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基于Creator Pro/Vega Prime的三维地形仿真技术
2015年11月16日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:古伊 ,高井祥 ,孙九运
    单位:中国矿业大学环境与测绘学院(徐州)

    摘要 :三维地形可视化作为一种有效的表达地形数据的方法 ,越来越受到了人们的关注。文中结合三维建模软件 Creator Pro v2.6.1的地形模块 ,概要介绍了三维地形生成的基本理论 ,讨论了 Creator Pro v2.6.1中构建地形的方法。最后以平煤集团大庄矿为例 ,成功建立了视觉效果较好的三维地形模型 ,并进行了渲染和驱动。


    1 三维地形建模和优化显示技术

    地形建模是采集虚拟场景范围内适当比例尺的真实地形地貌数据 ,按照一定的算法 ,描述该区域的连续的高低起伏变化的方法。三维地形一般数据量庞大 ,在数据获取方面工作量很大。地形显示是利用算法和程序 ,渲染和驱动建立好的三维模型。一般地形模型数据量大 ,为了达到实时显示的效果 ,在模型显示方面 ,要兼顾优化显示技术。整个地形建模流程如图 1示。

图 1 地形建立流程

    1.1 原始数据的获取与处理

    地形数据是整个场景的基础。地形数据主要是建立数字高程模型 (D igital Elevation Model,简称 DEM )用到的高程数据。可以是等高线、离散的高程点数据及其他具有高程的陡坎线、湖泊平面多边形等。这些数据的来源可以是地形图上的等高线、离散高程数据。可以直接处理航摄影像、机载激光扫描仪扫描的数据或者 SAR / INSAR图像来生成 DEM。地理纹理来源于航空摄影相片、卫星遥感像片。DEM主要有三种表示模型 :等高线模型、规则格网模型和不规则三角网模型。

    三维地形的表示目前主要使用后两种。规则格网模型 ,主要是根据已有的离散点数据 ,内差规则格网顶点的高程。DEM内差本质上是数学上的插值问题。按内插点的分布范围 ,可以将内插分为 :整体内插、分块内插和逐点内插三类。基于格网的内插广泛采用双线性多项式内插。采用这种方法的考虑点是 :使用最靠近插值点的四个已知数据点组成一个四边形 ,确定一个双线性多项式来内插待插点的高程。不规则三角网的构建 ,最关键的算法是 Delaunay三角网的产生算法。

    1.2 纹理映射

    这里是指二维纹理映射 ,本质上是一个二维纹理平面到三维景物表面的一个映射。二维纹理定义的平面区的每一点( x, y, z) 处 ,均定义有一灰度值或颜色值。我们称该平面区域为纹理空间。对应三维景物表面的点 ( u, v) 确定的区域 ,定义为物体空间。从数学的观点来看 ,映射可用公式 (1)来描述 :

    ( u, v) = F ( x, y, z)              (1)

    地形纹理的处理 ,可将遥感图像、航空相片处理成数字正射影像地图 ,或者由地形图经扫描、图形定向、几何纠正及色彩校正后 ,形成数字栅格地图。

    1.3 三维地形的优化显示技术

    在计算机硬件水平达到一定程度的时候 , 要进一步提高三维地形的显示速度 , 就必须采用一定的技术 ,减少场景的复杂度 , 优化模型和数据结构的组织。

    1.3.1 地形 LOD (Level of Detail)技术

    其思想是在不同的层次、不同的视觉条件下 , 采用不同精细程度的模型来表示同一个对象 , 以提高地形的显示速度。多分辨率地形模型主要根据视点距地形的距离和观察的角度来确定模型的精细程度。随着距离的由远到近 , 地面模型的精细程度也由粗到细。相邻层次模型的多边形数一般相差 50% ~60%。建立地形时 ,根据实际需要来确定层次数量 ,对于仅仅在地面上行走 ,视点始终离地面比较近的虚拟场景系统 ,可以设置一个 LOD层次 ,对于视点离地面变化比较大的虚拟场景系统 ,可以设置多于 3个层次。

    1.3.2 多分辨率纹理贴图 (m ipmap纹理 )技术

    在目前计算机硬件条件的限制下 ,为了获得更好的显示效果 ,除了利用光照技术使地形具有明暗外 , 还使用高分辨率的纹理来增强地形真实性。但是 ,高分辨率的纹理将占用大量内存 , 耗费系统资源 , 严重影响地形的显示速度。为了解决这个问题 , 1983年 Williams 提出了 mipmap技术 ,是一种纹理映射的“LOD”技术 ,它能有效地解决纹理和系统内存之间的矛盾。主要是在多分辨率的地形模型中加入多分辨率的纹理影像 , 并根据视点的变化选择不同分辨率的纹理。其算法思想是 :以适当大小的正方形来近似表达每一个象素在纹理平面的映射区域 ,并预先将纹理图像表达为具有不同分辨率的纹理数组 ,作为纹理查找表 ,其中低分辨率的图像由比它高一级分辨率的图像取平均得到。W illiams简单地将低一级图像每边的分辨率取为高一级图像每边分辨率的二分之一 ,而低一级分辨率的纹理数组则由红、绿、蓝三个分量的纹理数组组成。图 2是 mipmap表的存储方式 ,其中右下角、右上角、及左上角区域分别存储纹理图像的红、绿、蓝分量在初始分辨率下的采样值 ,而左下脚区域则为对纹理图像红、绿、蓝三分量逐级压缩的结构。


图 2 mipmap表的存储方式

    另外这种技术可以有效的消除纹理闪烁的问题。

    1.3.3 分块索引技术

    分块索引技术可以称之为场景分割。一个地形场景可以从几平方公里到几十甚至几百、几万平方公里 , 其多边形数可达几十、几百万个。若把整个模型数据一次性读入内存显示 , 那几乎是不可能的 ,通常需要对地形进行分块索引。其中每一块的大小根据硬件的性能、场景的复杂度及纹理的数据量进行综合考虑 ,通常为 1km ×1km 或者 2km ×2km。将整个三维场景分块并进行调度 ,地形块的调度是一个独立的线程。实时显示时 , 将只拣取可视范围内的场景地形模型。如果视点沿向北的方向进行漫游 ,采用八邻域的调度方式 ,其中填充的格网为需要调入内存的地形块 ,虚线部分为需要调出内存的地形块。如图3。


图 3 分块索引调度示意图

    2 Terrain Pro中地形建模

    Creator Pro是 MultiGen - Paradigm公司的业界领先的三维建模软件工具集 ,用于产生高优化 ,高精度的实时三维模型。广泛应用于视景仿真、虚拟城市、交互式游戏等。Terrain Pro是一种快速创建大面积地形、地貌数据库的工具 ,用 Pro2 ject统一管理各种资源 (地形数据、纹理、文化特征等 )。它可以使地形精度接近真实世界 ,并带有高逼真度三维文化特征及纹理特征。它能处理的地形数据格式为 DED (D igital Ele2vation Data) ,它描述了地理位置 (经、纬度 )和海拔高。作为Creator Pro的一个增强选项 ,它具有以下特性 :

    2.1 批处理操作

    一个合成的场景数据库可能是巨大的 ,需要花费很长的时间去创建它 ,如果手工交互的技术不奏效 ,可选择 Terrain Pro批处理。它独有的用户定义的规则和投射方式能自动控制地形及三维文化特征的生成 ,生成高效的、高保真的数据库 ,以满足用户的需要。主要功能如下 :文化特征多重 LOD生成的分批控制 ;地形多重 LOD生成的分批控制 ;用于实时页面的分片地形生成 ;截取组的自动生成 ;地理信息及整体纹理映射的分批控制 ;用户定义规则及如何投射 ;纹理、颜色、材质的指定和自动映射 ;感兴趣区域的重新处理 ;

    2.2 高级地形生成工具

    有四种建模算法可以选择 : Polymesh、Delaunay、TCT ( Terrain Culture Triangulation,地形文化特征三角化 )、CAT (Continuous Adap tive Terrain,连续适应性地形 ) 。一般 Polymesh算法可以创建一个、两个或四个等平面多边形组成的方形地形对象。Delaunay算法可将点数据转换为与地形完好吻合的许多三角形 ,可以自动给地形添加纹理。而与 Polymesh和Delaunay方法相比 , CAT算法没有采用将地形分片的模式 ,而是采用相邻 LOD 间的三维变形 (Morphing) 技术来平滑过渡层次间的切换 ,提供一个面向传统的地形 LOD管理难题的解决方案。而 TCT算法是地形文件的三角形转换 ,是一种有限制的 Delaunay算法 ,与前 3 种算法不同 ,它专门与地形一起处理矢量特征数据 ,生成带特征的地形多边形。像道路、河流、湖泊和溪流等特征要成为地形表面上的一部分 ,而不是简单地放在地形表面上。

    2.3 大地纹理贴图

    地形而言 ,手工纹理贴图是不实际的。Terrain Pro提供给你以前所未有的速度 ,生成照片般的大地数据库。将大地的经纬参数赋予纹理 ,并自动完成纹理贴图。其特点 :用于图像数据合成的 Mosaic工具 ;图像的地理特征编码及自动贴图 ; SGI裁剪分片纹理 ;用于准确图像 /地形数据库映射的映射图像变形 ;自动 M ipMap (多解析度图像表达 )生成。

    3 Vega Prime显示技术

    Vega Prime是专门应用于实时视景仿真虚拟现实等领域的渲染软件环境 ,它用来对战场仿真、娱乐、城市仿真、训练模拟器和计算可视化等领域的视景数据库 ,实现环境效果等的加入和交互控制。Vega Prime 构建在 VSG (Vega Scene
面 Lynx Prime和一系列可调用的、用 C + +实现的库文件、头文件。Vega Prime的大地理管理模块 (LADBM )支持分块索引技术 (场景分割 ) ,可以有效提高大场景的漫游效果。另外支持多分辨率纹理贴图 (m ipmap纹理 )技术。

    大地理管理 (LADBM)通过动态换片的方式来优化和组织大型的数据库 ,从而保证系统运行时的高性能。MetaFlight用于描述组成大地形数据库的数据集 ,便于应用程序执行换页策略来使用地形数据库的相关部分。MetaFlight使用网格拓扑来作数据库文件与地理位置的映射。Coverage代表了一个矩形的地理区域 , Grid Structure定义了 Coverage的划分 ,每一个块根据 Filename Pattern对应磁盘上的一个文件 ,这个文件就是在 Creator中产生的 1flt格式的数据库文件。在MetaFlight文件的树型结构中 ,相应有 Coverage、GridStructure、GridDataset节点来描述 上述 内 容。为 了 提供 定 位 信息 ,MetaFlight对坐标系统进行了描述。有本地 ( local)、投影(p rojected)、地心 ( geocentric)、测地 ( geodetic)四种坐标系统。

    本地坐标系统不参考地理位置 ,用于车辆、飞机等模型。投影坐标系统是根据算法将地球投影到平面上形成的坐标系统 ,比如地图上所采用的坐标系统。投影方式有 UTM, Lambert Conformal Conic, Steroegraphic, A lbers Equal A rea,Multigen Flit Earth和 Trpezoidal,不同的投影方式在不同地理区域的投影精度不同地心坐标系统是一个三维的迪卡尔系统 ,其原点在地球中心 ,用 X, Y, Z三个轴来描述地理位置。测地坐标系统通过经纬度来描述地理位置。

    4 应用实例

    本实例目标是建立某矿三维地形 ,达到良好的漫游效果。

    软件为 MultiGen - Paradigm公司的 Creator和 Vega Prime,硬件为 hp公司的 xw6000工作站。

    数据的组织和收集 , Creator Pro的高程数据格式为 DED,必须将数据格式转换为 DED,才能在 Terrain Pro里面建立三维地形。本实例基础数据来源于平煤集团大庄矿地面部分地形图 ,将地面的地形图扫描以后 ,在 A rc Info里面配准 ,采集上面的离散高程点。在 A rc Info的 3D Analyst模块建立不规则三角网 TIN,利用 A rcTools的 TIN to Raster工具转换 TIN为grid格式文件 ,同样在 A rcTools里面 ,转换为 USGS格式的DEM。但是 , Creator Pro并不能识别 A rc Iinfo转出的 USGS格式的 DEM数据。为此 ,可通过其他的转换软件 ,转换为 Creator Pro能够识别的 DEM数据。Creator提供了 DED Builder工具 ,可以将美国地质测量局 (United States Geological Survey,USGS)的 DEM ( 3 1dem)、GTOPO3O ( 3 1hdr)、SDTS ( 3 1cel,3 1ddf)和美国图象地图局的 DTED 格式转换为 DED格式。

    建立测试地形。建立 DED数据后 ,可以在 Terrain Pro模块里面建立三维地形。针对大庄矿的数据 ,采取了 Delaunay算法建立测试地形。建立三个层次的 LOD,用建立的地形数据试运行 ,检查每一个层次细节的错误 ,看运行是否平滑 ,有无异常和洞的存在。在精度能满足要求的情况下 ,尽量减少多边形的数目 ,对 Multigen的层次数据结构适当重排 ,设置适当的 LOD等。

    Terrain Pro用 Project统一管理各种资源 ,测试完成以后 ,设置的各项参数也保存下来 ,然后就可以建立完整的数据库了。与建立测试数据库不同的是数据量的大小。在 vega p rime下对地形进行渲染 ,首先创建一个描述数据结构的 MetaFlight文件。然后为每个 GeometryGridDatase创建一个对应的 vpLADBMGeometryGridDataset附着在场景中 ,它参考 Geom tryGridDataset。最后创建一个 vpLADBMPagingStrategyPoint,将参照者设为 observer。并将 vpLADBMGeometryGridDatase加到它上面 ,如果多个换页都围绕 eyepoint进行 ,则把所有的都加到它上面。

    5 结 语

    依据真实数据生成地形 ,有很重要的意义 ,本文介绍了地形生成的相关技术 ,探索了一种大规模地形的生成方法。取得了很好的漫游效果。这种方法采用的软件是 Multigen公司的 Creatro和 Vega Prime。在这一基础上 ,近一步工作 ,建立包含文化特征数据的地形 ;近一步开发 ,可以实现部分 GIS分析功能等。
  
    参考文献 : (略 )

    作者简介 :古伊 (1979 - ) ,女 ,江苏南京人 ,硕士研究生 ,主要研究方向 :地籍测量及房地产管理、地理信息系统。

标签:CreatorVegaPrime地形煤矿
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