（交通运输规划与管理专业论文）铁路线路虚拟现实的研究与实现.pdf

摘要 摘要 本文较为全面地分析了铁路工务信息化中存在的主要问题，指出 随着工务信息化的深入，目前一维或二维的信息表示方式已不能满足 工务部门对数据可视化、仿真模拟、决策分析等方面日益增长的需求， 对三维数据的研究与应用已成为工务信息化的发展趋势。虚拟现实技 术作为种崭新的综合性信息技术，利用三维数据构建相应的虚拟环 境，将能满足上述需求。 本文将探索把虚拟现实技术引入铁路线路的管理中，通过建立线 路及桥隧设备的三维模型，形成一个仿真的、可交互的铁路线路虚拟 场景，并进行信息集成，实现工务线路及桥隧设备的查询、管理、维 护和辅助决策支持等功能。在文中，针对传统地形数据建模方法所存 在的投资大、精度低、建设周期长、维护困难等不足提出利用工务设 备台帐数据库自动生成线路三维模型的新思路以及线路场景实时生 成与交互方面的新观点。论文的研究成果于2 0 0 4 年9 月在乌鲁木齐 铁路局推广应用，是乌鲁木齐铁路局工务地理信息系统的组成部分。 关键字：铁路工务信息化；虚拟现实；三维建模；d i r e c t3 d a b s t r a c t a b s t r a c t o nt h eb a s eo fa c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s0 1 - fs o f t i ei m p o n a mp r o b l e m s i nr a i l w a ye n g i n e e r i n gd e p a r t m e n ti n f o r m a t i o n i z a t i o n ，t h i st h e s i sp o i n t s o u tt h a tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yi n f o r m a t i o n i z a t i o n ，t h e1 da n d 2 dc a n n o tm e e tt h er e q u e s to fr a i l w a ye n g i n e e r i n gd e p a r t m e n ti nd a 招 v i s u a l ，s i m u l a t i o n ，d e c i s i o ns u p p o r te t c t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f 3 dd a t ah a sb e e nt h ed e v e l o p m e n tt r e n d a san e w i n t e g r a t e di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，v i r u a tr e a l i t y c a l lm e e tt h o s e r e q u i r e m e n t sb y v i r t u a l e n v i r o n m e n tt h a t3 dd a t ac o n s t m c t v i r t u a lr e a l i t yw i l lb ec o m b i n e dw i t ht h em a n a g e m e n to f r a i l w a yi n t h et h e s i s ，as i m u l a t e di n t e r a c t i v er a i l w a yv i i a u a ls c e n ew i l lb er e a l i z e db y b u i l d i n gt h e3 d m o d e lo fr a i l w a yl i n ee q u i p m e n t sa n db r i d g ea n dt u n n e l e q u i p m e n t s t h ef u n c t i o n s t o i n q u i r y , m a n a g e ，m a i n t a i n a n dd e c i d e s u p p o r tf o rr a i l w a yl i n ee q u i p m e n t s a n d b r i d g ea n d t u n n e le q u i p m e n t sw t l b er e a l i z e d b y i n f o r m a t i o n i n t e g r a t e d i n t h i s t h e s i s ，a i m i n g a tt h e d i s a d v a n t a g eo f t r a d i t i o n a ld a t am o d e l i n gm e t h o di nh i g hi n v e s t m e n t ，l o w p r e c i s i o n ，l o n gb u i l dp e d o o , d i f f i c u l tm a i n t a i n ，t h ef l e wv i e w p o i n t i n m a k i n gu s eo fe l l g i n e e r i n gd e p a r t m e n ta t t r i b u t ed a t a b a s et o a u t o - r e a l i z e r a i l w a y3 dm o d e l ，p r o d u c i n gr a i l w a ys c e n ei nr e a lt i m ea n di n t e r a c t i o na r e p u r p o s e d ，r e s e a r c hr e s u l t so ft h et h e s i sw e r ep o p u l a r i z e da n da p p l i e dt o u r u m c h i r a i l w a yb u r e a u a so n e c o m p o n e n t o fe n g i n e e r i n gg e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e mi ns e p t e m b e ro f2 0 0 4 k e yw a r d s - r a i l w a ye n g i n e e r i n gd e p a r t m e n ti n f o r m a t i o n i z a t i o n ； v i r t u a lr e a l i t y ；3 d m o d e l i n g ；d i r e c t3 d 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得北京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 本人签名： e t 期：年一月一目 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 工务信息化的发展现状和不足 近些年来，铁路工务部门的信息化建设已初具规模。早在2 0 世纪 8 0 年代末，就开始采用f o x p r o 数据库管理设备台帐，实现了线路设备 和桥隧设备的规范化管理。9 0 年代，开发了线路设备综合图绘制系统， 网络版铁路工务管理信息系统( 简称p 1 ；m i s ) 等，在工务设备台帐管 理规范、台帐编辑、汇总、报表管理等方面有了新的提升。这些信息 系统为工务部门的管理做出了重要贡献。 但是，目前已建的管理信息系统仍不能满足工务生产的实际需要， 存在着如下不足： ( 1 ) 信息表达效率低 现有的各种m i s 以文本信息为主，图形管理较弱，电子地图、三 维模型等空间数据的处理与应用还远远不能达到要求。 ( 2 ) 众多“信息孤岛”限制了信息的综合利用 目前已有的大量信息分散、孤立，一方面是因为各管理信息系统 建设时，没有进行全路范围内的统一规划，采用不同的平台和设计方 案，阻碍了信息共享：另一方面，许多管理信息系统可扩充性差，不 能兼容多种形式的数据，以至于信息集成度低。 ( 3 ) 数据分析和决策支持功能远不能满足需求 现有信息系统的建设目标往往是以完成铁路的基本业务为主，缺 乏决策支持功能。如能对已有的信息进行深入分析和挖掘，将会为工 务生产活动提供有力的决策支持。 绪论 1 1 2 工务现有的信息表示方式 线路及桥隧设备是铁路的基础设施，直接影响到铁路运输的安全 与效率。工务部门主要负责线路及桥隧设备的养护和维修工作，需要 关于设备状态及设备分布等方面的详尽信息。目前，工务部门的主要 信息表示方式有： ( 1 ) 数据表格 这是传统的信息表示方式，能够精确、全面地描述铁路线路及桥 隧设备；但是表示方式抽象、不直观、效率低。 ( 2 ) 管界图 有多种比例尺和不同的介质形式，便于从总体上把握线路及桥隧 设备的分布情况，适合大范围基于空问的查询，较为直观。 ( 3 ) 线路设备综合图 属于半抽象的图文方式，相对于数据表格和管界图查询更方便， 也较为直观；但使用专业符号，只能局限于专业技术人员使用，而且 平面形式缺乏临场感。 ( 4 ) 录像 最大的优点是能够真实地反映线路及周边情况；但视野范围固定 有限，实现交互也较为困难。另外，因制作的工作量大，不易于更新、 维护。 1 1 3 虚拟现实概念 虚拟现实，英文为v i r t u a lr e a li t y ，简称v r ，是近些年来计算 机世界的热点之一，在社会生活的许多方面有着非常广阔的发展前景。 虚拟现实是指利用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉 或嗅觉的感官世界，并可借助一些专业设备，如传感头盔、数据手套 等让用户进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，实时感知和操作虚 拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的真实感受与立体的、交互 绪论 的、动感的强烈震撼。某种角度上，也可以把它看成一个高级的交互 界面，人们可阻通过视听触等信息感受到设计者的思想。1 。虚拟现实 的应用领域十分广泛，它开始于军事领域，丑前，己遍及到商业、医 疗、建筑设计、娱乐、教育和通信等诸多领域。 1 1 4 研究铁路线路虚拟现实的必要性 工务部门目前常用的几种信息表示方式都属于单一、抽象的一维 或二维形式，随着铁路信息化的发展进程，在表达效率、综合利用以 及决策支持上都有一定的局限；另一方面，工务部门的办公数据、业 务数据都具有显著的空间特点，对数据可视化、仿真模拟、空间分析 等方面的需求在日益增加，因此，三维数据的研究与应用对工务部门 信息化的下一步发展尤为重要。 美国副总统戈尔于1 9 9 8 年1 月3 1 日提出了“数字地球”( d i g j i t a l e a r t h ) 的概念，即一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维 的地球的表示，可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的数据， 这一概念引起了各国政府、各行业的高度重视，铁道部在“十五”信 息化规划中也提出了对“数字铁路”进行理论研究，为铁路信息化的 进一步发展指明了方向。 数字铁路是建立在铁路信息基础结构上的把铁路车、机、工、电、 辆、行政指挥、运营管理等各部门的海量的动态和静态的、多分辩率、 三维的数据按统一的地理坐标集成起来，这一信息以动静结合、具有 高度沉浸感和临场感、交互方便的特性及表现方式展现在用户面前， 使得遍布全屋的庞大的铁路系统真实地莛现绘各级决策者，为决策及 生产指挥提供依据。而虚拟现实恰恰是通过构建三维场景，为人们提 供具有高度沉浸感以及和谐友好的交互的虚拟环境，虚拟现实技术是 实现数字铁路的关键技术之一。 绪论 1 1 5 铁路线路虚拟现实的优势 铁路线路虚拟现实与目前工务部门常用的信息表示方式相比，在 以下几方面具有突出的优势： ( 1 ) 可视性与临场感 利用图形、图像表示信息，可以使人迅速抓住问题的主旨，并且 在反映错综复杂的关系方面，也最为直观、高效。仿真的线路三维场 景相对于抽象的线路综合图更接近予现场的实景，使用者可以获得亲 临现场的感觉，与数字和文字的信息表示方式相比，其方便、直观更 是不言而喻。 ( 2 ) 交互 铁路线路虚拟现实能为使用者提供一个和谐的虚拟交互环境，通 过输入设备，使用者不仅能在场景中自由移动、旋转，灵活观察线路 及桥隧设备，而且能获得各种设备的相关信息，改变了传统信息表示 方式的枯燥、被动、形式单一等不足。 ( 3 ) 信息整合 利用三维场景作为平台，集成多种形式的信息，包括：文本信息、 表格信息、视频信息、照片及声音信息等等，为设备管理、维护提供 更丰富、更全面的资料，并在一定程度上解决了信息的综合利用问题。 ( 4 ) 辅助决策 依照用户的需求对三维空间数据以及所集成的大量信息进一步分 析、挖掘，将分析的结果在三维场景中进行模拟演示，从而辅助工务 部门的决策。 1 1 6 国内外研究现状 ( 一) 国外研究 虚拟现实技术的发展大致可分为三个阶段”“ 绪论 第一阶段，5 0 7 0 年代，为虚拟现实的探索阶段。1 9 6 5 年由美国 的m o r t o nh e i l e g 开发了一个称做s e n s o r a m a 的摩托车仿真器，不仅具 有三维视频及立体声效果，还能产生风吹的感觉和街道气味。1 9 6 8 年， 美国计算机科学家i e s u t h e r l a n d 在哈佛大学组织开发了第一个计 算机图形驱动的头盔显示器 呦及头部位置跟踪系统，成为v r 技术发 展史上的一个重要里程碑，为虚拟现实的发展奠定了基础。 第二阶段，8 0 年代初至8 0 年代中期，开始形成虚拟现实基本概 念，开始由实验进入实用阶段，其重要标志是：1 9 8 5 年在m i c h a e lm c g r e e v y 领导下完成v i 明虚拟现实系统，装备了数据手套和头部跟踪 器，提供了手势、语言等交互手段，使v i e w 成为名副其实的虚拟现实 系统，成为后来开发虚拟现实的体系结构。其他如v p l 公司开发了用 于生成虚拟现实的r b 2 软件和d a t ag l o v e 数据手套，为虚拟现实提供 了开发工具。 第三阶段，8 0 年代末至9 0 年代初，为虚拟现实全面发展阶段。 虚拟现实技术已经从实验室的试验阶段走向了市场的实用阶段，对它 的研究也从基本理论和系统构成转向应用中具体问题的探讨。 ( - - ) 国内研究 我国对虚拟现实技术的研究起步于2 0 世纪8 0 年代末，处于初级 阶段”1 ，和一些发达国家相比还有一定的差距，但已引起政府有关部 门和科学家们的高度重视，“九五”攻关计划、国家8 6 3 计划、国家 自然科学基金会等都把对虚拟现实的研究列入了资助范围。各大高校 也开展了对虚拟现实相关技术的研究，如清华大学的临场感应技术重 点实验室、北京航空航天大学的三系、中国民航学院、浙大计算机仿 真重点实验室、空军第二航空学院、空军工程学院和解放军信息工程 大学等，已初步取得了成果。 铁路线路虚拟现实的关键技术之一就是三维建模，这是构建虚拟 环境、进行人机交互的基础。目前，国内在道路( 公路和铁路) 三维 建模方面开展了大量研究，为铁路线路虚拟现实的研究提供了宝贵思 路。其中常用的思路是：首先建立线路经过地区的三维地形模型，再 绪论 利用平面、纵断面、横断面及桥、隧、路基等数据建立线路三维模型， 最后将这两个模型拼合在一起形成铁路线路三维景观模型。但是，在 三维地形模型建立算法或两个模型拼合算法上有所区别。如：文献 7 阐述了地表曲面模型和线路曲面模型的建立方法，但尚未论及如何将 两个模型拼合成整体模型的问题；文献 8 探索建立公路三维模型的 方法，对于公路路基面模型与地表面模型的拼合计算归纳为线与面、 面与面、面与网的相交等几种情况分别处理。文献 9 在地形三维建模 上，采用方格网数模，其精度较低，数据结构不适合于不规则的地面 表达，据冗余大，这会影响动态三维可视的效率。文献 1 0 采用 d e l a u n a y 三角网构建地形模型，提出“三角网裁剪算法”，通过先计 算拼合交线，再将交线入网，生成约束三角网，最后删除交线区域内 三角形的方法，解决两个模型的拼合计算问题。文献 1 1 根据相邻横 断面构造三角两模型，然后再与数字地面模型t i n 建立整合模型，但 是未采用约束d e l a u n a y 三角网理论；线路模型和地形模型间没有任何 拓扑关系，只是表面上整合在一起，其实两者问是割裂的。 这种思路都需要利用航测或外业勘测地形数据，而目前，大多数 铁路线路都不具有，无论是向国家测量部门购买，还是由铁路部门自 行测量，都需要花费大量的人力、物力，并且建设周期长，此方法无 法适用于所有的线路建模。另外，以上文献多是研究铁路选线设计问 题，建立三维模型主要是为了展示设计完成后的效果，进行方案选优 等，而不是立足于工务线路管理，既不能获得各种信息，也无法为线 路管理、维护、决策提供支持。 1 2 研究铁路线路虚拟现实的意义 铁路线路虚拟现实的研究与探索将使工务信息化进入一个崭新的 阶段，同时也会对虚拟现实本身的研究起到一定的推进作用。 ( 1 ) 铁路线路虚拟现实将提升工务线路及桥隧设备管理的层次 在计算机软硬件技术快速发展的今天，工务信息化建设也随之不 断提高要求，更新技术。把虚拟现实技术引入铁路线路的管理中，将 绪论 在很大程度上改变原有的以文字、数据、符号以及平面图为主要手段 的管理方式，而通过与三维仿真场景交互的方式，使管理技术人员更 直观的掌握线路及桥隧设备的空间位置关系，同时能综合利用信息， 更全面、细致地获知设备的情况以为决策提供支持。 ( 2 ) 为管理技术人员提供便捷直观的工具 目前，管理技术人员使用的工具大多存在着交互性、可视性差， 操作不方便，界面不友好等缺点，迫切需要更为直观高效、功能更强 大的工具，而铁路线路虚拟现实能为管理技术人员提供一个较为和谐 的人机交互环境，使用者不再是被动性地观看，而是通过简单的操作， 轻松控制场景，既能够沉浸在线路的场景中，获得亲临现场的感觉， 又可以方便快捷地获取信息。 ( 3 ) 为铁路工务空间数据库建设提供三维数据资源 由于信息技术的制约，工务空闻数据库的建设远远不能达到要求 “”，尤其三维数据的建设往往受采集困难、维护代价高、购买价格昂 贵等因素的限制，而通过研究铁路线路虚拟现实，探索线路及桥隧设 备的三维建模技术，寻求解决工务三维数据获取、维护的有效方法。 1 3 研究的重点难点问题 综上所述，为推进工务信息化的发展，本论文将探索把虚拟现实 技术引入铁路线路的管理中，通过建立线路及桥隧设备的三维模型， 形成一个仿真的、可交互的铁路线路虚拟场景，并进行信息集成，实 现对工务线路及桥隧设备的查询、管理、维护和辅助决策支持等。 虚拟现实的基础就是逼真的三维场景，采用传统测绘部门的地形 数据在全路范围内制作数字地面模型以及设备三维模型存在着投资巨 大、精度不足、建设周期长、维护困难等问题。所以，尽管很多研究 单位都在进行这方面的探讨和尝试，但铁路三维模型的建设和使用并 没有得到推广。针对此不足，探索兼顾实用性、经济性和可操作性的 三维建模新思路将作为本文的工作重点之一。 虽然，随着计算机技术和相关技术的发展，已经为虚拟现实的研 绪论 究提供了物质和技术基础，但是，目前虚拟现实技术尚处在开拓时期， 还存在着很多难以克服的理论与技术障碍，如硬件对图形的处理还不 能令人满意：复杂图形的绘制速度不够理想，这都将会对虚拟场景的 实时生成与交互产生诸多限制。本论文将在深入研究虚拟现实的相关 理论与实现技术的基础上，结合铁路线路及桥隧设备的实际情况，在 线路场景实时生成与交互方面提出新观点。 另外，铁路线路虚拟现实服务于工务管理，那么相关信息的查询 显示就尤为重要，如何在三维场景平台上整合信息，以实现快捷地信 息查询与显示也将是本文讨论的难点之一。 最后，在各章节研究的基础上，介绍铁路线路虚拟现实在乌鲁木 齐铁路局的应用情况。 虚拟现实技术 2 虚拟现实技术 2 1 虚拟现实技术概述 虚拟现实技术“，又称灵境技术，从9 0 年代起为科学界和工程界 所关注，是近年来发展最快的信息技术之一，与多媒体技术、网络技术 并称为三大前景最好的计算机技术。它融合了数字图像处理、计算机 图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，是一种有效 的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术“。虚 拟现实技术的兴起为人机交互界面的发展开创了新的研究领域：为智 能工程的应用提供了新的界面工具：为各类工程的大规模的数据可视 化提供了新的描述方法。 2 2 虚拟现实技术的基本特征 虚拟现实技术具有以下三个基本特征“”1 ： ( 1 ) 沉浸性( i m e r s i o n ) 。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听 觉、触觉等感官的生理、心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图 像。使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身 于虚拟环境中，获得身临其境的感觉，能够与虚拟环境中的各种物体 象在现实世界中的一样相互作用，例如当使用者移动头部时，虚拟环 境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运 动，而且还可以听到三维仿真声音等等。 ( 2 ) 交互性( i n t e r a c t i o n ) 。虚拟现实系统中的人机交互是一 种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互， 而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根 据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像 及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能 对虚拟环境中的对象进行考察或操作。 虚掇现实技术 ( 3 ) 多感知性( m u l t i i m a g i n a t i o n ) 。由于虚拟现实系统中装 有视、听、触觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获 得视觉、听觉、触觉等多种感知，从而达到身牦其境的感受。 2 3 虚拟现实系统的分类 按照功能的不同，虚拟现实系统可分成三种类型“”： 沉浸型。沉浸型虚拟系统是一套比较复杂的系统。使用者必须头 戴头盔、手戴数据手套等传感跟踪装置，才能与腹拟世界进行交互。 由于这种系统可以将使用者的视觉、听觉与外界隔离，因此，用户可 排除外界干扰，全身心地投入到虚拟现实中去。这种系统的优点是用 户可完全沉浸到虚拟世界中去，但是系统设备价格昂贵。 桌面型。桌面型虚拟现实系统由一台普通的计算机系统组成，计 算机的屏幕作为观察虚拟境界的窗口，使用者通过键盘、鼠标便可与 虚拟环境进行交互，就能真实地感受到所虚拟的情景。这种系统的特 点是结构简单、价格低廉，经济实用j 共享型。共享型虚拟现实系统是利用远程网络，将异地的不同用 户联结起来，共享一个虚拟空间，多个用户通过网络对同一虚拟世界 进行观察和操作，达到协同工作的目的。前面两种系统也可以和分布 式系统结合构成网络应用。 2 4 虚拟现实的关键技术 虚拟现实技术涉及到计算机图形学、多媒体、传感、并行实时计 算及仿真等多个领域，是这些领域中的技术在更高层次的集成和渗透， 虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面“”： ( 1 ) 动态环境建模技术 虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术 的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的 虚拟现实技术 三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用c a d 技 术( 有规则的环境) ，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模 技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。 ( 2 ) 实时三维图形生成技术 三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时” 生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于1 5 桢 秒，最好是高于3 0 桢秒。在不降低图形的质量的前提下，如何提高 刷新频率将是该技术的研究内容。 ( 3 ) 立体显示和传感器技术 虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有 的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，头盔式三维立体显示 器存在过重、刷新频率慢、视场不够宽、易造成眼睛疲劳等问题；数 据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现 实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要研究新的三维 显示技术。 ( 4 ) 多维人机交互技术。 对人体各部位的跟踪定位是为了与三维虚拟世界交互，因此，必 须感知使用者的视线。为了在虚拟世界中移动物体甚至移动参与者的 身体，必须跟踪观察者的手位和手势，甚至全身各肢体的位置。触觉 力反馈系统生成的参与者除接收虚拟物体的视觉和听觉信号外，同时， 还能接受其触觉刺激，如纹理和质量感，感觉虚拟物体对人体的反作 用力。运动感生成技术使参与者产生飞行、失重、摇摆等感觉。( 很 多地方没列出) ( 5 ) 应用系统开发工具 虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象 力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻 劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现 实的开发工其。例如虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。 ( 6 ) 系统集成技术 虚拟现实技术 由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技 术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定 技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。 以上技术中，三维场景的建模技术、用户与场景的交互控制技术， 实时三维图形生成技术为一个虚拟现实系统最为基础的关键技术，下 面进行重点说明。 2 5 建模技术 在虚拟现实技术中，首先要解决的问题是虚拟场景的建立，即虚 拟世界的构造问题，这是整个虚拟现实系统建立的基础，而且三维模 型的好坏是产生沉浸感和真实感的先决条件。当前世界范围内围绕虚 拟场景建模问题的解决方式主要有以下两种”“”1 ，其一是基于计算机 图形学的三维几何模型建模和绘制( g e o m e t r y b a s e dm o d e l i n ga n d r e n d e r i n g _ _ g b m r ) ，又称为基于图形的建模和绘制( g r a p h i c s b a s e d m o d e l i n ga n dr e n d e r i n g ) ，但这种虚拟场景建模方法对硬件的计算能 力和图形加速性能都有较高的要求；另一种建模方式是近几年发展起 来的基于图象的建模和绘制( i m a g e b a s e dm o d e l i n ga n dr e n d e r i n g i 蹦r ) 技术，它是用待建三维虚拟空间的有限幅图象样本，在一 定的图象处理算法和视觉计算算法的基础上，来直接构造三维场景。 下面分别进行介绍。 2 5 1 基于图形的建模和绘制技术 2 5 1 1 几何造型 通常可以认为一个三维几何体由数个曲面( 包括平面) 组成，将 连续曲面离散为一系列的多边形，通过直接绘制这些多边形得到最终 的几何体，尽管用多边形来逼近曲面，会损失一定的场景精度，但是 多边形形状简单，便于计算和处理，能以统一的方式描述任意复杂形 状的景物，而且可以借助硬件来快速绘制。 虚搬现实技术 最简单的多边形为三角形，根据每一个三角形的3 个顶点的三维 坐标来表示三角面，再由三角面构成各曲面，最终形成几何体，也就 是说，通过存储和处理顶点的坐标及属性，就能显示几何体，这是目 前最为普遍的造型方式，几乎所有的三维建模软件均支持这种方式。 图1 是一个立方体，由6 个表面组成。每一个面都是由两个三角形组成 把这些三角形完整地拼合起来就是一个立方体。图2 表达了利用三角 形逼近来逼近一个球体。 图2 一l 立方体的三角形拼合图2 2 球体的三角形逼近拟合 2 5 1 2 坐标变换 将几何对象的三维坐标转换到计算机屏幕上的象素坐标，并显示 出来，需要进行一系列的坐标变换“，如图2 3 。 图2 - 3 坐标变换流水线 世界变换 世界变换将坐标从根据相对于模型的局部原点定义顶点的模型空 间，转变到根据相对于场景中所有物体共有的原点定义顶点的世界空 间，每个顶点都用世界坐标来声明。本质上，世界变换就是将一个模 型放到世界中。下图描绘了世界坐标系和建模的局部坐系间的关系。 虚拟现实技术 图2 4 世界变换 观察变换 观察变换根据观察者在世界空间中的位置，把顶点变换到摄像机 空间，即观察者的视野空间。在摄像机空间中，摄像机( 或观察者) 位于原点，朝z 轴的正向看去。世界中的所有物体根据摄像机的位置 和方向进行重新定位。 投影变换 场景中的几何对象的所有数据最后都要通过透视投影变换，才能 显示在二维的计算机屏幕上，假如把屏幕看作摄像机中的胶卷，那么 投影变换就相当于摄像机的镜头，它确定了可视范围和前、后裁剪平 面，如图示，物体只有在这个范围内才能看得到，把位于可视棱台内 的景物投影到前剪平面，前剪平面被映射到屏幕窗口上，形成我们所 看到的画面。由于是透视投影，距离摄像机远的物体会变小，从而具 有真实感。 图2 5 透视投影 虚拟现实技术 2 5 1 3 消隐 在图形显示过程中，应该消除实体中被隐藏的部分，这种处理称 为消隐。所有的消隐算法都涉及各景物表面离视点远近的排序，一个 物体离视点越远，它越有可能被另一个距视点较近的物体遮挡。 消隐算法按其实现方式可分为景物空间消隐算法和图像空间消隐 算法两类，前者着眼于各物体间的几何关系，以确定线或面的可见性， 生成的图形有较高的精度，但算法的计算量随着物体的增加而迅速增 加，常用的有表优先级算法、b s p 算法、w e i l e r - - a t h e r t o n 算法等。 后者着眼于屏幕象素的可见性，生成的图形精度不高，最多到屏幕分 辨率，但计算效率高，如z 缓冲器算法o ”、扫描线算法、光线跟踪算 法等，其中z 缓冲器算法是种最简单且有效的消隐算法，已成为图 形学中的标准算法，算法思想如下： z 缓冲器算法用一个独立的深度缓冲器存储画面上每一象紊内可 见表面采样点的深度，绘制时，先将待处理的景物表面上的采样点变 换到图像空间，计算其深度值z ，并根据采样点在屏幕上的投影位置， 将其z 值与已存储在z 缓冲器中相应象素处的原可见点的深度值进行 比较。如果该采样点位于z 缓冲器所记录的可见点之前，则将该该点 的深度值更新z 缓冲器存储的深度值，否则保留原可见点的z 值。 消隐算法的优劣不是绝对的，算法的效率与景物模型的复杂度、 物体的个数有紧密关系。只有根据对象的不同特点来选择不同的消隐 方法，才能达到最佳效果。 2 5 1 4 光照模型与明暗处理 在自然界中，光由光源发出，遇到物体时，一部分光被该物体吸 收，其余部分的光则被该物体反射回来。光照模型按同样的道理去模 拟自然界的光照效果，在光照模型中，就如同真实世界一样，光源的 特性决定了光的方向、强度等：物体表面的材质特性决定了其反光性 能和它看起来的效果1 。 在通常的光照模型中，一旦光线到达物体表面后，有三种方式将 光反射回来： 虚拟现实技术 ( 1 ) 漫反射：当光线射到粗糙面上以后，向各个方向反射。理想 的漫反射所反射的光强在所有方向都一样，因此，任意观察位簧都不 会受到影响。 ( 2 ) 镜面反射：光线不会分散，所反射的光强度最大，可以用于 在对象上创建高亮效果，是否发生境面，取决于观察位置。 ( 3 ) 环境光反射：所反射的光线不直接来自光源，而是来自于其 他物体反射的光，一般作为场景中的背景光。 在光照计算中，法线是非常重要的参数，为垂至于一个给定曲面 的单位长度的矢量，在设定光照的场景中，若不计算其中对象的顶点 法线，将无法看见此物体。 明暗处理( s h a d i n g ) 是计算机模拟一定的光照条件下，一定材料 和结构的物体表面给处在某一位置上的观察者以一种有明暗度 ( s h a d e ) 的视觉效果。应用光照模型时，一种做法是将每个三角形用 单一光强来绘制，称为平面明暗处理( f l a ts h a d i n g ) ，该方法对于 快速显示一个曲面的大致外观非常有效，需要用足够多的三角形合理 地近似物体表面，才能有较好地真实感，但三角形数目的增加将会很 大程度上影响时间效率。 另一种时间效率和真实感都比较好的方法是高洛德( g o u r a u d ) 明 暗处理。该方法是通过在三角面上将光强度值进行线性插值来绘制， 能消除平面明暗处理绘制中的光强度不连续现象，效果上可以使物体 边缘变得更光滑、真实，这是目前虚拟现实系统中采用较多的方法。 2 5 1 5 纹理映射 为了提高各景物模型的逼真度，增加模型的质感、增强模型的特 征，可以用纹理贴图技术给几何模型的表面贴上( t e x t u r em a p p i n g ) 各种纹理图案，从而使得模型变得更加生动逼真。 纹理贴图技术也叫纹理映射技术。“。它是指有选择地放置纹理元 素，比如将一个纹理映射到一个已建立的曲面上去。简单地说，纹理 分成三类：一类是通过颜色色彩或明暗的变化体现出来的表面细节， 这种纹理称为颜色纹理；第二类纹理则是用不规则的细节凹凸体现表 虚拟现实技术 面细节，例如，桔子、岩石等表面呈现的凹凸不平的纹理细节，称为 几何纹理。第三类是过程纹理，用来表现各种规则或不规则的动态变 化的自然现象，如水波、云等等。 二维纹理映射实质是从二维纹理平面到三维空间景物表面的一个 映射，纹理坐标会被映射到顶点上。一般来说，二维纹理定义在一平 面区域上，该区域称为纹理空间，可以用连续法或离散法。连续法把 纹理定义为一个二元函数，函数的定义域就是纹理空间；离散法把纹 理函数定义在一个二维数组中，代表纹理空间中行间隔和列间隔固定 的一组网格点的纹理值。在图形绘制时，应用纹理映射方法可方便地 确定景物表面上任一可见点p 在纹理空间中的对应位置( u ，v ) ，而( u ， v ) 处所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面在p 点处的某种纹理 属性。映射用数学公式可简单表示为： ( u ，v ) = f ( x ，y ，z ) 其中，( u ，v ) ，( x ，y ，z ) 分别为纹理空间和物体空间中的点。 纹理映射可分为以下两步进行： ( 1 ) 定义纹理，说明纹理图像的各种参数，确定纹理属性； ( 2 ) 建立物体表面的点与纹理空间的点之间的对应。 2 5 2 基于图象的建模和绘制技术 基于图象的建模和绘制与传统的基于图形学方法不同，传统的基 于图形学方法生成一个虚拟环境，首先要用几何造型建立场景中的几 何模型，然后设置物体的材质和纹理、光照，最后绘制出画面，而基 于图象的建模和绘制用预先获取的一组图象( 合成的或真实的) 来表 示场景的形状和外观拍，并通过这些图象适当地组合来生成位于不同 视点的新视图，常用于实现全景图像。其常用的处理方法有：图象透 视变换、图象拼合、图象变形、图象合成与裁剪等，它与几何模型场 景的真实感图形生成算法相比，具有以下优点“”： 虚拟现实技术 ( 1 ) 建模容易。利用照相机采集的离散图像作为数据基础，不 需要耗费大量的精力和时间构建模型，其计算量较小，也不受场景复 杂度的限制。 ( 2 ) 绘制快。不需要复杂的计算，直接从已有的视图中合成新的 视图，只要根据不同的视线方向映射全景图像相应的部分即可，画面 生成速度与场景的复杂度无关，对硬件的要求也不及几何建模那样高。 ( 3 ) 真实感强。能真实地反映景物的形状和丰富的明暗、材料及 纹理细节，不需要经过额外的光照模拟，适合于基于真实自然场景的 仿真研究。正越来越多地应用于旅游景点、建筑场馆介绍。 但这种方法也存在一定的局限性：全景图像数据量巨大，如果一 个视点包含几层焦距的全景，那么仅仅缓存单个视点的数据就需要占 用极大的内存空间，丈量内存的占用导致整体性能的下降。另外，由 于场景中的虚拟物体是图象中的二维对象，因而用户很难，甚至不能 与这些二维对象进行交互。因此特别适合于基于真实自然场景的仿真 研究并对交互要求不高，如作战方案的决策模拟与战术仿真等应用场 合的三维虚拟环境的建立。 2 6 三维空间交互技术 逼真的三维环境是虚拟现实的基础，人杌交互则可以说是虚拟现 实的核心”1 。根据s u t h e r l a n d 提出的概念，虚拟现实是一种由计算机 生成的高级人机交互系统，使用者能够与虚拟对象以自然方式进行各 种交互，通过头盔显示器、数据手套、数据衣等传感反馈仪器来实现 观察、触摸等各种操作。但目前这些装置价格昂贵，一般用于沉浸型 虚拟系统，桌面型虚拟系统还是以传统的标准输入设备如键盘、鼠标 等实现交互。 交互方式主要分为两类： 自由漫游：使用者利用交互设备改变视点位置和观察方向，实现 在场景中随意移动，任意方向旋转。 虚拟现实技术 对虚拟对象的操作：主要是通过点取、抓取等方式与场景中的物 体进行操作交互。 2 7 实时三维图形生成技术 三维图形的生成技术已经比较成熟，其中的一个关键问题就是图 形的“实时”生成。实时显示的刷新频率不能低于1 5 帧s ，否则， 将会产生画面停顿和不连续的现象，最好高于3 0 帧s 。而复杂场景 的显示医为巨大的计算量，将会大幅度降低刷新频率，因此，如何能在 不降低图形的质量和真实感的前提下提高刷新频率，是这种技术的关 键所在。目前主要通过软、硬件两个途径来解决： ( 1 ) 硬件途径 要产生真实效果的虚拟环境，往往需要建立一个复杂的三维场景， 这一场景可能包含几万甚至几百万个多边形，通过硬件加速能够显著 提高画面质量和实时生成速度。过去，一般只有图形工作站才装有图 形加速设备，并且价格昂贵，但随着计算杌硬件的发展，基于p c 机的 图形加速卡功能越来越强大，价格却逐步下降，现已经被广泛应用， 成为目前制作三维模型的机器基本配置。 ( 2 ) 软件途径 通过优化绘制技术实现降低计算量，最常用的为细节层次l o d ( l e v e l so fd e t a i l ) 绘制技术，其基本思想是利用人的视觉特性， 对物体采用不同的细节描述方法，如果一个物体离视点较远，或较小， 其细节就难以分辨。许多细节可以被忽略，采用较粗的模型绘制，同 样物体离视点较近，或较大，其细节能分辨，就采用较细的模型绘制。 通过逐步细化，减少当前画面模型的计算量。l o d 方法的主要困难在 于如何建立不同细致层次的物体表示，由于模型简化操作不是简单地 减少顶点数，而是根据与原模型的逼近，相应减少对模型几何形状影 响不大的顶点，算法也相当复杂。除l o d 绘制技术外，还有逐步求精 绘制技术，都是利用算法减少计算量，进而提高实时生成速度。在实 际建模中，也可以通过软硬件结合以达到最佳效果。 铁路线路虚拟现实关键技术研究 3 铁路线路虚拟现实关键技术研究 上一章介绍了虚拟现实的基本特点、原理以及技术方法，而对于 铁路线路，从数据来源、线路场景建模、实现功能等都有其自身的特 点，本章将针对铁路线路的特点，对其虚拟现实技术进行具体论述， 主要包括：数据获取、建模方法、交互控制、实时生成等方面。 3 1 铁路线路虚拟现实定位 ( 1 ) 铁路线路虚拟现实的研究重点为桌面型 虚拟现实根据分类而言，沉浸型虚拟系统要求计算机生成一个令 人身临其境的虚拟世界，提供视觉、听觉、触觉，甚至包括味觉、嗅 觉等各种感观刺激，并且使用数据手套、数据衣服和自然语言等自然 方式进行交互操作，而目前，一方面在技术上难以实现，另外开发费 用昂贵，还不能普遍应用于实际生产；共享型虽然可以利用网络共享 虚拟空间，但易受限于服务器的性能和网络传输速度；桌面型由一台 普通的计算机系统组成，通过键盘、鼠标进行交互，这种系统结构简 单、价格低廉、经济实用，易于开发、普及，适合铁路部门大规模推 广。因此，基于p c 机的桌面型是铁路线路虚拟现实研究的重点。 ( 2 ) 铁路线路虚拟现实应基于自动生成技术 采用自动生成技术建立三维模型是铁路线路虚拟现实的基础和 关键，这种技术的核心就是利用现有数据，使用程序自动生成线路的 三维模型，而不需要重新采集数据或用手工的方式建立模型。其基本 思路：利用工务部门已有的设备台帐数据，充分分析、挖掘数据，提 取有用的信息，再根据工务技术标准，通过有效的算法及建模方法实 现线路及桥隧设备模型的自动生成。 采用自动生成的技术，将在模型的建立、维护和存储方面都占有 优势。 铁路线路虚拟现实关键技术研究 在模型建立方面，可从工务部门直接获得格式统一、准确完整的 设备台帐数据，一旦应用程序开发完成，模型的建立变得简单易行， 方便大规模推广。 在模型维护方面，不需要进行单独维护，在线路数据更改时只需 要对台帐库中的数据做出相应改动后，重新生成模型即可，不仅节省 了大量的人力和资金，而且也保证了空间数据与属性数据的统一。 在模型存储方面，由于三维模型可以随时生成，不需要单独存储 模型数据，在使用和传输上都非常方便。 目前三维技术应用还未在铁路部门得到普及就是因为三维模型的 建立十分不便，且费用昂贵，而自动生成技术很好的解决了这个问题， 使线路虚拟现实技术在铁路工务部门的大规模应用成为可能。 3 2 铁路线路虚拟现实的关键问题研究 3 2 1 铁路线路虚拟现实的建模技术 目前，虚拟场景建模问题的解决方式主要有：传统的基于图形的 建模和绘制技术及新发展起来的基于图象的建模和绘制技术。这两种 方法。”各有特点，互有优缺，采用何种方法建模，需根据具体的实际 情况来选择。 铁路线路虚拟现实建设的主要目的是利用三维场景对信息进行整 合，实现对工务设备的查询、管理和维护以及辅助等从而为铁路工务 运输生产服务。建设目的以及铁路线路的实际特点决定了应采用基于 图形的建模方法，具体原因如下： 从自动生成方面来说，铁路线路虚拟现实建设的关键是基于自动 生成技术，这样模型的建立、维护和存储方丽的难题将得到解决。基 于图形的建模方法能够利用铁路部门已有的格式统一的数据库，通过 数据转换，完成模型构建，而基于图象的三维场景建模需要沿线及环 绕设备各视角的详细组图，但目前工务部门还不具有能满足要求的图 铁路线路虚拟现实关键技术研究 像数据，如果现采集，投资大工期长，维护困难，不