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基于虚拟环境的黄河仿真系统构建
2015年11月19日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:刘桂芳,卢鹤立,孙九林,秦耀辰,许叔明
    单位:河南大学资源与环境研究所
        河南大学环境与规划学院 
        中国科学院地理科学与资源研究所

    摘要 :虚拟现实的产生和发展无疑为加强地理科学研究提供了强大的手段和方法上的支持。本文从虚拟环境的角度出发 ,给出了一个黄河仿真系统的建设方案 ,它包括数据源、三维仿真地形库、三维仿真模型库、三维仿真虚拟实现四大模块。然后详细探讨了黄河仿真系统的关键技术 : 

    ① 通过对三维图形开发工具 OpenGL 的原理、实现功能等的分析 ,提出了在黄河仿真系统建设中 OpenGL 技术的具体应用实现方法 ,实现了实时动态漫游 ; 

    ② 基于 MultiGen Creator 的真实感三维模型建设 ;

    ③ 利用 OpenGL 和 MO 来实现三维场景与二维电子地图的互响应 ;

    这充分发挥了三维场景与二维电子地图各自的优势 ,有机地结合了三维虚拟场景的直观性、现实性、局部性和二维电子地图的宏观性、整体性、简洁性的优点 ,同时又克服了三维虚拟场景漫游的方向迷失感和二维电子地图的抽象多义性。

    1 引言

    虚拟现实 (Virtual Reality ,简称 VR) 的概念是在20 世纪 80 年代由 VPL 公司的奠基人、美国计算机科学家Jaron Lanier 正式提出的[1] 。虚拟现实是表示人在某种虚拟环境中的在场感觉(presence) ,或远距离在场感觉 (tele2presence ) (如远距 离 控 制 或 操作)[2 ,3] 。虚拟现实系统的主要特征可以概括为 3 个“I”,即 Immersion Interaction Imagination (沉浸 - 交互- 构想) (图1) 。


图1 虚拟现实三角形
Fig.1 Virtual Reality triangle

    沉浸是使人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中 ;交互是人能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用 ;构想则是人有可能从综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化概念和萌发新意。3I 强调了在虚拟现实中人的主导作用 ,就是要使计算机及其他传感器所组成的信息处理系统去尽量满足人的需要[4~7] 。

   从计算机技术的角度来说 ,虚拟现实技术是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、运动等行为的人机界面技术[8 ,9] 。通过头盔式的三维立体显示器、数据手套、三维鼠标、数据衣、立体声耳机等 ,使人能完全沉浸在计算机创造的一种特殊三维图形环境 - 虚拟环境中 ,并且可以在这种环境中进行操作和控制 ,实现特殊的目的[10 ,11];虚拟环境具有多感知性 (视觉、听觉、力觉、触觉、运动等) , 投入感(Immersion) ,交互性 ( Interaction) ,自主感 (Autonomy)等重要特征。

    利用虚拟环境 ,不但能够在多维数据空间仿真建模 ,而且能够帮助人们获取高层次的知识和形成新概念。虚拟环境的产生和发展无疑为加强地理科学研究提供了强大的手段和方法上的支持。在此环境中

    人们可以寻找不同数据集之间的关系 ,感受数据所描述的环境 ;通过人与虚拟环境的交互还可以分析不同组成部分之间的关系和相互作用的规律 ;还可以利用虚拟环境对时过境迁的系统现象进行回放 ,对系统的发展和演化进行模拟。

    随着流域人口的增加和社会经济的快速发展 ,黄河承载的压力日益增大。以 20 世纪 70 年代末至90 年代下游持续断流时间越来越长为标志 ,黄河流域生态系统呈现出整体恶化的趋势[12~14] 。本研究所开发的基于虚拟环境的黄河仿真系统可以在黄河流域的规划设计、决策支持以及环境保护等方面发挥直接的作用。

    2 黄河仿真系统总体设计

    2.1 总体方案设计

    图 2 是黄河仿真系统的总体技术方案。黄河仿真系统包括数据源、三维仿真地形库、三维仿真模型库、三维仿真虚拟实现四大模块。数据源要完成的工作包括 :DEM 地表高程数据的准备、地表地理要素矢量数据的准备、地理纹理数据的准备、场景中各种三维模型数据的准备和各种模型纹理数据的准备。


图2 黄河仿真系统的总体技术方案框图

    三维仿真地形库主要是构建三维仿真场景。三维仿真模型库主要是完成三维模型的建造。三维仿真虚拟实现主要是实现三维场景和三维模型的导入和管理、实现三维场景的各种交互操作和实现三维场景与二维电子地图的互响应。

    2.2 数据及工具软件的选取

    黄河仿真系统的数据源包括 30m 分辨率的河南沿黄地区 ETM + 遥感影像图 (2006 年 9 月) 、1∶5万的河南沿黄地区 DEM 高程数据、河南沿黄地区数字化地图、城市规划图与城市建筑物设计图以及黄河纹理图片、模型纹理图片。数据处理软件包括 :ESRI ArcGIS911、ArcView 3.2、ERDAS IMAGE 816、MapInfo 710、Terra Vista 412、Multigen Creator 2.511 和Adobe Photoshop 710 等。

    黄河仿真系统系统基于 OpenGL 2.0 图形标准 ,使用 MO 2.2 地图控件 ,利用 Microsoft Visual C + +6.0 编程语言开发 ,本工作主要完成河南地区黄河仿真系统的建设。

    3 关键技术分析

    3.1 投影变换

    要完成黄河仿真系统中的三维空间漫游 ,首先要完成三维空间到二维平面的变换。在 OpenGL中 ,变换部分是显示模块的核心部分 ,这一部分将三维坐标系转换成可以在显示器上显示的二维坐标系[15 ,16] 。根据图形学的定义 ,从三维空间到二维平面 ,需要经过如下几步变换 : 视点变换 (Viewing Transformation) 、模型变换 (Modeling Transformation) 、投 影 变 换 ( Projection Transformation ) 、视 口 变 换(Viewport Transformation) 。经过以上四步变换 ,一个三维空间里的物体就可以用相应的二维平面物体表示 ,也就能在二维的计算机屏幕上正确显示。从三维空间到二维平面的变换流程如图3 所示。


图 3 三维空间到二维平面的变换流程图
Fig.3 OpenGL transformation flow chart

    3.2 三维漫游功能实现

    在黄河仿真系统中 ,视点是人眼的“化身”,其功能与现实世界的照相机类似 ,三维漫游实际上就是通过不断移动视点或改变视线方向而产生的三维绘制过程。因此仿真系统需要通过不断改变视点的位置来实现三维场景的漫游。键盘漫游和路径漫游是黄河仿真系统中两种典型的漫游方式(图 4) 。


图4 黄河仿真系统中两种典型的漫游方式

    (1) 键盘漫游。键盘漫游就是用户通过操纵计算机键盘来实现在黄河仿真系统中的任意漫游。键盘漫游可以灵活、准确地对场景进行全方位观察。根据三维场景漫游的原理 ,键盘漫游的过程就是一个根据键盘漫游命令连续不断改变视点位置或视线方向并同时渲染场景的过程。

    通常键盘漫游命令包括 :左转、右转、前进、后退、上升、下降、仰视、俯视、左移、右移。假设使用的是 Z 轴朝上的左手坐标系 ,则 Z 值代表场景的高度 ;当运行左转、右转、仰视、俯视命令时 ,视点均保持不变 ,只改变视线方向 ;前进、后退时将视点分别沿视线方向、视线反方向移动一定距离 ;上升、下降时则只增、减视点高度值 ;左移、右移时将视点进行平移 ,视线方向保持不变。

    (2) 路径漫游。路径漫游就是通过播放预先编辑并设置好的漫游路径的方式来实现黄河仿真系统中的漫游。路径漫游通过鼠标点取控制点 ,设置过程如下 :首先在场景窗口中 ,由用户使用鼠标点取一系列控制点 ,并指定每个控制点的高程及飞行速度 ,然后把设备坐标转换到逻辑坐标 ,得到一个空间逻辑坐标的控制点序列。漫游路径是由这些控制点插值后得到的三维空间中的一条曲线。

    3.3 真实感三维模型建设

    虚拟场景模型是整个实时仿真系统的基础 ,模型的好坏 ,直接影响运行的效率和场景的逼真度。建模技术从线框模型、面元模型 (曲面、实体以及混合建模) 经历了一个迅速发展的过程。体元建模技术能够支持产品的快速成形、体元分析和动态仿真等 ,能够满足虚拟现实技术沉浸、交互、构想 (3I) 的要求。在黄河仿真系统中 ,选用MultiGen 公司的 Creator 软件来进行三维模型建设。

    在建模中 ,首先根据建筑物的几何参数 ,在 Creator 中通过调整物体表面的点或线 ,采用拉伸、旋转、变换、曲面造型、组合物体等方式先建立基本的轮廓 ,然后将细节度要求高的局部用 Creator 的 isolate 命令将它独立出来 ,用 3DMax 和 Maya 辅助 Creator 建模。
  
    受到模型精细程度的限制 ,仿真系统的真实感很大程度上要靠纹理来体现 ,所以纹理贴图在模型中占据着非常重要的地位。本文首先使用数码相 机 拍 摄 实 际 纹 理 , 然 后 借 助Photoshop 等图像处理软件进行处理 ,以 TIFF 或JPEG 格式存储。处理后的图片由模型纹理库统一管理 , 方便Creator 调用。在黄河仿真系统中先后生成了 500 多张纹理贴图。

    纹理贴图也能减少很多不必要的多边形 ,从而减少三维建模的工作量。在黄河仿真系统的建设过程中 ,通过引入纹理贴图来完成城市的标志性建筑物 ,减少了约 50 %的工作量 ,而且效果非常好。图 5 是黄河仿真系统中一个三维模型建设的实例。


图 5 黄河仿真系统中的三维模型

    3.4 三维场景与二维电子地图的互响应

    三维虚拟场景与二维电子地图之间的互响应思想早在三维虚拟军事训练中就得到了广泛的应用。三维虚拟军事训练时 ,为了解决士兵在三维空间中漫游造成的方向迷失感 ,常常加入二维地图以弥补其不足。此外 ,三维虚拟场景与二维电子地图的互响应思想在交通智能导航系统和一些电子游戏中都有着广泛的应用。

    本文中三维虚拟场景与二维电子地图之间的互响 应 是 通 过 把 OpenGL 与 MO(MapObjects) 地图控件相结合来实现的。
 
    在使用 MapObjects 进行系统开发时 ,首 先 将 MapObjects 控 件 添 加 到VC + + 程序中 ,同时引用相应的类 ,如 CMoRectangle 对 应 于 方 框 类 ,CMoLine 对应于线条类 ,CMoLayers 对应于图层类 ,CMoRecordSet 对应于数据记录类 ,CMoFields 对应于数据字段类等[17 ,18] 。通过调用 MapObjects 控件的方法、事件和属性及相关的类 ,可以实现电子地图的缩放、漫游等功能。例如 :

    case ZoomIn : ∥将选中的区域放大

    { CMoRectangler ( m- map.TrackRectangle ( ) ) ; ∥m- map 为对应于 MapObjects 控件的变量

    if (LPDISPATCH (r) ) ∥r 对应为所选择的区域

       m- map. SetExtent ( r) ; ∥SetExtent 方法将 r 对应的区域放大显示

       break ; }

    case Pan ; ∥平移地图

    { m- map. Pan () ; ∥Pan 方法将地图平移

    break ; }

    黄河仿真系统中三维虚拟场景与二维电子地图之间互响应的实现步骤如下 :首先用 OpenGL 的选择 (select) 、拾取(pick) 和反馈 (feedback) 等命令来实现在三维场景中的选择定位功能 ,然后通过前述的三维空间与二维平面地图的投影变换 ,计算出三维物体在二维平面地图中的空间位置 ;通过把空间位置与 MO 的动态图层结合 ,可以在平面电子地图上以小飞机的形式指明三维空间的具体方向和方位 ,从而实现三维空间与二维电子地图的同步显示。图 6 是黄河仿真系统中三维场景与二维电子地图的互响应的一个场景。


图6 黄河仿真系统中三维场景与二维电子地图的互响应的一个场景

    4 结论和展望

    (1) 给出了一个黄河仿真系统的建设方案 ,并详细探讨了实现过程中需要解决的关键技术问题。该集成系统在黄河流域的规划设计、决策支持以及环境保护等方面可以发挥直接的作用 ,并将在城市规划和建设、城市交通管理、城市仿真领域、大型工程浏览、军事指挥和测绘部门有一定的实用价值。

    (2) 通过对三维图形开发工具 OpenGL 的原理、实现功能等的分析 ,提出了在黄河仿真系统建设中OpenGL 技术的具体应用实现方法 ,实现了实时动态漫游显示。基于 Creator 的真实感三维模型建设能够较好的处理完成仿真系统中效率和显示效果之间的关系。

    (3) 利用 MO 实现三维场景与二维电子地图的互响应 ,充分发挥了三维场景与二维电子地图各自的优势 ,有机地结合了三维虚拟场景的直观性、现实性、局部性和二维电子地图的宏观性、整体性、简洁性的优点 ,同时又克服了三维虚拟场景漫游的方向迷失感和二维电子地图的抽象多义性。

    (4) 随着宽带网技术的快速发展 ,三维在网络的应用成为可能。但是对于大数据量的黄河仿真系统 ,现在还难以得到应用。但以后的网络速度将不再是制约三维网络 (Web3D) 发展的一个瓶颈 ,所以基于网络的黄河仿真系统也是一个值得研究的问题。基于 VRML (虚拟现实建模语言) 与 JAVA 的混合编程和基于 JAVA3D 的编程将是新的技术方向 ,也是下一步工作的重心。

    参考文献 ( References) :

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    [3] Steuer J. Defining virtual reality : Dimensions determining telepresence. In :Biocca F , levy M ,eds. Communication in the Age of Virtual Reality [M]. Broad Way :Lawrence Erlbaum Associates ,Publishers ,1995.

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标签:环境黄河GIS地理
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