專利名稱：一種面向虛擬現(xiàn)實三維圖形引擎的三維場景組織方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向虛擬現(xiàn)實三維圖形引擎的新的場景組織方法，屬于計算機(jī)虛擬現(xiàn)實和計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實作為一種高度逼真的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的人機(jī)交互技術(shù)，要求計算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境足夠真實可信，這無疑會牽涉到眾多領(lǐng)域的各種前沿技術(shù)。如果為每個虛擬現(xiàn)實應(yīng)用都去重新研究和實現(xiàn)這些技術(shù)細(xì)節(jié)，無疑會浪費大量的時間、精力和資金。圖形引擎就是在實現(xiàn)部分底層技術(shù)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行整理和封裝，形成一個開發(fā)框架，使得應(yīng)用開發(fā)人員不必再關(guān)心底層技術(shù)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而大大減少開發(fā)人員的工作量和工作難度，縮短開發(fā)周期。由于圖形引擎是對特定應(yīng)用的一種抽象，在不同的領(lǐng)域中，圖形引擎需要解決的問題不一樣，故而其功能也不盡完全相同，在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，圖形引擎?zhèn)戎赜诮换ズ屠L制的實時性。無論是交互還是繪制都涉及到場景中的實體，所以如何組織場景中的實體是三維圖形引擎中的核心問題，好的場景組織方式不僅有利于內(nèi)存的管理，而且能夠加速場景繪制，同時還方便實時交互的實現(xiàn)。特別是當(dāng)場景越來越復(fù)雜時，場景組織方式就愈發(fā)顯得重要。
隨著虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)和三維游戲的發(fā)展，三維圖形引擎的發(fā)展非常迅速，涌現(xiàn)出了很多商業(yè)的和開源的圖形引擎，如OpenGVS、OGRE、OSG、OpenSG等，但是它們在場景組織方面各有優(yōu)缺點。OpenGVS是Quantum3D公司開發(fā)的一個面向仿真的商業(yè)軟件，場景組織是它的核心技術(shù)之一。OGRE是一個面向三維游戲的圖形引擎，它把系統(tǒng)分成了很多模塊，如資源管理、場景管理、渲染管理，這對系統(tǒng)的內(nèi)存管理來說非常方便，但是OGRE的場景組織方式不能方便地表現(xiàn)細(xì)節(jié)層次(Level of Detail，LOD)、開關(guān)(Switch)、自由度(Degree of Freedom，DOF)等特殊節(jié)點，因此在實時交互的實現(xiàn)上存在一定的困難。OSG、OpenSG是開源軟件，它們采用場景圖對場景進(jìn)行組織，這種場景圖能夠比較好的描述模型中各種類型的節(jié)點，但是它們采用有向非循環(huán)圖(Directed Acyclic Graph，DAG)的方式實現(xiàn)模型共享，對每個節(jié)點實行引用計數(shù)，當(dāng)引用為零時便釋放內(nèi)存，這種內(nèi)存管理方法實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，不如OGRE的簡單。
本

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決解決問題克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種面向虛擬現(xiàn)實三維圖形引擎的三維場景組織方法，采用這種場景組織方法不僅有利于內(nèi)存的管理，減少內(nèi)存開銷，而且能夠加速場景繪制，同時還方便實時交互的實現(xiàn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種面向虛擬現(xiàn)實三維圖形引擎的三維場景組織方法，其特點在于包括下列主要步驟(1)加載模型文件，加載模型時在內(nèi)存中采用場景圖保存模型文件中的信息；(2)在場景中添加實體，每個實體對應(yīng)一個模型文件，在場景中添加實體，也就是實例化模型，在實例化的時候，僅僅引用共同的部分(幾何信息)，而對不同的部分(非幾何信息)進(jìn)行復(fù)制，這樣既節(jié)約了內(nèi)存，又保證了實體間的獨立性，整個場景中只有一個場景根節(jié)點，每添加一個實體，相當(dāng)于在場景根節(jié)點上添加一棵子樹，所有的子樹和場景根節(jié)點構(gòu)成最終的場景圖。
由資源管理模塊負(fù)責(zé)加載場景中的各種資源，包括幾何模型、紋理圖片等，并且通過維護(hù)一個資源列表來管理這些資源。加載模型的步驟首先讀取資源文件的名稱，然后遍歷資源列表，根據(jù)資源文件的名稱查看該資源是否已經(jīng)加載，如果已經(jīng)加載，直接返回指向該資源文件的資源指針，否則，創(chuàng)建資源對象，接著根據(jù)資源類型調(diào)用不同的加載器進(jìn)行加載，如果加載失敗，直接返回空指針，否則資源加載器把資源文件中的數(shù)據(jù)讀取出來并保存到新建的資源對象中，并將指向該資源文件的資源指針添加到資源列表中，然后返回資源指針。程序結(jié)束的時候，資源管理模塊遍歷資源列表，逐個刪除資源對象，從而防止內(nèi)存泄漏。
由場景管理模塊通過維護(hù)一個實體列表和場景根結(jié)點來管理場景中的實體，共同構(gòu)成一個大的場景圖。在常用的模型文件中，如vrml、flt、3ds等，其內(nèi)部一般采用層次樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，這種層次樹狀結(jié)構(gòu)通常包含一個根節(jié)點、若干內(nèi)部節(jié)點和葉子節(jié)點。最頂層的節(jié)點是根節(jié)點，它沒有父節(jié)點；葉子節(jié)點保存著需要繪制的實際幾何體，它沒有任何子節(jié)點；內(nèi)部節(jié)點至少有一個子節(jié)點，這樣，如果根不是樹中唯一的節(jié)點的話，那么它也是一個內(nèi)部節(jié)點。一個單獨的模型本身就是一個場景圖，模型加載后產(chǎn)生的資源指針實際上指向的是該場景圖，而每一個實體都對應(yīng)一個唯一的名字和資源指針，將實體加入場景，實際上就是把對應(yīng)資源指針指向的場景圖做為場景根節(jié)點的子樹加入場景圖，從而與其它實體一起構(gòu)成一個更大的場景圖。具體的添加實體的流程圖如下首先獲取實體名稱和對應(yīng)的資源文件名稱，然后遍歷實體列表，根據(jù)實體名稱查看該實體是否已經(jīng)在場景中，如果同名實體存在，則直接返回空指針，否則，調(diào)用資源管理模塊，根據(jù)資源文件的名稱獲取對應(yīng)的資源指針。如果資源指針為空，直接返回空指針，否則，根據(jù)實體名稱和返回的資源指針創(chuàng)建實體。在創(chuàng)建實體的時候，僅僅復(fù)制資源指針?biāo)笀鼍皥D的內(nèi)部節(jié)點部分，組成一棵以實體名稱為根節(jié)點的子樹。然后把子樹做為場景根結(jié)點的子節(jié)點，從而將實體添加到場景中。除了添加實體外，還可以刪除和修改場景圖中的實體或者實體的子部件。在程序結(jié)束的時候，場景管理模塊遍歷實體列表，逐個刪除實體對象，從而防止內(nèi)存泄漏。
兩個模塊相互協(xié)作共同實現(xiàn)場景組織和資源共享。一個復(fù)雜的場景通常由多個實體組成，每個實體對應(yīng)一個模型，當(dāng)創(chuàng)建實體的時候，最直觀的辦法是先創(chuàng)建一個實體，加載對應(yīng)的模型文件，讀取并保存模型文件中的數(shù)據(jù)。雖然這種方法實現(xiàn)起來非常簡單，但是因為每創(chuàng)建一個實體都要讀取并保存模型文件中的數(shù)據(jù)，所以非常耗內(nèi)存和時間，當(dāng)場景非常復(fù)雜的時候，這個問題就更加突出。逼真性和實時性是圖形學(xué)應(yīng)用的兩個相互制約的目標(biāo)，相對而言，虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域更側(cè)重于實時性。在對場景中的實體進(jìn)行建模的時候，為了降低建模難度和工作量，對相同或相近的實體通常采用相同的模型，即只建模一次，比如，為了繪制森林，雖然森林里存在很多棵樹，但是在建模的時候可能只對其中的一棵樹進(jìn)行建模，這樣就導(dǎo)致場景中存在大量實體對應(yīng)同一個模型。在這種情況下，可以通過加載一次模型，多次實例化來創(chuàng)建多個實體。這樣可以減少加載模型文件的次數(shù)，從而減少內(nèi)存和時間開銷。為了方便內(nèi)存管理，將加載模型和創(chuàng)建實體分別放在資源管理模塊和場景管理模塊中實現(xiàn)，即資源管理模塊在內(nèi)存中保存各種資源數(shù)據(jù)，場景管理模塊通過指針來引用共享資源。這里的共享資源僅限于幾何信息，這是因為，在模型文件的場景圖中，葉子結(jié)點用來保存各種幾何信息，也就是用于繪制的大量數(shù)據(jù)，如三維模型的點、線、面的信息，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在整個運(yùn)行過程中是不變的。內(nèi)部節(jié)點用來表示幾何信息之外的其它信息，包括紋理、變換、細(xì)節(jié)層次、繪制狀態(tài)、光源以及其它要素。這些信息很多是可以通過用戶交互來改變的，例如，可以將光源放置在一個內(nèi)部節(jié)點上，這個節(jié)點影響其子樹的內(nèi)容，用戶可以通過操縱該內(nèi)部節(jié)點，來打開、修改和關(guān)閉光源；另外一個示例是變換，在一個內(nèi)部節(jié)點內(nèi)保存變換信息，用戶通過改變這些信息，從而實現(xiàn)對其子樹的旋轉(zhuǎn)、平移等操作。所以當(dāng)創(chuàng)建一個實體的時候，必須復(fù)制它所引用的模型的場景圖中的內(nèi)部節(jié)點，而僅僅共享其葉子節(jié)點，即幾何信息。這樣可以保證引用同一模型的不同實體之間的交互獨立性，也就是說，對其中的一個實體進(jìn)行操縱，不會影響到引用同一個模型的其它實體。
資源管理模塊和場景管理模塊在程序初始化階段運(yùn)行，運(yùn)行的結(jié)果就是把整個場景組織成一個以場景根節(jié)點為根節(jié)點的場景圖。使用場景圖的方式組織場景，很容易實現(xiàn)對LOD、Switch、DOF等特殊節(jié)點的支持，這樣，不僅使場景易于組織和擴(kuò)展，而且還方便實時交互和繪制的實現(xiàn)。如果對場景圖中的每個節(jié)點計算它的包圍體，還可以方便實現(xiàn)碰撞檢測和視錐裁減。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是場景組織由資源管理模塊和場景管理模塊協(xié)作完成，這樣不僅方便內(nèi)存管理，而且當(dāng)場景中存在大量重復(fù)出現(xiàn)的復(fù)雜實體時，采用這種方法可以很容易實現(xiàn)一次加載模型，多次實例化，從而大大減少內(nèi)存和時間開銷；使用場景圖的方式組織場景，提供對LOD、Switch、DOF等特殊節(jié)點的支持，不僅使場景易于組織和擴(kuò)展，而且方便實時交互和繪制的實現(xiàn)。如果對場景圖中的每個節(jié)點計算它的包圍體，還可以很方便實現(xiàn)碰撞檢測和視錐裁減。


圖1是立方體模型(cube.flt)的層次結(jié)構(gòu)圖；圖2是立方體模型(cube.flt)加載后在內(nèi)存中的層次結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實施例坦克模型(t72.flt)加載后在內(nèi)存中的層次結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明中的資源管理模塊中加載模型的流程圖；圖5為本發(fā)明的場景管理模塊中添加實體的流程圖；圖6為本發(fā)明資源管理和場景管理之間的關(guān)系圖；圖7本發(fā)明實施例加入第一輛坦克(tank 000)后的場景圖。
具體實施例方式
實施例虛擬戰(zhàn)場。戰(zhàn)場中存在大量的重復(fù)的實體，比如樹木、坦克、士兵等。為了描述簡單，同時還能說明問題，假定戰(zhàn)場由1000輛坦克組成，并且這些坦克均來自同一個坦克模型(t72.flt)。
圖1是一個簡單模型——立方體模型(cube.flt)的層次結(jié)構(gòu)圖，它包含3個內(nèi)部節(jié)點和6個葉子節(jié)點。其中，3個內(nèi)部節(jié)點分別是一個根節(jié)點、一個Group節(jié)點、一個Object節(jié)點；6個葉子節(jié)點分別保存組成立方體的6個面的幾何信息，比如說，一個面由四個頂點組成，一個頂點的信息包括頂點的顏色、位置、法向量和紋理坐標(biāo)。
加載模型的時候，把用于繪制的幾何信息統(tǒng)一放在一個節(jié)點(GeometrySet)內(nèi)保存，圖2和圖3分別是立方體模型(cube.flt)和坦克模型(t72.flt)加載后在內(nèi)存中的層次結(jié)構(gòu)圖。
如圖4所示為資源管理模塊中加載模型的流程圖，開始，讀取資源文件的名稱，然后遍歷資源列表，根據(jù)資源文件的名稱查看該資源是否已經(jīng)加載，如果已經(jīng)加載，直接返回指向該資源文件的資源指針，如果沒有加載，根據(jù)資源類型(目前可以處理的資源文件有兩種3ds和flt)調(diào)用不同的加載器進(jìn)行加載；如果加載失敗，直接返回空指針，否則將指向該資源文件的資源指針添加到資源列表并返回。結(jié)束加載模型。
如圖5所示為場景管理模塊中添加實體的流程圖，開始，獲取實體名稱和對應(yīng)的資源文件名稱，然后遍歷實體列表，根據(jù)實體名稱查看該實體是否已經(jīng)在場景中，如果同名實體存在，則直接返回空指針，否則，調(diào)用資源管理模塊，獲取資源文件對應(yīng)的資源指針；如果資源指針為空，直接返回空指針，否則，根據(jù)實體名稱和資源指針創(chuàng)建實體。在創(chuàng)建實體的時候，復(fù)制資源的內(nèi)部節(jié)點部分，組成一棵以實體名稱為根節(jié)點的子樹。然后把子樹做為場景根結(jié)點的子節(jié)點，從而將實體添加到場景中。
如圖6所示為資源管理和場景管理之間的關(guān)系圖，其中虛線上方是場景管理模塊，場景中有唯一的根結(jié)點，圓代表內(nèi)部節(jié)點，內(nèi)部節(jié)點包括Group、LOD、Switch等，它們共同構(gòu)成樹狀結(jié)構(gòu)；正方形代表葉子節(jié)點，它們包含指向資源管理模塊中的各種幾何信息的指針，虛線下方是資源管理模塊，三角形代表存放在內(nèi)存中的各種幾何信息，場景管理模塊通過葉子節(jié)點中保存的幾何信息的指針來訪問資源管理模塊中的幾何信息。
圖7是加入第一輛坦克(tank 000)后的場景圖。整個場景圖有一個唯一的場景根結(jié)點(Scene Root)，場景中每加入一個實體，相當(dāng)于將以該實體名字命名的根結(jié)點的子樹做為場景根結(jié)點(Scene Root)的子節(jié)點，從而構(gòu)成更大的場景圖。
這種場景組織方式可以方便用戶操縱實體和實體子部件，這是通過改變場景圖中內(nèi)部節(jié)點的屬性信息來實現(xiàn)的。比如，可以通過改變Group節(jié)點(tank 000)的平移和旋轉(zhuǎn)屬性來控制坦克(tank 000)的位置和朝向；還可以通過改DOF節(jié)點(barrel)的屬性控制炮管繞著炮塔旋轉(zhuǎn)。
場景圖中的節(jié)點通常有一個包圍體，可以利用包圍體來做碰撞檢測和視錐裁減；場景圖還支持LOD、Switch等特殊節(jié)點，這些都可以加速場景繪制。
權(quán)利要求
1.一種面向虛擬現(xiàn)實三維圖形引擎的三維場景組織方法，其特征在于包括下列主要步驟(1)加載模型文件，加載模型時，在內(nèi)存中采用場景圖保存模型文件中的信息；(2)在場景中添加實體，每個實體對應(yīng)一個模型文件，在場景中添加實體，也就是實例化模型，在實例化的時候，僅僅引用共同的部分，即幾何信息，而對不同的部分，即非幾何信息進(jìn)行復(fù)制，整個場景中只有一個場景根節(jié)點，每添加一個實體，相當(dāng)于在場景根節(jié)點上添加一棵子樹，所有的子樹和場景根節(jié)點構(gòu)成最終的場景圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向虛擬現(xiàn)實三維圖形引擎的三維場景組織方法，其特征在于所述的加載模型文件由資源管理模塊負(fù)責(zé)，其加載的步驟為開始，讀取資源文件的名稱，然后遍歷資源列表，根據(jù)資源文件的名稱查看該資源是否已經(jīng)加載，如果已經(jīng)加載，直接返回指向該資源文件的資源指針，如果沒有加載，根據(jù)資源類型調(diào)用不同的加載器進(jìn)行加載；如果加載失敗，直接返回空指針，否則將指向該資源文件的資源指針添加到資源列表并返回，結(jié)束加載模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向虛擬現(xiàn)實三維圖形引擎的三維場景組織方法，其特征在于所述的在場景中添加實體由場景場景管理模塊負(fù)責(zé)，其中添加實體的步驟為開始，獲取實體名稱和對應(yīng)的資源文件名稱，然后遍歷實體列表，根據(jù)實體名稱查看該實體是否已經(jīng)在場景中，如果同名實體存在，則直接返回空指針，否則，調(diào)用資源管理模塊，獲取資源文件對應(yīng)的資源指針；如果資源指針為空，直接返回空指針，否則，根據(jù)實體名稱和資源指針創(chuàng)建實體。在創(chuàng)建實體的時候，復(fù)制資源的內(nèi)部節(jié)點部分，組成一棵以實體名稱為根節(jié)點的子樹。然后把子樹做為場景根結(jié)點的子節(jié)點，從而將實體添加到場景中。
全文摘要
一種面向虛擬現(xiàn)實三維圖形引擎的三維場景組織方法，屬于計算機(jī)虛擬現(xiàn)實和計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于(1)加載模型文件，加載模型時，在內(nèi)存中采用場景圖保存模型文件中的信息；(2)在場景中添加實體，每個實體對應(yīng)一個模型文件，在場景中添加實體，也就是實例化模型，在實例化的時候，僅僅引用共同的部分，即幾何信息，而對不同的部分，即非幾何信息進(jìn)行復(fù)制，整個場景中只有一個場景根節(jié)點，每添加一個實體，相當(dāng)于在場景根節(jié)點上添加一棵子樹，所有的子樹和場景根節(jié)點構(gòu)成最終的場景圖。本發(fā)明不僅方便內(nèi)存管理，而且當(dāng)場景中存在大量重復(fù)出現(xiàn)的復(fù)雜實體時，可以很容易實現(xiàn)一次加載模型，多次實例化，從而大大減少內(nèi)存和時間開銷。
文檔編號G06T1/00GK1710607SQ20051001213
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者梁曉輝, 趙沁平, 余江英, 車英慧 申請人:北京航空航天大學(xué)