（道路与铁道工程专业论文）道路工程网络三维交互式可视化关键技术研究及应用.pdf

中南大学硕上学位论文摘要 摘要 道路工程网络三维可视化技术是实现道路工程领域信息化的一 项重要内容，在道路工程的应用可以贯穿设计、施工及运营的全生命 周期，具有重要的研究意义。本文综合应用了道路路线设计、计算机 网络技术、计算机图形学、网络地理信息系统等理论和方法，针对道 路工程网络三维可视化中道路三维建模、网络框架、海量三维模型数 据的调度与快速传输以及与网络地理信息系统的集成等关键问题进 行了深入的研究。主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 在分析和对比几种常用的计算机网络模型及体系结构的基 础上，设计了基于h t t p 协议的三层b s 网络架构，该架构能够充分 满足道路工程网络三维可视化的可靠性、扩展性、灵活性等要求。 ( 2 ) 基于几何三维模型构建技术，实现了组成道路三维场景各要 素模型的快速建模，将道路三维场景这一复杂实体划分为若干要素子 实体，分别研制了各子实体的三维建模方法，然后将各子模型拼合成 整体，为道路工程网络三维可视化研究提供了建模基础。 ( 3 ) 针对海量道路三维模型数据实时快速传输与当前网络带宽 限制的矛盾，提出了一种面向传输的多分辨率简化算法，该算法在服 务器端将原始三维模型分解为最粗糙模型和一系列细节层次记录，并 且最粗糙模型在客户端具有自动恢复到原始模型的能力，实现了客户 端海量模型数据的“边浏览，边下载 。结合离散化处理、数据缓存、 数据压缩等技术进一步优化了海量模型数据的管理和传输。 ( 4 ) 提出了基于高性能图形显示卡的客户端道路三维场景快速 绘制方法，综合运用可视范围撷取、显示列表、v b o 等技术提高复 杂道路三维模型在远程客户端的渲染效率，并分析讨论了g p u 可编 程技术在道路工程网络三维可视化中的应用前景。 ( 5 ) 研究了w e b 3 d 与w e b g i s 的集成和交互技术。在构建了一 种基于m a p x t r e m e 的道路工程w e b g i s 平台的基础上，设计了w e b 3 d 系统与w e b g i s 系统的客户端联动和双向通信机制，实现了在客户端 三维交互式场景和二维电子地图中，针对道路工程设计信息和实时施 工信息的远程快速查询。 ( 6 ) 综合运用以上所述方法和技术，在导师的指导和同学的协助 下，结合有关课题，采用j 2 e e 、j o g l 等编程工具，开发了基于w e b 3 d 与w e b g i s 的高速公路建设信息远程可视化综合查询平台，并将该平 中南大学硕士学位论文摘要 台应用于常吉和广巴高速公路建设管理中，实践证明了本文所述关于 道路工程三维网络可视化的理论和方法的实用性和正确性。 关键词道路工程，网络三维可视化，模型简化，j o g l ，网络地理信 息系统 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t r o a de n g i n e e r i n gw e bt h r e e - d i m e n s i o n a l ( w e b 3 d ) v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y i sa n i m p o r t a n t s u b s t a n c eo ft h er e a l i z a t i o no fr o a d e n g i n e e r i n gi n f o r m a t i z a t i o ，i tc a nb er u nt h r o u g ht h ee n t i r el i f ec y c l eo f d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o ni nt h ea p p l i c a t i o no fr o a dw o r k s ， t h e r e f o r et h es t u d yh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，a i m i n gt o s e v e r a l k e yi s s u e si nt h er o a de n g i n e e r i n gw e b 3 d ，s u c ha sr o a d3 d m o d e l i n g ，n e t w o r kf r a m e w o r k ，m a s s i v e3 dm o d e ld a t ad i s p a t c ha n dr a p i d t r a n s m i s s i o n ，a n di n t e g r a t i o nw i t hg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ，t h e a u t h e rm a d ea ni n d e p t hr e s e a r c hb ya p p l i c a t i o no fr o a dr o u t ed e s i g n ， c o m p u t e r n e t w o r k t e c h n o l o g y , c o m p u t e rg r a p h i c s a n d g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ss y n t h e t i c a l l y t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d a c h i v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fs e v e r a lc o m m o n l yu s e d c o m p u t e rn e t w o r km o d e l sa n dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h r e e - t i e r b s n e t w o r ka r c h i t e c t u r ew a sd e s i g n e db a s e do nt h eh t t pp r o t o c o lt h a tc a n f u l l ym e e tt h er e q u e s t so fr e l i a b i l i t y , s c a l a b i l i t y , f l e x i b i l i t yo fr o a dw o r k s w b b 3 dv i s u l i z a t i o n ( 2 ) b a s e do nc o n s t r u c t i o no fg e o m e t r i c3 dm o d e lt e c h n i q u e s ， t h er a p i d - e s t a b l i s h m e n to fe l e m e n t a lm o d e l st h a ta r ec o m p o s e do ft h e w h o l er o a d3 ds c e n ew a sr e a l i z e d t h ec o m p l e xr o a d3 ds c e n ew a s 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i v i d e di n t oan u m b e ro fe l e m e n t so fe n t i t i e s ，a n dt h e3 dm o d e l i n g m e t h o do ft h o s ee l e m e n t so fe n t i t i e sw a sd e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y a n d t h e nt h ee n t i t i e sw e r em e r g e di n t oaw h o l e t h ea b o v ep r o c e s sp r o v i d e d m o d e l i n gf o u n d a t i o nf o r t h er o a de n g i n e e r i n gw e b 3 dv i s u a l i z a t i o n ( 3 ) a i m i n g a tt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h er a p i da n dr e a l t i m e t r a n s m i s s i o no fm a s sr o a d3 dm o d e ld a t aa n dc u r r e n tn e t w o r kb a n d w i d t h ， am u t i - r e s o l u t i o na l g o r i t h mf a c i n gt h et r a n s f e rw a sp r o p o s e d ，w h i c hc a n s e p a r a t et h eo r i g i n a l3dm o d e li n t oam o s tc o a r s em o d e la n das e r i e so f d e t a i lr e c o r d si nt h es e r v e r - s i d e a n dt h ea b o v em o s tc o a r s em o d e lh a st h e a b i l i t yt or e s t o r et h eo r i g i n a lm o d e la u t o m a t i c a l l yo nt h ec l i e n t s i d e t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s so f “w h i l eb r o w s i n g ，w h i l ed o w n l o a d i n g f o r m a s s i v ed a t e d o w n l o a d i n g w a sa c h i e v e d m o r e o v e r , t h et e c h n i c a l c o m b i n a t i o no fd i s c r e t ep r o c e s s i n g ，d a t ac a c h i n ga n dd a t ac o m p r e s s i o n h a sb e e nu s e dt of u r t h e ro p t i m i z et h em a s sm o d e ld a t am a n a g e m e n ta n d t r a n s m i s s i o n ( 4 ) t h ef a s td r a w i n gm e t h o do fc l i e n tr o a d3 ds c e n eb a s e do n h i g h p e r f o r m a n c eg r a p h i c sw a sp r o p o s e d ，t h ei n t e g r a t i o no fv i s u a ls c o p e c a p t u r ed i s p l a yl i s t ，v b oa n do t h e rt e c h n o l o g i e sw a su s e dt oe n h a n c et h e r e n d e r i n ge f f e c to fc o m p l e xr o a d3 dm o d e lo nt h er e m o t ec l i e n t a n da l s o t h ea u t h o rd i s c u s s e dt h ep r a c t i c a lv i s t ao fg p up r o g r a m m a b l et e c h n o l o g y i nr o a dw o r k sw 曲3dv i s u a l i z a t i o n ( 5 ) t h et e c h n o l o g y o fi n t e g r a t i o na n di n t e r a c t i o nb e t w e e n 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e b 3 da n dw e b g i sw a ss t u d i e d b u i l d i n gar o a de n g i n e e r i n gw e b g i s p l a t f o r mb a s e do nm a p x t r e m e ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h ec l i e n tl i n k a g e m e c h a n i s ma n dd u p l e xc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mo fw e b 3 da n d w e b g i ss y s t e m s ，a n dt h e nt h er e m o t ea n dr a p i dq u e r yo fr o a dd e s i g n i n f o r m a t i o na n dr e a l t i m ec o n s t r u c t i o ni n f o r m a t i o nf r o mi n t e r a c t i v e3 d s c e n ea n d2 de l e c t r o n i cm a po nc l i e n tw a sr e a l i z e d ( 6 ) u n d e rt h ei n s t r u c t o r sg u i d a n c ea n da s s i s t a n c eo fc l a s s m a t e s ， c o m b i n i n gw i t hs o m er e l a t e ds u b je c t s ，a p p l y i n gt h ea b o v em e n t i o n e d m e t h o d sa n dt e c h n i q u e sa n du s i n gj 2 e e ，j o g la n do t h e rp r o g r a m m i n g t o o l s ，t h ea u t h o rd e v e l o p e dah i g h w a yc o n s t r u c t i o ni n f o r m a t i o nr e m o t e v i s u a l i z a t i o ni n q u i r yp l a t f o r mb a s e do nw e b 3 da n dw e b g i s a n dt h e a b o v ep l a t f o r mw a sa p p l i e dt ot h ec o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n to fc h a n g j i h i g h w a ya n dg u a n g - b ah i g h w a y t h ep r a c t i c ep r o v e dt h a tt h et h e o r i e s a n dm e t h o d so ft h er o a dw o r k sw e b 3 dv i s u a l i z a t i o ni nt h i sa r t i c l ea r e p r a c t i c a la n dc o r r e c t k e yw o r d sr o a de n g i n e e r i n g ，w e bt h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n ， m o d e l s i m p l i f i c a t i o n ，j o g l ，w e bg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：毕年之肚日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 聊签名直区嗍孕年互肋 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 科学计算可视化是发达国家在8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究 领域，它将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为可交互处理的、直观的 图形或图象，引起了计算机应用与科学计算方法的重大变革。美国国家科学基金 会烈s f ) 1 9 8 7 年2 月专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化 这 一全新的解决方案，简称v i s c ( v i s u a l i z a t i o ni n s c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 或 s v ( s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ) ，一门崭新的交叉学科应运而生【l 】。此后，科学计算可 视化成为近二十年来国际学术会议讨论的一个热点问题。自1 9 9 0 年以来，美国 电气和电子工程师学会( i e e e ) 每年举行一次有关科学计算可视化的学术会议， 出版论文集。与此同时，美国、德国的超级计算机中心、研究所及大公司着手开 发用于科学计算可视化的软件系统，并形成商品推向市场，如美国s t a r d e n t 计算 机公司推出的a v s 系统，德国达姆斯达特f h g a g d 研究中心开发的v i s a v i s 系统等。经过近二十年的发展，科学计算可视化理论和方法的研究已经在国际上 蓬勃开展起来并开始走向应用 2 1 ，它的应用已遍及医学、气象、建筑、计算机辅 助设计等诸多领域。 随着互联网的迅速普及，传统的单机科学计算可视化也开始逐步朝着网络 三维可视化( w e b3 dv i s u a l i z a t i o n ，本文中简称为w e b 3 d ) 的方向发展，网络三维 可视化技术的目的在于在互联网上建立三维的虚拟世界。由于具有信息表现形式 直观生动、跨越地域限制、最大程度地实现了数据共享和融合等显著特点，网络 三维可视化技术已经成为当前科学可视化新的发展方向。w e b 3 d 技术虽然是近 十年才逐渐发展起来的，但它的出现使得远程用户能够突破地域限制身临其境地 浏览到三维交互式动画场景，所以从信息技术的角度而言，w e b 3 d 能最大程度 地保证使用者实时、生动、直观地从任意空间角度浏览到三维场景所要表达的信 息，并能借助于无处不在的万维网将这种信息的触角延伸到世界每一个角落。 1 2 研究目的及意义 w e b 3 d 技术的应用前景极其广阔，几乎可涉及自然科学和工程技术的所有 领域，能很好地推动传统科学可视化的普及和进一步发展，在道路工程中的应用 更是可以贯穿设计、施工及运营的全生命周期，更好地促进道路工程领域的信息 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 化、科学化进程。作为构建“数字公( 铁) 路 的基础核心技术之一，w e b 3 d 技术在道( 铁) 路三维可视化协同设计、道( 铁) 路施工与运营的远程管理等方面都 将具有十分广阔的应用前景。 本文的研究意义如下： 1 道路设计：可在设计过程中逼真呈现道路建成后的三维场景，为方案评审、 环境评估、安全审计等提供直观的辅助设计工具，特别是通过互联网不同地域设 计人员可以进行可视化的协同设计，可充分满足道路设计的群体性、交互性、分 布性和协调性的客观需求。 2 道路施工：可完全呈现道路建设区域地理环境、施工进度的真实情况，使 各级决策层及管理、技术人员无论走到哪里，无论何时，都可按优先级别在道路 虚拟场景中得到任何一个地方、任何部门的信息，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，为决策及生产 指挥提供依据。 3 道路运营：建立反映道路运输状况的虚拟电子沙盘，能较好地适应道路 点多、线长、面广的特点，为事故抢险、设备维修、路径优化选择、列车追踪、 道路安全管理等提供科学决策的依据。通过网络平台上可视化数据的共享，使管 理者及时直观地了解全线道路信息，对全线运转状态进行统一的调度与管理，真 正做到管理意义上的“所见即所得 。 1 3 国内外研究现状 自2 0 世纪9 0 年代初开始，国内外学者、研究机构及著名软件公司针对道 路三维可视化开展了长期深入的研究，取得了丰硕的成果，主要进展工作有： 1 3 1 道路三维建模 国外几个著名的道路设计系统如：美国i n t e r g r a p h 公司的i n r o a d s 和i n r a i l 系统，英国的m x 系统和德国的c a r d 1 系统均具有三维建模功能【3 4 1 ，其中英 国的m x 系统最具代表性，其最大的特点是采用了独特的“串 的概念，地表 面模型表达采用串线，将“点集串”的概念扩展到“建议面 用来表达人工构造 面模型。 国内学者在道路三维建模方面研究的总体思路是采用d e l a u n a y 三角化算法 建立数字地形模型，采用c o o n s 曲面片或三角网建立道路设计面模型，然后将二 者拼合成整体模型【5 羽。其中，道路模型与地形模型的拼合问题是道路三维建模 的难点，东南大学王福建博士将其归纳为线与面、面与面、面与网的相交等几种 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 情况分别处理，并对求出的交线( 点) 作有效性判别【7 j ；中南大学道路与铁道工 程研究所提出的“地形裁剪算法”【8 】，应用约束d e l a u n a y 三角网理论将道路模 型区域内的地形首先删除，再与道路模型无缝拼合，使原来的分段分情况进行的 交、并、差运算，转化为全线一次性的求并运算，简化了拼合计算过程。 可见，国内外现有的道路三维场景建模方法多为采用分割一归并的思想， 分别建立道路各组成部分和地形的三维模型，然后将二者拼合，本研究中所采用 的道路三维建模方法也基于这一思想。但上述研究的道路三维建模都是在单机环 境中进行，如何采用合理的模型数据结构、客户端与服务器端如何分工、在网络 环境下如何实现“道路三维建模一模型数据处理一客户端实时渲染 这个过程是 本文中需研究的重要问题。 1 3 2 道路模型视相关简化 早期的道路三维解决方案【9 。1 0 】通常采用前述方法建立道路三维模型，然后导 入3 d sm a x ( 或其它三维图形处理软件) 渲染，生成指定路径的道路三维动态场 景。这一技术已被广泛地应用于道路的设计方案审查，并在国内各道路勘测设计 部门推广应用，该技术存在以下不足： ( 1 ) 缺乏实时性：由于道路三维场景十分复杂、庞大，使得制作过程需要 耗费大量的时间和空间，即使采用较高档的硬件配置，用户也往往要等候较长的 时间才能浏览到道路的三维动态效果。 ( 2 ) 缺乏交互性：浏览路径一旦选定，难于再次修改，浏览者只是被动的 听众或者观众，无法成为方案的体验者。 为了解决这些问题，国内外学者开展了实时交互式可视化的研究，其核心 问题在于复杂模型的视相关简化，即通过采用适当的算法，在不影响视觉效果的 前提下，对场景的绘制过程进行简化加速。 模型简化技术的研究可以追溯到1 9 7 6 年，c l a r k 首次提出了l o d 技术【l ， 其基本思想是：用具有多层次结构的物体集合描述一个场景，即场景中的物体具 有多个模型，其模型间的区别在于细节的描述程度，实时显示时，细节较简单的 物体模型就可以用来提高显示速度。 一直到上世纪9 0 年代前半期。研究工作主要集中在离散l o d ( l e v e l so f d e t a i l ，l o d ) 模型的生成及实时显示方面1 1 2 3 1 ，即预先生成多个离散的不同细节层 次的模型，交互过程中对于每个特定的场景只需选择一个合适的l o d 模型进行 渲染。由于不同的l o d 模型之间在拓扑结构上互不相关，因此不同模型间进行 切换时，在视觉上会引起明显的突跳感。 为了从根本上改变离散l o d 技术存在的上述问题，近年来出现了连续l o d 中南大学硕士学位论文第一章绪论 模型。它是一种紧凑的模型表示方法，从这个表示中可以生成任意多个不同分辨 率的模型，从而实现模型的连续显示。其优点是两个前后相继的l o d 模型的差 别相对较小，进行模型切换时只会引起视觉上非常微小的变化。h o p p e 1 4 j 提出的 可根据需要控制生成三角形的数目的视点相关累进网格法；m a r kd u c h a i n e a u 等 l l5 j 提出的一种基于三角形二叉树划分的实时优化自适应网格( r o a m ，r e a l t i m e o p t i m a l l ya d a p t i n gm e s h e s ) 算法是这一类方法的典型代表。 中南大学道路与铁道工程研究所是国内较早从事道路模型视相关简化研究 的单位之一，针对道路场景模型，提出了基于边的数据结构，依据二次误差测度 构建有序的边折叠操作层次结构，建立了综合考虑视锥截取、背面剔除及屏幕投 影误差的视相关简化准则，根据这些准则从层次结构中确定视相关网格模型，从 而构建出连续的道路l o d 模型【l 丌。 模型简化技术的研究为实现道路三维场景的实时交互式可视化奠定了基 础，但由于现有的模型简化算法普遍针对单机硬件环境，较少考虑数据i o 传输 所耗费的时间，不能直接将其应用于道路工程网络三维可视化的研究与应用中。 因而，网络环境下面向模型数据快速传输的模型多层次简化方法还有待进一步深 入研究。 1 3 3 网络结构总体设计 在w 曲3 d 系统的网络结构总体设计研究方面，面向道路三维场景的研究很 少见诸于文献，相关的研究以地形三维网络可视化等为主： ( 1 ) 1 9 9 5 年，d a v i dk o l l e r 等人提出了三维地球的初步设计模型v g i s t l 8 】， 对于虚拟三维地球的研究做出了很好的探索。 ( 2 ) 美国k e y h o l e 公司【l9 】在2 0 0 1 年开发的e a r t h s y s t e m 是迄今为止较为 完善的网络三维图形信息系统，但它对计算机的配置特别是显卡要求很高，一般 运行在配有n v i d i a 显卡的客户端上。 ( 3 ) t e l e r 等人提出了服务器端只渲染最低层次的元素，并把处理结果以图 像的形式返回客户端，而其它的l o d s 作为三维模型传到客户端，可视化工作在 客户端进行【2 0 1 。这样做的好处是最低一层的l o d 渲染时间加上图像传输时间比 直接传输三维模型的时间要少，但大量元素和客户机同时运行时，即使最低层次 数据的可视化过程也会非常复杂，服务器的负载过重。 ( 4 ) 用s c e n s e 8 和s g i 的o p e n g lv i z s e r v e r 开发的虚拟环境软件 w o r l d t o o l k i t 提供了一个基于c l i e n t s e r v e r 虚拟场景的开发环埘2 。w o r l d t o o l k i t 虽然能够提供高质量的图形，但所有的渲染工作全部在s g i 服务器上完成，三 维场景作为图片传到客户端上，即使客户端的计算机配置很高，也需要昂贵的服 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 务器。 ( 5 ) 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室朱庆教授结合数码城市 g i s 软件的研发，提出了基于w e b 的3 d 城市模型浏览器插件的体系结构【2 2 1 ，采 用j a v a 和j a v a3 d 实现了客户端三维数据在线操作与动态显示。 ( 6 ) 中科院遥感科学国家重点实验室张立强等借助c o m 技术设计了一个 基于网络的地形三维可视化系统四】。该系统采用椭球四叉树空间索引、渐进传 输技术和地形简化算法，通过把海量空间数据发布到p c 上，满足多用户并发浏 览、查询和分析的需要。 已有的网络三维可视化研究的网络结构多基于微软操作系统的c s 架构开 发，不能跨平台运行，程序开发和维护工作量较为繁重，并且其架构多针对地形、 地物等数据的特点量身定做，还不能直接用于道路工程w e b 3 d 研究。如何设计 合理的网络框架模型，以满足道路三维模型数据结构特点和稳定、灵活、维护方 便等需求是本文需探索的关键问题之一。 1 3 4 客户端渲染引擎 w e b 3 d 应用中，由于客户端浏览器并不能直接支持三维场景绘制，因此需 要在客户端安装合适的三维渲染引擎。当前w e b 3 d 客户端场景渲染引擎尚处于 群雄割据的状况，主流的客户端引擎有多种，如v r m l 、j a v a 3 d 、j o g l 、c u l t 3 d 等，还没有形成各个开发者都遵守的统一标准，这是w e b 3 d 走向普及面临的最 大问题之一。但从另一角度而言，目前w e b 3 d 还处于发展阶段，这种格局更有 利于它的创新和发展，以下简要介绍几种主流的w e b 3 d 客户端引擎技术。 l lv r m l i z 4 z 5 i 1 9 9 4 年3 月在日内瓦召开的第一届w w w 大会上，首次正式提出了v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，虚拟现实造型语言) 这个名字。1 9 9 4 年1 0 月在芝加哥召开的第二届w w w 大会上公布了规范的v r m l l 0 草案，以期待像 h t m l ( 超文本标记语言) 作为互联网文本传输协议那样，在互联网界形成一个统一 的三维虚拟场景构建的国际标准。 1 9 9 6 年在新奥尔良召开的优秀3 d 图形技术会议s i g g r a p h 9 6 上公布通过 了规范的v r m l 2 0 第一版。它在v r m l l 0 的基础上进行了很大的补充和完善。 它是以s g i 公司的动态境界m o v i n g w o r l d s 提案为基础的。 1 9 9 7 年1 2 月v r m l 作为国际标准正式发布，1 9 9 8 年1 月正式获得国际标 准化组织i s o 批准，简称v r m l 9 7 ，v r m l 9 7 只是在v r m l 2 0 基础进行上进行 了少量的修正和改进。 s u n 公司于1 9 9 7 年推出专门应用于三维图形应用领域的j a v a 3 d 开发包。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 j a v a 3 d 是在o p e n g l 、d i r e c t x 等三维图形标准的基础上发展起来的，它的编程 模型是基于图像场景的，这就消除了以前的a p i 强加给编程人员的繁琐细节， 允许编程人员更多的考虑场景及其组织，而非底层渲染代码。 2 0 0 2 年v r m l 设计小组发表了v r m l 的后续技术“x 3 d ，但由于运行缓 慢，功能不完备，所以并没有得到开发商等方面的普遍认可。 虽然v r m l 及后续的x 3 d 是作为w e b 3 d 领域的国际标准，但由于其存在 数据文件太大、缺乏数据库接口、效率很低、缺乏场景控制等明显弱点，很多 w e b 3 d 应用特别是大型复杂场景的项目都没有应用它来实现。 2 1j a v a 3 d 1 2 6 - 2 8 1 j a v a 3 d 由s u n 公司在1 9 9 8 年年底正式推出，它是一个应用程序接d ( a p i ) ， 用来构建带有三维图形的桌面应用程序和a p p l e t 网页程序，它作为j a v a 语言的 扩展，将j a v a “一次书写，随处运行 的优点带给了三维图形领域，使得j a v a 3 d 能运行于多种平台。 采用j a v a 3 d 编写的应用程序和a p p l e t 可以访问所有的j a v a 类，使它易于 与i n t e m e t 集成。j a v a 3 d 的思想来源于现存的各种图形a p i 及多种新技术，其 低层图形结构综合了其他低层a p i ( d i r e c t 3 d 、o p e n g l 、q u i c k d r a w3 d 和x g l ) 的优点，相应的其高层结构也综合了多个图形系统的优点，它为开发者提供了高 层建造工具，用来创建和操作三维图形，并构造了用于渲染图形的组织结构。 j a v a 3 d 的设计有几个目标，最重要的一点是高性能，另一些重要目标包括： ( 1 ) 提供一套丰富的特性，避免枝节性和模糊性； ( 2 ) 提供一个高层的面向对象编程模型，使开发人员能快速开发复杂的应用 程序和a p p l e t ； ( 3 ) 支持运行时装载器，这样j a v a3 d 就可以兼容多种文件格式，包括各种 厂商自定义格式和v r m l 9 7 。 j a v a 3 d 实现了以下三维显示所需要的功能： ( 1 ) 生成简单或复杂的形体( 也可以调用现有的三维形体) 。 ( 2 ) 使形体具有颜色、透明效果、贴图。 ( 3 ) 在三维环境中生成灯光、移动灯光。 ( 4 ) 具有行为的处理判断能力( 键盘、鼠标、定时等) 。 ( 5 ) 生成雾、背景、声音。 ( 6 ) 使形体变形、移动、生成三维动画。 ( 7 ) 编写复杂的应用程序，用于各种领域如v r ( 虚拟现实) 。 j a v a 3 d 是一个面向对象的a p i 。应用程序把单独的图形元素作为分离的对 象来构造，然后将其连接到一个树型结构( 场景图) 中，其编程模型基于图形场景， 6 中南大学硕士学位论立第一章绪论 从而为描绘和渲染场景提供了一个简单灵活的机制。场景图即对整个场景的完整 描述，包括图形数据、属性信息和视 点信息，利用这些数据，就可以从一 个特定视点来渲染图形。j a v a 3 d 消除 了以前的a p i 强加给编程人员的繁 琐细节，允许编程人员更多地考虑形 体本身，而不是组成它们的那些三角 形面一即考虑场景及其组织，而非底 层渲染代码。因此j a v a 3 d 能为 w e b 3 d 提供很好的性能，一个使用 j a v a 3 d 作为网络虚拟社区应用的案 例如图1 - 1 所示。 3 、j o g l l z a 4 ” 图l i 采用j a v a 3 d 实现的网络三维虚拟社区 j o g l 即j a v a + o p e n g l ，由s u n 公司的两位资深计算机图形学专家k e n r u s s e l 和c h r i sk l i n e 最先开发而成的丌源w e b 3 d 引擎是j a v a 语言对三维图形绘制库 o p e n g l 的绑定，即通过j a v a 本地接口的方式( j a v an a t i v eh t e r f a c c - - j n l ) 对 o p e n g l 技术进行访问和使用。 i n i 是j a v a 与其它编程语言的集成编程接口，它允许在j a v a 虚拟s l ( j a v a v t r t u a l m a e h i n e ，即j v m ) 上运行的j a v a 代码调用其他语言，例如c ，c + _ 和汇编 语言编写的动态连接库。而且也允许在本地应用程序中嵌入j a v a 虚拟机。这样 j a v a 代码与其他语言编写的库和应用程序就能够互相调用。在j a v a 中调用其它 编程语言生成的代码是通过动杏连接库或者共享对象库的方式实现的，而在其他 语言中调用j a v a 对象足通过引用指向j a v a 对象的指针来实现的。 如前文中所述，j a v a 3 d 软件包在底层使用了o p e n o l 技术作为支持，是结 合j a v a 语言和o p e n g l 的一种有效解决方案，但是它并没有保留o p e n g l 程序 的编写规则，而是将实现过程封装在a p i 内部。这样实现的优点是简化了使用 者的编程工作量，在构造简单场景时候更是非常有效。但缺点也很明显，就是这 种封装掩盖了内部细节实现，束缚了程序员的思想。并且由于代码编写上和传统 的o p e n o l 规则基本没有相似的地方，这对于一个熟练的o p e n g l 程序员转来编 写j a v a3 d 程序的话，原来的开发经验不会有任何用处，这个特性降低了j a v a3 d 的开发效率，局限了j a v a 3 d 的推广。而j o g l 所采用的j a v a 通过j n i 调用o p e n g l 的方式可使复杂的运算转移到系统级，大大提高了运算速度和效率，使得互联网 上复杂的三维场景通过程序实现成为可能。 当前s u n 公司游戏小组正在使用j o g l 米开发各种高级三维应用。如虚拟社 中南大学顿十学位论文第一章绪论 区、游戏等，使用该j o g l 最著名的案例是美国n a s a 的w o r l dw i n d 数字地球项 目，如图1 - 2 所示。 其它w e b 3 d 引擎如s h o e k w a v e 3 d 、c u l t 3 d 等偏重于满足电子商务所需求的 场景精细化要求，多用于小规模 三维场景的构建，在此不赘述。 w e b 3 d 最初应用于电子商务、 小型游戏等场景简单、数据量小 的领域，但随着其应用领域的扩 大和应用程度的加深，针对复杂 场景和海量数据的处理方法逐 渐成为w e b 3 d 领域研究的重 点。 圉l 2 采用j o g l 实现的n a s a w o r l d w i n d 数字地球 综上所述，现有研究成果已经取得了一些进展，对本文进行道路工程w e b 3 d 的研究具有定的参考价值。但总体看来，还存在着以f 几个问题： f 1 1 当前的道路三维可视化还只能实现单机环境下道路三维建模与动态交 互式浏览，其系统总体架构、道路三维模型的数据结构、三维场景绘制 方式等模块不能直接应用于网络环境下的三维可视化。 ( 2 1 现有研究成果在网络框架总体设计、面向传输的海量模型数据调度与传 输、和其它信息系统集成等问题仍然缺少成熟腼简单易行的方法。 ( 3 ) 多数成果都基于虚拟现实造型语言v r m l 开发，随着w e b 技术的迅速 发展和v r m l 应用领域的扩展，v r m l 逐渐暴露出了它的缺点，如属 性过多难于实现、处理复杂场景时数据冗余过多、稳定性和场景渲染效 率不能满足用户要求等问题。 因此，设计合理的w e b 3 d 系统网络结构、开发面向海量模型数据快速传输 的算法和策略、在客户端高效地绘制道路三维场景、与其它信息系统集成技术是 本文研究的几个重点问题。 4 主要研究内容 本文的研究内容主要为以下几个方面： l 道路工程w e b 3 d 网络结构总体设计 网络结构是w e b 3 d 应片 系统的基础，直接关系到w e b 3 d 系统的效率、稳 定性和可扩展性，因此合适的网络体系结构和各子模块选型是本文需要研究的首 要问题。 2 网络环境下三维模型简化和快速绘制 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在w e b 3 d 应用中，为解决海量三维模型数据场景渲染与网络带宽及客户端 微机硬件的矛盾，必须从三维模型内部几何结构着手进行面向网络快速传输的模 型简化，即：在保证尽可能小的视觉损失的前提下减少初始需要绘制的几何体的 数据量，并且简化后的模型应具有恢复到原始精度模型的能力。本研究中在快速 构建道路三维模型的基础上，提出了面向网络快速传输的三维模型的简化和客户 端恢复算法，提高了海量模型数据的传输速度。并采用基于g p u 高级扩展功能 如显示列表、v b o 等技术提高了客户端绘制道路三维场景的效率。 3 海量模型数据的传输优化策略 道路三维模型的数据量通常呈海量分布，如何将海量数据在“服务器硬盘 服务器内存网络客户端内存客户端硬盘”这条“传送链”上高效地管理和快速 地传输是本文需要研究的重点问题，在采用模型简化技术的基础上，本研究采用 了如缓冲区、数据压缩、并行传输等多种优化策略，进一步提高了海量模型数据 在服务器端与客户端间的传输速度，从而也提高了整个系统的运行效率。 4 w 曲3 d 与w e b g l s 平台集成及其应用 w e b g i s ( w e bg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，网络地理信息系统) 是g i s 与网 络技术发展相结合的产物，它将因特网作为一个能够承载和发布地理信息空间信 息的平台，在w 曲上提供地理空间数据的共享访问。将w 曲3 d 技术与w e b g i s 结合集成起来构建成一个信息可视化综合平台则可以从更多维度来管理、展示和 分析道路工程中的各种信息。本文研究了基于m a p x t