不能以3ds文件格式存储。当模型导入到MultiGen Creator时，它的层次结构附加在层级视图缺省的g2组节点之下，节点的名字就是模型的名字。下一个节点是体节点，然后是面节点。图3.2.2显示了导入MultiGen Creator的模型的层次化结构。
图3 3ds导入creator 的层次化结构
图4 正常的creator 建模模型
从上图对比可以看出由3DS导入的模型子父组的关系有些紊乱，而且导入的模型的数据量一般很大，所以优化是必要的。
在3D MAX中的优化方法：
（1）忽略看不见的细节。例如，如果管子内部不必显示，则用实心体来代替。
（2）忽略对整体视觉效果影响不大的细节。在机械式的系统中有很多倾斜的边缘，它们在3D MAX中并不重要。如果在3DMAX中对这些细节建模，特别是内圆角，模型的面数会有很大的增加，因此将这些细节忽略。
（3）用纹理表现一些细节。许多机械式系统有铆钉或硬边会占用很多面，改变的方法是渲染模型，即通过凹凸映射表现这些细节，获取位图，然后应用位图到模型的表面。
（4）用简单模型替代复杂模型。在大型仿真场景系统，圆柱体通常用三棱柱或四边形代替。
（5）在不失精确度的前提下缩减模型的段数。段数和视觉效果之间的平衡是很重要的，当模型的段数增加，模型的平滑性会更好，但是数据量也就随之变得更大。
（6）编辑模型的子对象和删除对场景效果影响甚微的子节点。
3.3 MultiGen Creator模型的优化方法
（1）实例化技术。实例指模型数据库中模型对象的一个参考副本，它在内存中仅装入一次，类似于动态连接库文件，这样可以节省大量的硬盘和内存空间。对于数据库中包含的大量简单、重复性的模型对象，实例化是简化模型数据库的非常有效的方法;
（2）简化纹理技术。在不失视觉效果的前提下，用小尺寸的纹理图片代替大尺寸的图片。例如用16×16像素的图片代替128×128像素的图片。
（3）层次细节（LOD）技术。LOD是一组同一个物体而又具有不同的细节程度的模型对象，不同细节程度版本模型的多边形的复杂度也不一样。当视点距离物体越近，更多细节会呈现出来。最大数量的多边形的版本模型称为最大LOD，是视点移向模型最近时产生的。当视点离模型越来越远时，许多细节不再需要，所以更小的LOD就切换过来了。为同一个建筑设置多个模型，可以利用MultiGen Creator的LOD功能来实现。当建筑物离视点的距离较远时，调用相对简单的模型，当离视点距离较近时，调用相对复杂的模型，这样处理既不影响三维仿真的效果，又可以减小整个场景的数据量[5]。在不同的LOD阶段相应使用适当细节程度的模型版本，以达到提高漫游系统运行效率的目的。制作LOD模型的方法主要有删除法和抓图法，具体的步骤为：1）重新整理数据库层次结构。2）利用删除法将模型的细节删除，保留主要部分，适用于建筑的修饰部分。3）利用抓图法将模型的某个侧面最大化显示在屏幕上，利用截屏功能抓取图像，然后处理成纹理文件。即可以用一个面关联该纹理表现模型的整个侧面。该方法适用于建筑物的主体部分，可以用小数据量表现较多内容，同时利用带有Alpha通道的纹理效果更好。
4、结束语
三维建模技术是虚拟现实技术中的关键技术，本文分别介绍了三维建模软件MultiGen Creator和3D Max的建模方法和优化技术，并对其进行对比：MultiGen Creator的优势在于大场景地理环境的生成以及浏览，对于单体建筑物的建模并不是这个软件的长处，而后者正是3D Max 建模的优点。最后提出了两者相结合的方法构建小范围复杂场景的方法，以驾驶室为例，为虚拟现实技术中的模型构建工作实践了一种新方法，应用在项目中达到了理想的效果。
参考文献
【1】张岚、蒲小琼,.基于CREA TOR与VEGA技术的虚拟场景优化技术及研究[J],计算机应用与软件,2007.24(5)
【2】王裕俭,基于MultiGen Creator和Vega的虚拟现实探讨[J],测绘信息工程,2003(8):14-16
【3】程效军,朱鲤,刘俊领,三维建模中的纹理处理[J].遥感信息,2004(2):24-26
【4】朱仁成,3DS Max室外建筑艺术与效果表现[M],北京:电子工业出版社,2003
【5】朱庆,龚俊,杜志强等,三维城市模型的多细节层次描述方法[J],武汉大学学报:信息科学版,2005.30（11）:965-969
【6】王坚,孙宇浩,身临其境:虚拟现实科学与技术[M].杭州:浙江技术出版社,1999.
【7】陈谊,孙悦红,牛兵,基于CAD数据的3D场景建模及演示技术研究,北京工商大学计算机学院,2007.4