（计算机应用技术专业论文）基于虚拟城市的三维空间模型的研究.pdfVIP

摘要 随着计算机技术和通信技术的发展，数字技术和网络技术已经给全世界带来了深刻的变 化。作为信息社会的重要组成部分，数字地球、数字城市得到了迅速的发展，而虚拟城市作 为可视化的平台为数字城市的运行提供了交互的界面。虚拟城市是基于虚拟现实技术和仿真 模拟城市技术，是数字城市的主要表现形式。虚拟城市的研究已经成为当前研究的热点问题 之一。本文主要对虚拟城市的模型设计的方法研究，并提出针对三维空间的建模方法。 论文首先回顾了虚拟城市及虚拟现实技术的国内外发展现状，并就虚拟城市建设的意义 进行了详细的论述。本文对虚拟城市的建模技术、环境建模、三维空间建模、空间分析等相 关内容进行了研究。三维空间建模是本文研究的重点内容。对于地形的模拟，作者主要采用 规则网格( g r i d ) 和不规则三角网( t i n ) 两种方法对采集到的数字高程模型进行模拟，并对 d e l a u n a y 三角网算法及三角网的更新算法、约束线插入算法进行了详细的论述；而对于地 物的研究，作者主要讨论的是基于地理的空间建模方法，提出了三维空间的各种模型，例如 t e n ( 不规则四面体网格) 模型、o c t r e e 八叉树方法等；文章的另一个重点问题是三维空间 的集成技术，由于地表模型和地物模型之间建模方式不同、数据结构的差异，模型与模型之 间是几何分离的，所完成的三维空间对象模型也将是有缝隙的。针对这种情况我们提出了基 于规则网格的几何无缝集成技术和基于不规则三角形网的几何无缝集成技术，并提出一种改 进的地物与地形的集成方法。通过介绍了真实感实时绘制技术的两种技术：纹理映射技术和 细节层次技术。纹理映射是将纹理图像贴在简单物体的几何表面，以近似描述物体表面的纹 理细节，加强真实感；细节层次技术是对场景中不同物体或物体的不同部分，采用不同的细 节描述方法，对于虚拟环境中的一个物体，同时建立几个具有不同细节水平的几何模型。 其次，作者通过介绍w i n d o w s 下的o p e n g l 编程以及虚拟城市的再现。在建立了三维城 市模型的基础上，结合真实感实时绘制方法，采用v i s u mc + + 结合三维图形应用程序接口 o p e n g l ( 开放的图形库) ，结合提出的模型，开发了一个初步的实验系统虚拟城市系统， 对采用该模型构建相对规则建筑物的可行性进行了论证。除此之外，在可视化的基础上实现 了三维动态漫游等。 文章最后对全文内容进行了总结，并提出了值得深入研究的问题。 关键字：虚拟城市，三维空间模型，虚拟现实技术，三维动态漫游o p e n g l a b s t r a c t t o d a y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm o d e mc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , g r e a tc h a n g e sh a v et a k e np l a c ei nt h ew o d db yd i g i t a l - t e c h n o l o g ya n di n t e m e t t e c h n i q u e t h ed i g i t a la n dt h ed i g i t a lc i t ya sm o s ti m p o r t a n tp a r t0 fi n f o r m a t i o nh a v e d e v e l o p e dr a p i d l y , a n dv i r t u a lc i t ys u p p o r tm u t u a ii n t e r f a c ea sav i s i b l ep l a t f o r m v i r t u a l c i t yi sb a s e do nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n de m u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n di st h em e r e l y f o r n no fe x p r e s s i o n n o w a d a y s t h er e s e a r c ho nv i r t u a ic i t yi sb e c o m i n go n eo ft h eh o t t e s t p r o b l e m s t h ep a p e ri sa b o u tt h em e t h o do fv i r t u a lc i t yb r i n gu pt h ew a yo fb u i l d i n gm o d e l o ft h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c e f i r s t l y , t h ep a p e rr e v i e w e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na b o u tv i r t u a lc i t ya n dv i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g ya n dt a l k e da b o u tt h es i g n i f i c a n c eo fb u i l d i n gv i r t u a lc i t y f r o mt h ep a p e rw e c a ns e e ，t h ea u t h o rm a i n l yr e s e a r c h e da b o u tt h et e c h n o l o g yo fb u i l d i n gm o d e l ，b u i l d i n g e n v i r o n m e n tm o d e l ，t h r e e d i m e n s i o n a is p a c em o d e l 。s p a c ea n a l y s i sa n ds oo n b u i l d i n g t h e - d i m e n s i o n a is p a c em o d e l st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h i sp a p e r f o rt h es i m u l a t i o no f t e r r a i n ，t h ea u t h o rm a i n l ya d o p t e dt w om e t h o d sg r i da n dt i n ( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a r n e t w o r k ) t os i m u l a t ed e m a n di n d u c ed e l a u n a yt r i a n g l en e ta l g o r i t h m ，d e l a u n a yt r i a n g l e n e tu p d a t ea l g o r i t h ma n dc o n s t r a i n e dl i n e si n s e r t e da l g o r i t h mt oe x h a u s t f o rt h eo b j e c to nt h el a n d ，t h ea u t h o rd i s c u s s e dt h ew a yo fb u i l d i n gs p a c em o d e l b a s e do ng e o g r a p h i c a lf e a t u r e sa n di n t r o d u c ei nd e t a i l sd i f f e r e n tm o d e io f t h r e e - d i m e n s i o n a i s p a c es u c ha st e nm o d e l ，o c t r e em o d e l ；t h ei n t e g r a t i o no f t h r e e - d i m e n s i o n a is p a c ea l s oi si m p o r t a n tp r o b l e mj nt h i sp a p e r g a s he x i s t si nt h e t h r e e - d i m e n s i o n a is p a c eb e c a u s et h ed i f f e r e n to fs u r f a c ea n do b j e c tm o d e l 。d a t as t r u c t u r e o r g a n i z a t i o na n dt h es e p a r a t i o no fm o d e l s s ow ep r o p o s eg e o m e t r i cs e a m l e s st e c h n i q u e b a s e do ng r i da n dt ina n di n d u c ean e wi n t e g r a t i o nw a yt os o l v et h ep r o b l e mb e t w e e n t e r r a i na n dm o d e iu n d e rt e r 陀i n i nt h ep a p e r , w ei n t r o d u c et w om e t h o d so fr e a l i t ys e n s i b l e a n ds u m m a r yt e c h n o l o g y ：t e x t u r em i p p i n ga n dl e v e lo fd e t a i lt e c h n i q u e t e x t u r em i p p i n g t a k e si m a g eo nt h eg e o m e t r i cs u r f a c eo fo b j e c ta n ds i m i l a re x p r e s s e st h er e a io b j e c t e n h a n c i n gt h es e n s eo fr e a l i t y ：l o dt e c h n i q u et a k e st h ed i f f e r e n tp a r t so fs c e n ei n t o d i f f e r e n tw a yt od e s c r i b eo b j e c t f o rt h eo b j e c ti nt h ee n v i r o n m e n t ，w eb u i l ds o m ed i f f e r e n t d e t a i l e dg e o m e t r i cm o d e l si nt h es a m et i m e s e c o n d l y ，a u t h o rp r e s e n t e t dt h a to p e n g lp r o g r a m m i n gu n d e rw i n d o w sa n dr e a p p e a r o fv i r t u a ic i t y u n d e rb u i l d i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ic i t ym o d e l a u t h o rc o m b i n e ss e n s i b l ea n d s u m m a r yd r a w i n gm e t h o da n da d o p t sv i s u a i c + + a p p l i c a t i o n o fi n t e r f a c eo f t h r e e - d i m e n s i o n a li m a g e b yi n t r o d u c e dm o d e l ，w ed e v e l o pas i m p l es y s t e m m v i r t u a lc i t y s y s t e ma n dp r o o fi tf e a s i b i l i t y i na d d i t i o n i ta c h i e v e dt h r e e - d i m e n s i o n a ld y n a m i cr o a m i nt h ee n d t h ep a p e rs u m m a r i z e da l if u t e x ta n dp r e s e n t e dp r o f o u n dr e s e a r c h 。 k e yw o r d s ：v i r t u a lc i t y , t h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c em o d e l ，t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a lr e a l i t y , d y n a m i c - r o a m ，o p e n g l 2 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 蛰主叠丞 日 期： 2 q ! 盘生。 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盼师签名： 日期：2o0 心生 月 。= 一 第一章绪论帚一早殖下匕 1 1 课题研究背景 此课题是在教育部“春晖计划”项目“贵阳市三维地形虚拟漫游系统的研究”的 资助下开展的。 由于城市化与城市信息化受到人们的广泛重视。虚拟城市为现代城市的发展开辟 了广阔的天地，同时也带来了巨大的社会效益和经济效益。虚拟城市作为数字城市的虚 拟表达、运行环境和交互界面，是以地理信息技术、计算机技术、现代通信网络技术、 虚拟现实技术的综合应用为基础构造的多维信息空间或网络空间，为广大公众在其中 参与城市规划和设计，进行社会交往和交流提供了电脑化、网络化、虚拟化、适人化 的新型场所。 本课题所研究的“贵阳市三维地形虚拟漫游系统”主要是对虚拟现实技术下的虚 拟城市的研究。目前的虚拟城市建设研究是利用虚拟现实软、硬件与多种传感器结合 的高科技系统，综合应用全数字摄影测量技术、g i s 技术、 仿真技术等，在有关城市 数据的基础上建立虚拟城市。首先利用全数字摄影测量技术，g i s 技术等快速获取所研 究区域的基础地理数据( 4 d 产品) 、建筑外表结构与纹理数据等，建立研究区域的地理数 据库。建立虚拟现实系统与国家空间数据转换标准间的接口程序，可以实现包括d e m 数据和矢量数据的转换、虚拟现实系统的数据格式转出为国家空间数据标准格式以及 国家空间数据标准格式转入虚拟现实系统的格式。研究利用采集到的数据及虚拟现实 建模技术，对研究区域进行快速建模。在此基础上建立虚拟城市的仿真环境，可以实现 城市的真实环境弭现以及规划环境的预见。 虚拟现实技术具有巨大的应用前景，受到广泛的重视，因此，目前虚拟现实技术 是所有发达国家都在大力研究的前沿领域，发展速度非常迅速。虚拟现实( v r 即v i s u a l r e a l i t y ) 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它充分利用计算机硬件与软 件资源的集成技术，提供了一种实时的、三维的虚拟环境( v i s u a e n v i r o n m e n t ) ，使 用者完全可以进入虚拟环境中，观看计算机产生的虚拟世界，听到逼真的声音，在虚 拟环境中交互操作，有真实感，可以讲话，并且能够嗅到气味。 正是由于虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给 人带来的身临其境的感受，它在军事和航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作 用。 近年来，随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用， 虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。 虚拟战场、虚拟城市、数字城市、甚至“数字地球”，无一不是虚拟现实技术的应用。 虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。 1 2 国内外虚拟城市的研究现状 虚拟城市研究的起源可以追溯到2 0 世纪8 0 年代初，美国s k i d m o r e 和m e r r i l l 两个城 市那时就在3 d 城市模拟上有所建树。英国斯特拉思克莱德大学也在这方面做了研究。 我国自8 0 年代以来，许多城市也开始应用“城市规划管理信息系统”，包括北京、深圳、 广州等。进入9 0 年代随着地理信息系统( g i s ) 、管理信息系统( m i s ) 技术的推广和应用， 国内一些较知名的g i s 厂商也在致力于三维地理信息系统，城市地理信息系统及城市仿真方 向的研究。 我国有关虚拟城市的研究刚刚起步，以城市信息数字化为长远目标面向城市可持续发展 的建设目前也仍处于探索阶段。但城市信息化已经受到了政府部门及科研院所的重视，对城 3 市信息化的研究已经提上日程。 尽管目前虚拟城市研究取得了很大的进步，但是，总体上来看，基本上还停留在软硬环 境建设方面，并没有取得实质性的进展，虚拟城市还存在具有巨大的研究和利用潜力。 1 3 本文的主要研究内容及论文的结构安排 本文根据目前虚拟现实技术的需求，针对虚拟城市中三维模型设计问题，详细介绍了三 维空间建模技术及建模方法。本文所研究的三维空间建模主要是针对地形的模拟和地物的建 模，地形和地物的集成：由于地矿的复杂性，我们不对地下的地质结构做三维空间的模拟。 在地形的模拟中，我们主要用规则网格( g r i d ) 的方法和t i n ( 不规则三角网) 的方法来模 拟数字高程d e m ；在地物的模拟中，有很多方法可以使用，我们可以采用o p e n g l 函数库中 生成立方体的方法生成我们想得到的三维模型，也可以通过建模软件直接生成我们想要的三 维模型，在论文中，我们深入分析了三维空间的关于地物的构模方法，如c s g 模型，o c t r e e 模 型等；在地形和地物的集成技术中，我们采用基于规则网格的无缝集成技术和基于不规则三 角网的无缝集成技术两种技术使地形与地物不存在数据裂缝，保证了三维空间模型的一致 性。 围绕上述内容，本文分为七章。 第一章论述了课题的研究内容和意义，以及虚拟现实、虚拟城市的国内外研究现状。 第二章详细介绍了虚拟现实及虚拟城市。对虚拟现实，作者对于虚拟现实技术的概念、 特征、分类以及虚拟现实技术研究的主要内容进行了详细的论述和介绍；对于虚拟城市，我 们从虚拟城市的概念、虚拟城市研究的意义、构建虚拟城市的关键技术及虚拟城市实现的关 键技术来讨论。 第三章介绍了虚拟城市的建模技术。作者首先介绍了虚拟现实系统三维景观建模实现方 法，并介绍了三种实现方法；其次是虚拟城市环境，针对虚拟环境建模的建模技术进行了讨 论；再次，作者讨论了三维建模技术及基于建模软件的三维城市建模；最后，作者详细介绍 了三维图形的各种几何变换，为第四章的三维空间模型设计及三维城市再现提供了有效的研 究方法。 第四章是本论文的重点及核心部分。作者详细分析了地形的三维空间建模、地物模型及 地形与地物模型的无缝集成。在基于t i n ( 不规则三角形网格) 及g r i d ( 规则网格) 两种三 维空间的构模方法的基础上，详细讨论了基于d e m 的地形的建模方法、地物模型底部的三角 剖分技术、以及地物模型与地形模型的集成技术，并改进现有的集成技术。 第五章是对三维图形接口刮p e n g l ( 开放的图形库) 的详细介绍。 第六章是编程实现三维虚拟城市并实现漫游。 第七章是对本论文的总结及对虚拟城市今后研究内容、发展前景的描述。 4 2 1 虚拟现实 第二章虚拟现实及虚拟城市 虚拟现实技术是近年来十分活跃的研究和应用技术。从2 0 世纪8 0 年代被广泛关注以来， 发展极为迅速。在美国一家杂志社评选影响未来的十大科技水平时，i n t e r n a t e 位居第一， 虚拟现实技术名列第二。虚拟现实技术是一系列高新技术的汇集，这些技术包括计算机技术、 计算机图形学、传感技术、人体工程学、人机交互理论、多媒体技术等。虚拟现实技术是对 这些技术更高层次的集成与渗透。虚拟现实技术、理论分析、科学实验，已成为人类探索客 观世界规律的三大手段。 2 1 1 虚拟现实技术的基本概念 关于虚拟现实技术，现在一般有几种不同的定义，主要分为狭义和广义两种。所谓狭义 的，被认为是一种先进的人机界面( 人机交互方式) ，在这种情况下，虚拟现实技术被称之 为“基于自然的人机界面”，在此环境下，用户看到的是彩色的、立体的景象，听到的是虚 拟环境中的声音，手、脚等可以感受到虚拟环境反馈给他的作用力，由此使用户产生一种身 临其境的感觉。换言之，人以与感受真实世界一样的( 自然的) 方式来感受计算机生成的虚 拟世界，具有与在真实世界中一样的感觉。广义的，即对虚拟想象( 三维可视化的) 或真实 三维世界的模拟。它不仅仅是一种界面，更主要部分是内部的模拟。人机交互界面采用虚拟 现实的方式界面，对某个特定环境真实再现后，用户通过自然的方式接受和相应模拟环境的 各种感官刺激，与虚拟世界中的人及物体进行思想和行为等方面的交流，使用户产生身临其 境的感觉。 虚拟现实系统产生的虚拟世界不同于一般的虚拟世界，虚拟现实产生的虚拟世界可以称 为“三维的、由计算机生成的、存在于计算机内部的虚拟世界”，这个世界或环境是人工构 成的是存在于计算机内部的。这种虚拟的世界，通常有两种情况。一种情况是真实世界的再 现。另一种情况是完全虚拟的人造世界。 综上所述，虚拟现实技术可以归纳如下：虚拟现实技术是指采用以计算机技术为核心的 现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方 式和虚拟世界中的物体进行交互，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验。这里所 谓虚拟环境是指计算机生成的具有色彩鲜明的立体图形，它可以是某一特定现实世界的真实 体验，也可以是纯粹构想的虚拟世界。 2 1 2 虚拟现实技术的特征 虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面，它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等多种 直观而自然的实时感知交互的方法与手段，最大程度的方便了用户的操作，从而减轻了用户 的负担、提高了系统的工作效率，其效率主要由系统的沉浸程度和交互程度来决定。美国科 学家b u r d e ag 。和p h i l i p p ec o i f f e t 在1 9 9 3 年 世界电子年会上发表了一篇题为“v i r t u a l r e a l i t ys y s t e ma n da p p l i c a t i o n ”的文章，在 该文中提出了虚拟技术具有的三个突出特征：沉 浸性( i m m e r s i o n ) 、交互性( i n t e r a c t i v i t y ) 和 想象性( i m a g i n a t i o n ) 。如图2 1 所示： 沉浸性( i m m e r s i o n ) 是指用户一人作为主 角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟环 交互槛i r l n 挺随c 髓嘶 芘浚氆o m m e r 摹i o n ) ， 墨采麓f 1 m a 舒n 确o n j 图2 1 境应该达到使用户难以分辨真假的程度( 例如可视场景应随着视点的变化而变化) ，甚至超越 真实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果等。 5 交互性( i n t e r a c t i o n ) 是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的 自然程度( 包括实时性) 。例如，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物体，这时手有触摸感， 并可以感觉物体的重量，场景中被抓的物体也立刻随着手的移动而移动。 想象性( i m a g i n a t i o n ) 是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方 位地获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。 2 1 3 虚拟现实技术的分类 在实际应用中，我们根据虚拟现实技术对“沉浸性”程度的高低和交互程度的不同，划 分了四种典型类型： 1 沉浸式虚拟现实系统： 沉浸式虚拟现实系统是一种高级的、较理想的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体 验，使用户有一种仿佛置身于真实世界的感觉。它通常采用洞穴式立体显示装置或头盔式显 示器等设备，首先把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉 空间，利用空间位置跟踪器、数据手套、三维鼠标等输入设备和视觉、听觉等设备，使用户 产生一种身临其境、完全投入和沉浸于其中的感觉。沉浸式虚拟现实系统具有五个特点： 具有高度实时性能；具有高度的沉浸感；具有良好的系统集成度与整合性能；具有良 好的开放性能支持多种输入与输出设备并行工作。 2 桌面式虚拟现实系统： 桌面式虚拟现实系统也称窗口虚拟现实，是利用个人计算机或初级图形工作站等设备， 以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术，产生三 维立体空间的交互场景，通过包括键盘、鼠标和力矩等各种输入设备操作虚拟世界，实现与 虚拟世界的交互。 桌面式交互系统主要有以下三个特点： 用户处于不完全沉浸的环境，缺少完全沉浸、身临其境的感觉，即使带上立体眼镜， 仍然会受到周同现实世界的于扰； 对硬件设备要求极低； 实现成本较低，应用相对比较普遍。 3 增强式虚拟现实系统： 增强式虚拟现实系统既可以允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界上 的虚拟对象，它是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统，既可减少复杂真实环境的 计算，又可对实际物体进行操作，真正达到了亦真亦幻的境界。增强式虚拟现实系统主要有 三个特点：真实世界和虚拟世界融为一体；具有实时入机交互功能；真实世界和虚拟 世界在三维空间中整合。 4 分布式虚拟现实系统： 分布式虚拟现实系统是虚拟现实技术和网络技术发展和结合的产物，是一个在网络的虚 拟世界中，位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟世界通过网络相联共享信息的系统。分 布式虚拟现实系统的目标是在“沉浸式”虚拟现实系统的基础上，将地理上分布的多个用户 或多个虚拟世界通过网络连接在一起，使每个用户同时参与到一个虚拟空间，通过联网的计 算机与其他用户进行交互，共同体验虚拟经历，以达到协同工作的目的，它将虚拟现实的应 用提到了一个更高的境界。 分布式虚拟现实系统有以下特点： 各用户具有共享的虚拟工作空间； 伪实体的行为真实感； 支持实时交互，共享时钟； 多个用户可以各自不同的方式相互通信： 6 资源信息共享以及允许用户自然操作虚拟世界中的对象。 2 。1 4 虚拟现实系统的组成 一个典型的虚拟现实系统主要由计算机、输入输出设备、应用软件系统和数据库等组成， 其模型如图2 2 所示。 嘲2 - 2 盔毒溉实系统 1 计算机：在虚拟现实系统中，计算机是系统的心脏，有人也称之为虚拟世界的发动机。 它负责虚拟世界的生成、人与虚拟世界的自然交互等功能的实现。 2 输入输出设备：在虚拟现实系统中，用户与虚拟世界之间要实现自然的交互，这必须采 用特殊的输入与输出设备，用以识别用户各种形式的输入，并实时生成相应反馈信息。 3 应用软件系统：在虚拟现实系统中，应用软件完成的功能跟有：虚拟世界中物体的几何 模型、物理模型、运动模型的建立；三维虚拟立体声的生成；模型管理技术及实时显示 技术、虚拟世界的数据库的建立与管理等。 4 数据库：虚拟世界数据库主要存放整个虚拟世界中所有物体的各方面信息。在虚拟世界 中含有大量的物体，在数据库中就需要有相应的模型。 2 1 5 虚拟现实技术的研究的主要内容及实现意义 虚拟现实研究内容包括以下几个方面： 1 动态环境建模虚拟环境的建立是v r 系统的核心内容，动态环境建模技术的目的就是 获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要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，更多的情况则需采用非接触式的视觉技术，两者有机结合可以有效地提高 数据获取的效。 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，这里的关键是如何实现 “实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新频率不低于1 5 帧秒，最好高 于3 0 帧秒。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率是该技术的主要 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 有的设备远远不能满足需要，比如头盔式三维立体显示器有以下缺点：过重( 1 5k g 至2 k g ) 、 分辨率低( 图像质量差) 、延迟大( 刷新频率低) 、行动不便( 有线) 、跟踪精度低、视场不 够宽、眼睛容易疲劳等，因此有必要开发新的三维显示技术。同样，数据手套、数据衣服等 都有延迟大、分辨率低、作片j 范围小、使用不便等缺点。另外，视觉和触觉传感装置的研究 也有待进一步深入，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高。 4 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，即如何发挥想像力 和创造性。选择适当的应用对象可以大幅度提高生产效率，减轻劳动强度，提高产品质量。 为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具，例如v r 系统开发平台、分布式虚拟现 实技术等。 5 系统集成技术由于v r 系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至 关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成 7 技术等等。 由于虚拟现实技术的广泛用途，能够实现人与自然之间的和谐交互；扩大人对信息空间 的感知通道：提高人类对跨越时空事物和复杂动态事件的感知能力，把计算机应用提高到暂 新的水平，其作用和意义是十分重要的。此外，我们还可从更高的层次上来看待其作用意义。 2 2 虚拟城市 当今城市的发展正在向信息化迈进，信息技术正深刻的改变着人们的生活方式和社会面 貌。在这种情况下，建设虚拟城市的意义不仅仅体现于一种技术的实现，更重要的是向人们 展现一种新的生存方式，并使之成为城市规划、建设、管理与服务数字化工程的终极目标。 2 2 1 虚拟城市的概念 随着城市化进程的加快，建立在城市信息化平台上的虚拟银行、虚拟商务、虚拟政府、 虚拟学校、虚拟影剧院的出现，为虚拟城市的发展提供了很好的参考和借鉴。 虚拟城市( v i r t u a lc i t y ) ，就是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础， 以宽带网络为纽带，运用3 s 技术、遥测、仿真一虚拟技术等对城市进行多分辨率、多尺寸、 多时空和多种类的三维描述，用于模拟和表达城市地形地貌、交通、建筑等城市环境中的现 象和过程。也就是说利用信息技术把城市的全部内容进行数字化虚拟实现。抽象的说，虚拟 城市是对真实城市以地理位置及其相关关系为基础而组成数字化的信息框架，我们可以在这 个框架内嵌入我们所能获得的信息，提供快速、准确、充分和完整地了解和利用城市中各方 面的信息。 严格来讲，虚拟城市如同数字城市、数字地球一样，还是一个正在发展和演变的概念。 从城市规划、建设和管理的角度看，虚拟城市可概括为“4 3 v r ”，即“地理数据4 d 化、地图 数据三维化、规划设计v r 化”。 虚拟城市具有五大特点：空间性、规范性、统一性、增值性和可塑性。其核心技术包 括3 s 集成技术、3 dg i s 、v r g i s 、数据库技术、虚拟现实技术和网络技术。 虚拟城市是关于虚拟现实技术在地理科学中的应用，具体来说，是在城市发展中的应用。 在认识上，虚拟城市系统是一种地学虚拟环境，它是实现现实城市在数字网络空间的再现和 反映，不仅通过模拟和仿真再现现实城市，而且它超越现实城市实现了城市的虚拟化和网络 化：在方法上，虚拟城市系统的设计、开发和建设同计算机科学、信息科学和地理科学相关 学科的研究有着密切的联系，特别是虚拟现实技术、地理信息系统、地学可视化、摄影测量 与遥感、通信技术等信息技术的飞速发展，数字城市建设进程的加快，直接推动了虚拟城市 的产生和发展。简而言之，它是以信息技术和空间技术为核心的城市信息系统体系；在应用 上，它是一个基于网络环境的城市信息应用服务体系，为数字城市的运行提供了城市虚拟环 境平台。 2 。2 2 构建虚拟城市的关键技术 虚拟城市系统的建设涉及多种技术，包括计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、 g i s 技术、三维建模技术等。归纳起来，虚拟城市的开发与应用需要以下技术： 1 遥感技术 遥感( r e m a o t es e n s i n g ) 是一种远距离的、非接触的目标探测技术和方法，通过对目 标进行探洲，获取目标信息，然后对所获得的信息进行加工处理，从而实现对目标的定位、 定性或定量描述。由于地面目标的种类及其所处的环境条件的差异，地面目标具有反射和辐 射不同波长的电磁波信息的特性，遥感正是地面目标反射或辐射电磁波的固有特性，通过观 察目标的电磁波信息已达到获取目标的几何信息和物理属性的目的。 2 3 s 一体化技术 8 全球定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 和地理信息系统( g i s ) 是建立数字城市的三大支撑技 术。3 s 一体化将使地理信息系统将使地理信息系统具有获得准确、快速定位的现实遥感信 息的能力，实现数据库的快速更新和在分析决策模型支持下，快速完成多维、多元复合处理。 因此，3 s 技术将最终建成新型的地面三维信息和地理编码景象的实时或准实时获取与处理 系统，形成快速、高精度信息处理流程。虚拟城市需要综合运用这三大技术的特长，方可形 成和提供所需的对地观测、信息处理和分析模拟能力。因此，3 s 一体化技术将是建立虚拟 城市技术的关键支撑技术之一。 3 虚拟现实技术 虚拟现实技术的发展和应用为虚拟城市系统的发展提供了良好的理论与技术的支持。虚 拟现实技术完全基于现实世界的真实数据包括地形、景观影像、人工地物、车船模型、飞机 模型等，场景中的所有数据是真实的。虚拟现实技术是构建虚拟城市最为关键的支撑技术。 4 智能化实时建模技术 智能的主要目的在于在计算机系统内生成城市真实的三维虚拟环境，指根据采集到的数 据，利用三维实时建模技术建立各种地理实体，如地形、建筑物、道路、水面、树木、草地 等在虚拟现实系统中的模型。智能化实时建模包括三方面：建模过程中的数字图形图像信息 智能提取和优化，例如空间几何与属性分布的离散光滑插值。建模流程的智能化更新和随数 据变化的自动建模。 5 数据仓库集成及数据挖掘技术 虚拟城市系统包含多种来自不同系统的数据，单一的常规数据库远远满足不了多源的空 间数据融合、集成、交互和信息提取。为了满足上述需求，需要利用数据仓库集成和数据挖 掘技术。数据仓库集成包括对接口技术的研究，包括d e m 数据、矢量数据的相互操作等。数 据挖掘，也可以称为数据库中的知识发现，是从大量数据中提取可信、新颖、有效并能被人 理解的模式的高级处理过程。随着信息技术的不断发展，预计数据库的研究焦点将会集中于 寻求数据挖掘过程中的可视化方法，使得知识发现的过程能够被用户理解，也便于在知识发 现过程中的人机交互。研究在网络环境下的数据挖掘技术，特别是在i n t e r n e t 上建立数据 挖掘和知识发现服务器，与数据库服务器配合，实现数据挖掘。加强对各种非结构化数据的 挖掘，如文本数据、图形图像处理、多媒体数据。基于多源、异构和面向对象的数据仓库技 术，包括数据采集和数据挖掘技术，是实现跨平台、互操作、分布式和实时的虚拟城市系统 的数据核心技术。 2 2 3 虚拟城市的体系结构 虚拟城市系统的构建是以虚拟现实系统为核心，综合利用全数字摄影测量系统、g i s 和 网络技术实现的。它是集计算机技术、v r 、g i s 、数据集成共享、网络系统等为一体的城市 信息化和管理决策辅助系统。一个完整的虚拟城市系统应包括以下9 个主要组成部分： ( 1 ) 虚拟现实系统软件和硬件； ( 2 ) g i s 或数字摄影测量系统，用于数据采集和分析； ( 3 ) 虚拟现实，从数据的处理解释剑城市三维建模； ( 4 ) 虚拟现实投影和浸入交互用户界面； ( 5 ) 虚拟现实系统开发兼应用集成平台： ( 6 ) 通用的软件开发工具库； ( 7 ) 跨系统异构数据共享； ( 8 ) 网络系统，包括局域、广域和宽带高速互联网； ( 9 ) 分布式交互仿真。 由此，相对于虚拟现实系统的三大特征，虚拟城市系统同样有三个特征：城市环境仿真、 交互和城市信息网络共享。城市环境仿真是指利用全数字摄影测量系统或g i s 软件的数字采 9 集功能，对城市地形以及道路、建筑等特征数据 进行快速采集，并集成到v r 系统中，在计算机 系统中建立起城市的虚拟仿真环境。交互是指利 用v r 系统对虚拟实体的交互操作，结合g i s 的 特征查询和强人的分析功能，对虚拟城市环境及 其各仿真对象实体进行交互查询、修改和分析， 已得到预想的结果。信息网络共享则是利用因特 网，了解和认识城市。如图2 - 3 为虚拟城市的系 统框架结构： 匝垂爱巫 霉2 - 3 2 2 4 虚拟城市实现的关键技术 1 提高实时性的技术 ( 1 ) 细节层次技术( l e v e lo fd a t a i l ，l o d ) ：l o d 主要通过随着视点变换改变物体模型的 细节程度来提高显示速度：l o d 技术与m o r p h i n g 技术的结合，可以增强l o d 变换的平滑性。 ( 2 ) 基于图象的图形绘制技术：基于图象的建模和动态显示技术是直接利用实际中拍摄得 到的视景图象来构造虚拟场景，具有快速、简单的优点，缺点是观察点及观察方向受到限制， 不能实现完全的交互性操作。 ( 3 ) 模型简化技术：现有的许多模型简化算法，如基于顶点聚类的网格简化算法和基于边 折叠的网格简化算法等，但对于某些复杂的模型，简化效果还是不能令人满意，往往需要手 工简化，而手工简化的工作量是非常巨大的。如何利用程序对模型进行简化必将继续受到人 们的关注。 ( 4 ) 场景调度管理技术：现在的研究主要集中在场景地形的分块调度和场景模型的动态调 度上。动态地选择小单元地形模型进行调用，不用调用整个地形模型，能有效地提高系统输 出视景的实时性。 ( 5 ) 实例化技术：当三维复杂场景模型中有多个几何形状相同但位置不同的物体时，实例 化技术可以解决这个问题。相同的儿何体可以共享同一个模型数据，通过矩阵变换安置在不 同的地方，这时只需要一个几何数据的存储空间，可以大大地节约内存空间。 2 提高真实感的技术 ( 1 ) 纹理映射技术：在一些复杂模型中，利用逼真的纹理既可以提高模型的细节水平和真 实感，又不增加三维几何造型的复杂度，从而减少了模型的多边形数量。 ( 2 ) 光照、阴影生成技术：光照和阴影是提高模型真实感的重要技术，但是由于实时性的 要求，大多虚拟现实软件采用了静态阴影技术，但是静态阴影不能满足人们的需求，现在动 态阴影的快速生成技术，也是研究的一个热点和难点。 ( 3 ) 快速渲染算法：现在的渲染一般都采用z - b u f f e r 算法，也有采用b s p 算法的。后者相 对前者来说速度上更快，但有个致命弱点：对于三个互相交叉成三角形的物体，它会无能为 力。而人们对画而质量的追求却是无极限的，在今后，快速渲染算法依旧是一个重要的研究 领域，其中还包括各种光影的生成算法。 ( 4 ) 反走样技术：绘制中的_ 个问题是走样，它会造成显示图像的失真。走样是由图像的 像素性质造成的失真现象。反走样方法的实质就是提高像素的密度。 3 提高交互性的技术 自由度( d e g r e eo ff r e e d o m ，d o f ) 技术：是针对物体的行为动态特性，采用d o f 技术对 模型设置自由度，实现物体间的铰链链接，即动态特性。 我们在第三章详细介绍纹理映射技术、细节层次技术等。 1 0 2 2 5 虚拟城市建设的意义 虚拟城市将现代城市的信息进行收集、整理、归纳，并按照地理坐标建立完整的信息模 型，再用网络连接起来，从而使每个人都能快速、完整、形象的了解城市的宏观和微观的各 种情况，并充分发挥这些数据的作用，从而实现跨行业综合基础数据共享。通过虚拟能使城 市地理、资源、环境、生态、人口、经济、社会等复杂系统实现可视化、虚拟化、网络化， 从而使城市规划具有更高的效率、更丰富的表现手法、更多的信息量，并提高城市建设的时 效性、城市管理的有效性，促进城市的可持续发展。因此，虚拟城市建设是具有十分重要的 意义，具体表现在： 1 虚拟城市是适应现代城市信息化的产物。 2 。虚拟城市给人们提供了一种全新的城市规划、建设和管理理念。 3 虚拟城市是信息社会中城市的信息源，可为数字城市中知识的生产、流通和应用提 供场所和工具。 4 虚拟城市能够适应并预测城市的变化，进而实现可持续的城市发展。 第三章虚拟城市的建模技术 三维建模技术是虚拟现实与可视化的基础。在虚拟城市的构建中，只有通过对城市环境 中的对象进行合理地分析，对各种城市要素进行三维建模才能利用可视化技术来实现三维景 观再现。虚拟城市建模的目的是获取实际的三维数据，利用获取的三维数据建立相应的三维 模型。下面具体介绍关于虚拟城市的建模技术。 3 1 虚拟现实系统三维景观建模实现方法 目前，虚拟现实三维景观建模技术