（计算机应用技术专业论文）立体式虚拟校园的场景规划与设计.pdf

顿士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 痿接现实技术是_ i 驻年来奁各领域弓| 起广泛关注盼技术。虚钕现实技术是戳计算 桃技术为核心，充分蟪利耀霪羧线实中静交互技术、实爵技术襁溅浸蒜技术，生成 遇奏戆虚拟环境，让傻耀老鞋叁然方馁静形式与蕊羧环境中静对象进行交互，铁赢 产生出等同真实琢壤豹感受寒体验。 黢蓑“数字地球”、“数字中国”、“数字城市”等概念蕊掇出帮逐步实瑗， 虚拟校园的设计与实现已成为当裁大学研究的热点之一。虚拟校匿的磺究与实现是 在科举地规划和统筹蛾安排下完成的。虚拟场景的规划和设计是建立整个虞拟校园 漫游系统的基础，是建立成拟校园不可或缺的工作。 本文以华中师范大学虚拟校园漫游系统为例，在以下三个方面进行了研究与探 讨。 1 + 在虚拟校阏的场景规划与设计、l o d 技术以及场景的效果表现技术等方丽展 开工伟，实现了虚拟现实建模技术的一些重要方法。 2 在对虚拟现实技术及面向虚拟现实的场景设计的理论分析的基础上，结合 华中筛范大学虚损校园漫游系统的特镊和要求，提出了一套适用于虚拟校豳场景设 计的技术方案，蓿驹专遭静虚撅现实建模软件酣u l t i g e nc r e a t o r 建造出华中师范大 学靛三维环境。 3 绘出了基予融l t i g e ne r e a t o r ￥e g a 鼢三维蠹藏现实场景蕊翔与设计韵道 鼹滚程，讨论了奁e r e 娃o 建模懿坪境下对场景进行优化潋及逻努缝震示场景效果 的一些关键技术秘方法。 关键溜：震拟校园；黢拟场景；建摸技术；骐u l t i g nc r e a t o r ；v e g a 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s a b s t l i a c t 轴砖珏童y 铋菇，v i 娃u 鑫lr e 麓i | y 轰，d q h | 一d 、 毽 汉。，y 。，z ，橱称秀空褥点翡屏幕坐标系坐标，笫舀个坐标w 胃看成是囊成霾像 所需的透视信息载体。h 为屏幕高度，d 和f 分别为视域棱锥体的z 向近裁剪平面 和远裁剪平面。经z 向裁剪后的视域梭锥体转化为一棱台a 2 视域西棱锥裁剪 在将场景中的景物从税点艇标系变换劐屏幕坐标系之前，必须对物体与视域四 棱锥的相对位麓关系送行溯试。在褫点坐标系中，一个给定物体与褫减西梭锥的关 系可分为戳下凡类：( i ) 物体完全位于褫域滔棱锥之矫，可 l 马上撼弃粹；( 2 ) 物体 完全彼于裁蠛疆棱锥之内，捂它交换到屏幕坐标系并进行绘制；( 3 ) 搦体与褫缄蒌i 棱锥档交，需先焉褫域罄棱锥对携体遴行裁剪，然磊绘制其谴予褫域酉棱锻之内鹃 部分。对手蓠掰静类蝥，帮戳遴遗物体静包围辣或包爨盒与视域霞棱镶进彳亍篱单静 测试采完成。经裁赘蜃懿视域棱锥体转化为一棱台，魏图4 3 辑示。 固3 由六个擎嚣定义静视域器援镪 缀过场景造型和取景变换艨，酆完成了绘铡过程中见蠼处瑗酶邦分。黍l 余帮分 斡处理在屡蘩嫩标系巾进行，识拯必撼纯、隐藏嚣瀵狳帮光亮凄诗舞。 毒。 3 隐藏蘧泼爨 隐藏面消除即确定场景中的所有可见面，将视域之外或被其它物体遮挡的不可 觅瑟消去。 所有豫藏黼消除算法都涉及各景物表面离视点遁邋的排序。个物体离视点越 运，它越有霹懿被勇一个疆褪赢较迸鹃物俸遮撼。函魏，消隐讶看成是一个摊痔阔 题，消隐算法的效率徽大程度上取决予稚序瀚效率。 瀵憋算法羧其实聪方式霹分鸯豢物空溺游稳算法耩图像空溺清豫冀法两大炎。 ( 1 ) 景浆空闯消隐冀法 景物空阕泌隐算法蹇按在景物窆瓣( 攫点坐标系) 中确定援点不霹怒抟表露区 竣，势褥它 l 裘达袋圈黎表嚣一致敬数据结褥。在景物空凌实璇靛潸豫舞法肖袭优 先级算法。”、8 s p 算法蚓、w e i l e r a t h e r t o n 算法剐等。 ( 2 ) 图像空阆淡爨葵法 图像空间( 屏幕艇标系) 消隐算法则以屏幕象索为采样单霞，确定投影于撼一象 素的可见景物袭蘧嚣域，著姆葜颜色捧为该象素的曼示必亮疫。在露缘空阉中炙瑗 的消隐算法有z 缓存器算法。”、扫描线算法。“、光线跟踪算法( r a yt r a c i n g ) 等。z 缓存器算法枣实上已成为图形学中的拣准算法。它虽然褥要较大的内存，但黪法实 现非常简单( 只商一条件语句) 。目前很多计算机都装肖硬件实现z 缓存器算法的图 形加速卡。 裟刚 4 1 隼计算场祭中研瓣面的颓色 根据基于光学物理的光照明模型计算可见面授射到观察畿眼中的光亮度大小 和住彩分量，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影两面上每个象 素的颜色，最终生成图形。 4 2 纛拟校阂场鬃规剃豹过程 纛熬校园漫游系绞熬癸藏大钵上霹潋篙托为两个多骤。 ( ) 三维场景豹髋矧与建立； ( 2 ) 对场襞进行：i 蜜染、三维显示设置秘驱动控制。 场景救瓣戆具钵泉说一般瞧括毅下豆令方嚣戆缀矧。 ( 1 ) 确定废月类型、规模、效果以及实现平台筹。 ( 2 ) 建立域寻找搂型数撂，包疑撼影数据、特挺数摆、摸燕l 襄绞壤魅墅等。 ( 3 ) 确定模型的层次结构。 ( 4 ) 确定建立模型的方式，主要龟擐蜷形模型期她物模型。 ( 5 ) 对建好的模型进行优化的方式。 4 3 虞拟校阑场景的设计过程 4 3 。1 应溺平禽 根据虚拟校园漫游系统的蓑求较好的真实感霸实聪性、交曩憾，采用了基 于面向虚拟现实的三维几何模烈建模及动态显示技术的虚拟场燥的创建方法。 我们选用了渤l t i g e n p a r a d i g m 公司的专业虚越现实建模仿真软 牛m u l t i g e n c r e a t o r 来进行建模，用同一公司的实时驱动软件v e g a 来实现交互式漫游。间时， 我稻也用了3 蚤s m a x 款 串迸行一些有代表往的校园溺景的精翎娥豹缁节建模，将萁 导入到c r e a t o r 中，进行优化，加阻幂j 用。在纹理酾获取方面，我们选用了图像处 理软掌 p h o t o s h o p 。 本系统黉求既麓够逼真遗、缅黼魂展现校溺风貌，丽时述熊够实时遣交互战溺 览豢谗。 系统实璃静技术途径圭簧爱：戮牮串爨藩大学校鞫为对象，剩爝纛羧现实建模 软馋乎台，在微摄上竞残华中烬范大学攫攒校园漫游系统，阏射，邋过采用立传隈 铙等嫒传设备，达到粪正意义圭戆具奔滚浸感豹蕊搂现实的效莱。 4 3 2 数据的收集与整理 为了达到较为准确的真实的效果，需要采集一些必要的数据。首先是设计图纸 或者校园的平面图，这有利于掌握整个校园的全貌。最好还能有校园的实地测量参 考数据；其次为了解较为精细的局部情况，需疆一些现场拍摄的数码相片；纹理主 要从真实的数码相片中得到，对一些常用的纹理( 如树木、水的贴阔) ，则可以直接 从现成的纹理库中提取。另外，对于一些常见的模型，可以找剿一些现成的模型， 那些模型也许是其它的格式，可以通过导出为c r e a t o r 能够接受的格式，然后在 e r e a t o r 中寻入，迸行优亿处理。在实验中，我们发现m a x 格式的文件导出 为d x f ( a u t o c a d 的文件格式) 格式的文件磁将它寻出为3 d s 格式的文件能得蓟匿精 确结巢，猩少有变形、箨褥的情况发生。餐是，还没裔发现一种理想的方式能丝毫 无损豹保留原有静纹蘩。函髭，当进行这释模型静采巢对，要权衡工作量，氆许焉 e r e a t o r 耪建一个模型魄采躅瑟有的模型受方便。 采集刘这些数据之蜃，还必绥对慕集剿戆数搭避舒褪步的攘毽，去捧一些不正 确残考冗余鲍数据，辫用怨上的数握逃行定的处理，使之毙方矮懿为我f f 】痰爆。 例如，对于纹理图片，震要进褥一定的裁剪以及揍式转换，最熙烽宅犍分类整理存 储备用。 毒3 3 场綮模蹩粪尊层敬绪梅 通过实地考察及数据采集之后，就可以确定整个场景的大体结构。按照实体位 置的分布情况，可以对整个场景区域进行分割，并由此划分场景的层次结构“。 在虚报校园场景中，系统主要按照校鞠内部实体的几何特征、位置来进行分类 划分，觚丽确定场景酌总体层次，再对校黼内实体按其结构进行层次分解，并稍用 e r e a t o r 建立辩应的树袄菇次结聿每，壹弱底层分解蠲基本翻元结构。 本系统静层次结构鼙大钵如图4 繇涿( 霉层下磊还爵再缩势) 。 4 3 4 场綮模挺的建立 三维场景模型的构建是整个场景设计的重点和关键。要在场景地形地貌的场景 构建的基础上，再分区完成每一分区中的其体实体建模和环境煨观的几何建模，大 到复杂的实体建筑，小到路边的花丛草地。每个模型所描述的物体形状由构成物体 的各个多边形、三角形和顶点筹来确定，物体外观则由其表面纹理、颜色、材质、 光照系数等来确定。 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s s 虚拟校园漫游系统中麴模型主要霹分为疆大类：越形模型窝翥垒貔模型道路、 树木、建筑等) 。因为它 f 3 不网的属性特点，震要采取不阉的建搂方法对英遴幸亍建 模。具体的建摸过程和结果攒述分别熙第五章( 地形设诗) 謦珏第六章( 地物设计) 。 圈4 4 层次结构圈 4 3 s 模数的优化 模型太过复杂会影响演染的效率，不黢满足实时性的要求。因此建立好模型之 后，需要对模型进行一定的优化。例如，可以通过调整数搬库的层级结构、减少多 边形数量、使用边界体、活用裁减面等方法来进行模型的优化。 另外，对于建立模型来说，或者牺牲真实感来减少数据量，或者增加数据摄使 真实感增强，蹰此在建模过程中采用l o d 技术可以较好的均衡真实感和数据量的矛 盾。采用l 可以使模型在距离观察者视点较远的地方时比较粗糙，数据蜃较小： 反之在较谶的距离，稹型鞍细致。在设置l o d 的交化距离晰，可以根据实际而定。 关于l 技术酶具体介绍觅第七章。 毒4 本章夺绩 本牵圭要分缨了真实感三维场景生成黢原理、场景趣划的一般过程，莠对华中 烬范大学纛拟校园漫游系缆螅场景规划过程傲了余缓，对其结果进程了详缎斡攒述 与转撼。 硝士学住论文 m a s 下e r st h e s i s 第s 章地形设计 5 1 地彩三维显示中的数据类型 髑予避形三络显示豹数据按冀数据结构类型胃分为矢餐型释光褥格垂两大类。 5 矢鬃墼数攒 矢量型数据主要截括下面几类。 ( 1 ) 等高线矢量数据； ( 2 ) 镌形特征点、线矢量数据； ( 3 ) 各类建形要素韵矢量数据( 茹河流、邋路等) 。 矢量数据一般由点数露、，| i 蕈往以及坐标串所缝成，一般可分为点、线、面三大 类。 5 1 2 播格壁数据 栅格型数据主要包括以下几种。 ( 1 ) 纹理阔像数据 纹理豳像有多种类型，常见的用于地夥三维可视化的纹理图像有：经扫描厢获 得的遗形圈图像数据( 也目q 像素逾形萄) 、各种数字遥感图像和其它植被纹理图像。 ( 2 ) 数字高程模黧( d e i l ) 掰谓数字麓程模型d 嚣赫，蛰i 酊t a le i e v a t i o n d e l ) ，指在特定投影面上按照 一定熬水平垂奁阁隔选择缝甏参考点的三维坐标数据集合，实际上就是用一缀有 序数蕊阵列形式表示遮覆麓程信感豹一耱实体邃蓓模蘩。它惫括平谣靛置( x ，1 j ) 弱 裹理( z ) 数龌弼申傣息，是爨蠡最掌用的一耪戳建选彩援纯数据瘁靛藜醛数据源。 数字裹程模型d 蹦般毒格网挺( g r i d ) 积不援则兰燕形摄踺娌l 螂嚣 孛类型。 5 2d 酬的数据获取和组织 5 2 1d 酬的数据获取 目前，d e l 数搬的获取主要有以下三科方法。 1 野外实地直接测量获取d e m 数据 镬士学锰治交 m a s t e r st h e s l s 该方法所需酌主要仪器是全站佼戳及其有褶应接口的便携飘或微机。其基本过 程是搬搀测霪学器壤，列臻上述驽钤测璧仪器和设备测定按制点帮采样点静窑蠲位 置，选择缝形特征点、线送行采样，戳数字形式褥箕记录并存贮在计算视中。 谶方法熬谯点楚霹以获取褰糖度懿晷联数擐，竣焘是劳渤强度较大、效率较 燕， 汉逡蹦予在小藏圈藉秘内露监。 2 剥用摄影测量方法获取d 麟数据 该方法以靛空、靛天摄影蹶获褥熬立髂豫黠终为数据漾，禳据摄影测量瓣蕊本 原理，在解柝测图仪或数字摄影测量系统上经过几种定向过程，采用国动或半爨动 方式，按照一定的阀躐，采棒出d 酬数据。 该方法的缺点怒数据源( 立体像对) 获取的成本较高，采集作业要求具备专业的 仪器设备( 主要是解褥测图仪鼓数字瑕影测濑系统) 积堋练商索的摄影测量专炊技 术人员。 3 以地黼为数据源的d 蕊数攒获淑方法 从地图上获取d e m 是目前成用最为广泛的一种方法。因为采用这种方法所需的 原始数据潦( 撼闰) 容易获取，辩采集体遭所需的佼器设备和作渡入受韵要求不筒， 采集遮度也阮较快，易于逶行大批量伟妲。 觚缝图主采集d 澍通常有两种方法：手获凝踪方法霸穗形鬻扫播矢萤纯方法。 ( i ) 手获舔踪方法 该方法裂媚手扶鞭黥数字纯器崧图支漤等麓线逐煮采集图形瀚壹舞黛标 僭，y ) ，并赋予属豫编褥。其侔韭步骤如下所示。 地图扫搔。 地图数字化。包括：地图定位、设簧坐标原点、求方向角等。 遗胬数字纯数辩预簸囊( 误鬟改正) 。 该方法的优点怒简便易行、对俸北条件饔求不离；缺点建作业劳动强度大、效 率低，掰采溺静鼗攒糖凄遣添菠傈证。采瑁该方法来完减大褥敬0 e 醅数据的采集任 务怒不现实的。 ( 2 ) 逡形黧罄攘矢曩纯方法 遮羞意槛计算梳瓣发添、季i 捺按零豹成熟戳获数字图像娥理技术的发撩和瘫 鼹，爨蘧利用地图扫撼嚣的数字图像，遴孬骆聪数据采集熬技术巴基本成熬。罄蘸， 它激逐濒取铽蒋绫熬手扶蹑黥数字纯方式，残兔d 溅弱其它g l s 数搽采褰静圭器方 法。 3 8 淼怒。 地图扫描数字化的原理和主要过程如图6 1 所示。 圈5 1 地图扫描数字倔的过程 5 2 2d e m 数据的组织 i g r i d ( 巍羹格瓣) 豹数据缍缀 g r i d 型d e m 由于是按固定采样间隔、按矩形或难方形刚格排列的数据形式，其 主体数据只瓣记录或毒镶每潮搀结患戆毫程馕即霹。 g r i d 型d e m 文件通常由三部分组成：文件头，数据体，文件说明。 ( 1 ) 文馋头。一般大小溯定，它镪括以下内容：文传振谈餐、d 隧的霆令焦点 坐标( 或区域经纬度范围) 、原点坐标( 左下点或左上点) 、d e m 的大小、d e m 的采样 间躐、d 酬的数据采集方式等。 ( 2 ) 数掰体。数据体是d 酬的核心，即所有的d 榭结点坐标的记渌。它的大小 由d 蹦的大小、数据类型( 按型或浮点型) 、数据结构所决定。d 雕数据体的结构常 觅静有两种；一种跫直接记荣每结点的平面和高程坐标；另一种是仅记录每结点的 高程值，结点的平面坐标己隐含在数据的行列号和采集间距之中。 ( 3 ) 文佟说餮。该部分存放d 翻静说孵髓怠，翔d 蕊采集翁对阔、精度籀标以 及其它有关信息。 2 。善i 辩( 不援羹三爱圈) 静数据缝绥 不规则三角网t i n 的存储方式与矩形格网d e m 存储方式有很大的不同，它不仅 要孝绩每拿阚点戆骞程，还簧存赣葵平蚕坐撂、瓣熹连接熬掇羚关系、三受形及邻 接三角形等信息。常用的t i n 存储结构有以下三种形斌；直接表示网点邻接关系； 真接表示三角黟及邻接关系；混台表示网煮及三角形邻接关象。 种较便于使用并且处理速度较高的存储结构是结合点、线、面的数据结构形 式。虽然，褒存健容壁上璇凑增抽，儇却非常便于馒髑。 该存储结构的基本思想怒建立三个表，分别记录组成三角形的顶点号、边号和 三焦形号，三个表的记录格式如表5 1 所示。 硕士学住话史 搿a s 罩e 廷s 零h s | s 袭5 1 点线露存缡继构表 | 点表记录 点号 yxz l 边表记蒙边号 起点终点左裂秘塞藿i | 三角澎记荥 三霜澎号边l逾2这3| 这三个表之阅，邋过索弓l 摆钟相互联系，即出一个三角形( 露) ，可以检索如构 戏该三怒形豹三条透( 线) ，麸两又哥检索滋该三角形静三个顶点( 赢) 。这种芙系结构， 在追踪镣高线时非常有用。 5 3 地形三继晨示的基本过程 完成她形三维显示的基本步骤有如下几步。 ( 1 ) 数据漆器。 ( 2 ) d e m 递归细分。 将转蕊缨分戚子爨掺，霉遴一步缨分为三建髟嚣素，鞋霞下一步绘豢缝理。 基本过程怒：首先对d 蕊每一格嘲谶行细分，第i 次细分厩得4 i 个子格网， 每个予掺嬲的终点懿窝缓窝平繇穰置由上层掇弼结煮经双线魏内援褥列。不羧缎 分，直到每个予格网在计算机群幕上的投影面积在4 像繁之内为止。或卷由程序控 剿递归缀分鲍次数。然簌对于每个子撂隧用鼹象对是线分必4 个三角形，掇网中心 煮的坐稀密西阕格两绪淼内播褥到。 ( 3 ) 透视投影变换。 ( ) 先照羧黧。 对于地形立体图的绘制而京，一个好的光照模型应该满足以下几个骤求。 耱产玺较鳋静烹体疆爨效莱； 在理论上具有一定的合理性或严密性； 较小豹诗簧量， ：圭傈逶较浃夔绘露l 速凌。 对于自然荣物中的嫩形表筒，光照模型可考虑这么几项影响：光源的位置、光 源戆强度、疑点瓣篷璧、遮瑟懿浸爱菇熬。 ( 5 ) 消隐和裁剪。 ( 国强形绘嵩l 帮存贮。 ( 7 ) 三维图形的后处理。在三维透视图上辩加各种物理符号、注记等，进行颜 惫、竞痰、对魄凄等勉壤。 ( 8 ) 基于兰维地形黼的分析。在三维地形图上依据有关参数、数据库或数獬文 颁士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 件以及有关算法，进行空闻信息查谗蠛地形分辑。 5 4 分形理论在地形。篓维显示中的应用 5 4 1 分形理论简介 分形理论是2 0 缱纪6 0 年代发艘起来的非线性科学中一个j # 常滋跃的数学分 支，其研究对象怒在非线性系统中产生的不光滑的和不可微的几何形体“。 分形( f r a c t a l ) 一词最早嶷由美籍法国科学家b b m a n d e l b r o t 在1 9 7 5 年提出 的。到目前为止，分形理论已成功地应用于计算机图形学领域。利用分形技术已经 能够遥真地描绘山、兹、树、花草等自然物体，在军事模拟和电影动画制作中得到 了广泛地选用。 虽然分形几何学的基本理论已经建立，但什么是分形及分形维数的确切定义这 一核心问题至今尚未确定。目前，普遍认为，分形集应具有五条基本特征”o 。 精细的结构，舆有任意，j 、尺度下静缁节； 分形集不栽粥，不貔用传统韵忍何语言来播述； 莱静自耀议牲，碍缆是近戗懿爨耀钕或统计上的矗鞠叛； 其分形维数常大子葜捶羚位数； 在多数愤酝f 聪递魍建定义。 慕恩分形蝗线，判用山的轮廓具鸯“爨摆似”敬特征，够褥至4 遥真躲效果， 从薅解决了用光滑曲线对山、海岸线的轮廓这类不可微的躲线描述时带来的失真瓣 题。由分形曲线发展耐来的分形曲面也是一秽描述她形地貌的较好的方法。 5 4 。2 分维枣朗运动攫b 哟 醋a n d e 掩r o t 和v 8 nn e s s 将1 9 篷绝卓麓植物学家b r o w n 观察的b r o w n 运动现象 与分绻理论有枫魏结合起来，提港了分维布朗运动f 酾，行a c t i o n a ib r o w n i a n 霸o t i o n ) 魏耨概念。 f 嬲缎好遮描绘了许多爨然瑰缘，特别是堍形袭瑟，逡今为盘被试为怒计箨瓿 图形学中照以表示不煺则物髂的最理想模型。惩量，它只嚣秀个参数( 磊和方蓑g ) 即可控制誉援则秘体的细节。 f 腿的定义如下“”。 设辣楚( 一* ，+ 。) 中煞一实参数，w 是菜一隧橇函数豹镶装，竣矗楚一个参数， 顾出学位论史 耕a s t e r s 攀h 囊s l s 摄0 s 矗墨l ，是任意实数，雯| l 参数受 ，镪篷必靛f 潮爱数甄国，扔为魏 扔一 o ， 魄国，奶一魏国，w ) 一 葡南陋嘲“巾一潍凇扣秽 螂，吖 辩予疆三缳逮澎数据瑟，f 瓣豹努维数d 期a 、拶鹣诗冀避簇燕下。 酋先，确定无标度医l 删。确定无标度区的方法夜人工判定法、相关系数检验 滚、强纯系数法、损合谖羞法、分维值误羞法、螽相似院法、三折线拟合法等方法。 然菇，对l 杰冽取l ，2 ，夤个像素，对定义竣孛黪蠢x ，诗簿崮 嚣n ，暖+ a x ) 一，僻) i 】+ 露p 】，( f * i 五，犀) 。 疋 弹依据相哭公式，用最小二乘法求出h 和l o g c ，褥出= 警c ，d 。3 一 。 z 在d e m 的滋归细分内插中，在每一绷分格嗣点的高程按线性内插的慕础上，增 燃壶矗鞠疗构戒戆辫热疆，因爻矗秘盯熊较好遗爱浃遗澎表嚣蟪熬挺蛙秘不囊裂热， 从而後绘制逾三维地形图具有较滠真的表面纹濑。 基于f 蹦熬蟪形兰缎显示擞骚寿中感移位法镪i 曲o i 溅越s p l 疆e e 瓣e n ts e h e l l l e ) 帮蒋立时滤波法( f 。u r i e rf i l t e r i n gm e t h o d ) 两种算法。由于傅立时滤波法是翊爵 噪声变换得到灼，不具蠢递归性质，易产生周期性，计舞较复杂，因此交际很少袋 臻。“中点移缎法”静蒸本惑游麓：对瓣爱g 捂蠲迸行遵弱细分，簿次爨分产生的耩 缕点除了利用糊邻点赫程进行线性内捕计算外，还增加颂由| j l 犟珏盯以殿递归屡次 f 擒或豹疆援使移蟹盛。 尽管中点移位法算法简单，便于实现，但容易在地形寝面产缴褶皱痰迹，为此， 鞫交终缀多学誊爨窭了一些改滋熬葵法。镯热；露终慕豹孛熹移锭法、蘩予分黟予 维数的自适应中点移位法等。 分澎特征不仅运焉予逸影懿三缍鼗承中，弱瓣在霹魏形鼗豢豹分疆中遣套麓缀 多的应用。作为地形学熙的新兴技术，分形理论将在地形、地貌的整个研究中产嫩 越来越大蕊影溱。 硕士学位论文 m a s 丁e r st h e s i s 5 ，5 地形设计的典型过程 姥形鹣设计楚一个复杂的系统工程，扶确定设计嚣标、评倍运行平台酌鹜形处 理能力到摄终瓣遮形鬟示发东，中闯要经过原始数据静采集、整理帮龆工，不同数 攫撂式的转换、处理和整台，三维缱形模型数据露的剑建、试验瘸优化等诲多中澍 过程。嚣三维地形模型数摞库的创建又是其核心内容。事安上从最底屡看，三维地 形数搬库就是一个多边形集合，这些多边形能近似表示部分地球表矮的地袭状提。 目前，实际应用中大都使用数字地面模型或者数字高稷模型，结合离漶嗽度的 卫星遥感数据或者航空摄影照片，以及由它们生成的数字正影魅像( d o m ) 的方法来 生成遇真的虚拟三维地形数据库。 对于一定的地形范围米说，建立一个缀织有序、效率较高、实用性强的地形数 据库可以说是一个反复实验的过程，如图5 2 所示。 鞠5 2 建立遗形数据库实验过程筒 其体来说，一个典型翡蘧形设计圭要镪捂六个步骤。下萄戬赫u l t i g e n e r e a t o 中地形的设计为搦分步骤介绍。 ( 1 ) 援划地形数撼疼：骧确瘊要这到熬设计髫标，劳确定耀喜瓣实时系绕熬磺 馋环境与软件平台是否2 满足器求。 ( 2 ) 猴冬地形数攒：收集建立地形数掇摩艇必霭的数掇，磐对其进萼亍必要螅接 顽士擎板论文 m a s t e r 8t h e s i s 式转换。艘拟现实技术和g i s 技术在虚拟校园中的应角。1 一文中对准各地形数 据的具体步骤进行了较详细的描述。 ( 3 ) 稍溺上述地形数据生成高程数据。 c r e a t o r 有它专用的数字高程数据格式d e d ( d i g it a le l e v a t i o nd a t a ) 格 式，妊须将箕它数字高程模黧格式戆文 孛转纯为d 秘格式才黥在c r e a t o r 中对其迸 行应用。 裰据藩输缝形数据豹鼹露奔覆不溺( 螽巍鑫上豸l 硬盘上) ，c r e a t o r 提供7 不丽 的处理方法以将原始数据简单地转换为d e d 格式的地形数据。 憩终，e r e a t 汀逐提供。功戆强大懿b 黪数据文终生残器b 秘3 # l d e r ) ，戳臻 于灵活创建数字高程数据。对于原始地形数据损坏导致d e d 光法获取的情况，用户 还霹数逶过蟪形模型数据瘴黛残对应静d 豳数据文孛。 妫外，逐可以利用二维围片( r g b 、r g b a 、t n t 格式) 灰度摘息，生成简单的d e d 数攒。 生成d e d 数据的过程是相当重要的，是麓立整个视景数据库过程中的关键。前 期工作傲静绷致准确，将大大减少詹勰修饰调整数据鲍工作擞。 ( 4 ) 剖建地形模型：使用一小部分原始商程数疆库作为样本，创建一个测试地 形数据库，并在实时系统平螽上对其进行有针对性的测试，通过测试结果确定最精 确静设置参数，生成最终的f l t 模型。 生成了d e d 数据之后，蒋先要对难成的d e d 数据修改控制点，以确定整个视景 数据库静磁倒尺，然螽，程攒该d 鞠交释，求生或印e n f l i 静t 数据格式的文俘。 由于生成整个大地形数据文件需要很长时间，所以可以先生成一小块地形作为测试 逡形，调整薯e r r a i n 寤叠瓣备项参鼗，控豢l 数据容量，建立王程文箨鞭j ，生成f 疆 文件。 在生成e n f l i 曲t 格式文舞嚣，震考感下列凡熹因素洲。“。 地形投影方式选取 融l t i g e ne r e 8 t o rt e r r a i n 孛撬供了淞p 投影。鞑p 投影菠戆褒示为乎嚣数 地球，也可近似表示为有曲度的地球。投影方式的选取取决于地形的坐标位鬣、所 覆蕊区域的大小、形状。投影方式熬选取缳粥是最大限度地黪低鼹生成鸵地形的翅 曲度。不同的投影方法得到的经纬线网形式不同，生成地形的精度也不同。 地形转换算法的选择 由于地形数据中包含了采样的经度、纬艘和高度，所以v i ? 。欧宜接使用采样点作 为顶点，生成地形三蹙形网格。但是，各种格式的地形数据巾地形采样点的密度都 卿l 士学位论文 m a s t e r s 耵 e s i s 魄较大铡船b l 妨蟪形文 牛采样密发约鸯l 米) ，掰潋不霹能佼鬻全部静采铎 点，必须慰采样点进行薅选。这裁是撼形生戏舞法。逸形生残算法在越形数据中重 鞭采样，并逶过调整袋撵密度来生残地形l 层次。e r e a t o r 提供了理秘算法， 分黑q 楚p 0 1 y m e s h 、d e l a u n a y 、e a t ( c o n t i n u o u sa d a p t i v et e r r a i n ) 葶珏事e t ( 王e r r a i n c u l t u r et r i a n g u l a t i o n ) 。 ( 5 ) 完善地形模型：地形铡试成功后就可以在目橼区域范围内映射纹理和其它 特征数据，首先应该确定需要哪些特 正数搌，瓶且在确定这些特征数据准确无误的 前提下应尽量减少特征数据的数据量。 ( 6 ) 检验与优化：在实时仿真系统中运行禽有映射纹理和其它特征数掘的地形 模型数据库，检验它的性能( 包括穗一个细节屡次，确保桐邻l o d 之间能够平滑过 渡) ，并根据梭验结果迸行优化。为了获得更好的运行性能，应减少多边形的数量 并重新组织模登数据库的层级关系；为了取得更佳的视觉效果。可以调试赋予多边 形的纹理和材质属性，使之更真实。 遗形模登中最常采用、效采最佳韵绞理素材为航空摄影像片，在稽应瑭区精黏 糕应静靛拍照片蘸至能使鲍形模登达到鼓鞭香l 囊静褫觉效架。 采用戳不目海拔瘫度范髫浚射不灞静绞壤素材懿方法遣碍缢达到疆：较努瓣效 鬃。主要步骤始下。 蓠先，将燕度化分成n 个区阙，赋予不阏毫度不冠的颜色蠖。塞疫镶低熬蟪 方颜憩涤，裹度毽赢的地方，颜色浅； 其次，每个区阀赋予对应的不同纹理。 最后，将颜色与纹理念成，形成地形纹理。 邋过以上方法，可以得到的地形地貌及层次结构圈如图5 3 所示。 翻5 3 典型地形图 碰士学位论文 m a s t e r st h e s i s 5 6 华中师范大学虚拟校园的地形设计 吝。6 埯辩秘撬捌 我们所做的虚拟校园漫游系统主要是燕子地面的交通工具的行驶状态的漫游， 只需要一个细节层次虢可基本满怒要求，但由于受视角范阐的限制，场景的可视范 围 t 较小，所黻对缝形模整韵精度要求院较高，因诧需要更加精细、更加遥真的地 秘模型。 对予一个大豹缝形，因戈数器量院较大，可鼓先j c 孛遮澎攘鍪l 逡行分韵，然磊进 行格式转换，佼之成为。p e n f l i 馥t 格式。然嚣迸幸亍编号分块，在实露漫游时进行 谓题。这耪地形文传霹鞋拔分竣调愿，实现地形模块阁静融合。 艘拯校园的地形数据并不庞大，聪虚拟校嗣是由多个部分缠威的。困扰，我鹳 可以辩取这秘方法来送行地形建模。 5 8 。2 地渺数据弱收集 根据滩形数据收集的需求和原刚，为了掌握主体稚形，我们搜集了我校的平面 謦和梭西憨体瓶翔图；为了取得受精确的魏形簸采，褥到魄形待鬣数攒，臻数码稻 辘对羹要辘形位置进静了捂摄，褥到了爱羹的数码图片；菊了取褥缝形的纹理，我 f j 对大寿缝形癀买鸯静纹理遴行了圈片采集，幂j 窝数戮相梳褥翻该绞壤。 5 6 3 地彩韵镪建 因为缺乏华中师范大学的原始地形数据及一般地形创建方法所需的硬件条件， 因此，我们采用了直接利用c r e a t o r 中的慕础建模工具来生成地形数据的方法，即 参考校区瓶划设计总平面图，逢山建山，遇坑挖坑。 其体过程如下。 1 ) 建立枥始遣形：参考校园的乎面设计图，结合实她勘察，利用e r e a t o r 基 确建模工粪建立大邃形的裙始模鍪。该方法福警予埽平面缀合代替邃形模麓。该地 形模登包含墙形大的惫势，帮校鹾酶大戆敬度。 这种方法主要逶用于缝形超铰不大，镌藐特翟并不复杂豹楚形，对于遗形较复 杂静臻况，铡翔大疆苏静出熬建形靛建模，该方法并不适会。 华中烬范大学浆大懿坡度方翔先：j e 门进来的嚣炎上坡瑶，壹至上舞刘理辩大 搂翦露的这条主予遂，从主于道到7 号搂豹这个大瓣平疆基本为拳乎垂。见图5 4 。 ( 2 ) 缨豫：经过实地考察，结会实地撼摄的真实数弱图片，对鬈些鼹部躲地 形进行细化。进行细化时，可鞋通过给不同位置赋予不同的颜色采反映 电形的变化。 进行总体设计后，需要进行细化的地方商：北门避门右手边教工宿舍、华师附 小、华蜂幼，l 园的地形；图书馆鞠田家炳大楼郑一大片区域嚷显高于周围区域、校 医院是凹下去的一块、西区地形呈阶梯状 图5 5 是对校医院地形进行细化之后并且有了初步的地物建模之后的结果。 细化的工作可以逐步进行：首先大体地形细化，主要是勾勒出其体那一块的大 体地形走势：然后勾勒如建筑物、水泥地、草地的基地，赋予z ；同颜色。这样便于 下一步地物的建模定位。 酗54 华9 乖校蕊夫趋势翻强5 5 校医院部分地形 ( 3 ) 纹理设置：给细化届的地形赋予一定的纹理。 虚拟校禹中的地表主要被草地、建筑物或水泥地所覆盖，箍不像山脉地形等大 地形那样有着特殊的纹理，因此，对它的纹瑾设置相对比较铸攀，直接使用c r e 1 。r 巾对普通模型添加纹理的方式即可。但是当大面积区域中使用同一神纹理素材，在 远距离时会出现过于规则的现象。此时，可采用对大面积区域中的局部进行专门处 理、将夫面积划分为小块按不同方向粘贴同纹理、同一纹理采用不同的色调、同 一纹理列应不尉尺叫的地形范围等方法。 ( ) 模型分块：对模型进行分割，然后进行编号分块，进行分块不仅仅便于渲 染调入，而且也便于一个团体的合作。每个人可以负责不同方块的建模，最后集成 起来形成整个的场景。 冈为虚拟校园场景中建筑物较多，地形复杂，因此不能采用某些系统中用到的 直接分割正方块的方法来分割地形，而要采取其它的方法。根据华中师范大学建筑 物及道路的特点，我们采用了利用道路作为主分界进行地形模型的分割的方法。 幂廿用这种方法将华中师范大学虚拟场景的地形分割为t 块：芷犬门进门右手边 教工宿舍至华师幼儿园为一块；正大门进门左手边围墙外为一块；校医院那片区域 j 煎士学位论文 酣a s t 嚣廷s 羊 王嚣s l s 为一块；田家赋书院至圈书馆为一块；纂零属于承平露静九号楼、广场、行政楼至 喷泉区躐为一块；西区举生宿余至桂香瀚为一浃；两门进来豹赫、九号褛前主干道 的那条鼹与已裔的地形图起来黪撵一片隰城为一块。 5 。7 本章小结 本奄首先徽爱介绍了地形三维显示中涉及的数据类裂，并特别对其中最常见的 鼗舞粪黧翻e 溅瓣获取方法积缀织遂露了谨绥黪奔缨，然嚣漤遮了逢形三维显示的 基本过程，介绍了分形瑷论在地形三维鼹示中的应用，结合m u l 姆e nc r e a t o r 中的 遮彩建壤方法分绥了辩寝魏避影凌洚懿簇登过稷，最詹，努除段瓣华中耀范大学攫 拟校园的地形设计进行了详细的描述分析。 4 转 德。 第6 章地物设计与场景集成技术 6 1 地物模擞的设计 蕊掇校园漫游系统中，锨物主要包括以f 几类实体“3 。 6 1 。l 邀路f 主吊遵、入簿灌) 道路是地农上的主要特征物，对它的建模相当重要。有了上涉的地形设计， 裁t 虿以确定逶鼹瓣氇瑷位置。c r e a 专o r 中捷珙了专门瓣遵踉建貘工具。饺舔邋籍建 模工具能够逼真地创建出包括威线道路、曲线道路和山地道路浮在内的各种标准道 路模鼙。 在我们的系统中，因为邋豫规模不大，路两信息也不多，因此没有使用专门的 道路建模工其，蠹孬蹩健用了国e a t o r 爨镞静小麓鼹筵蠖瓣建鼹王其：s t r i df a e e 翻 r o u n d e ds t r j pf a c e 。s t r i pf a c e 是形成折面道路的工麒，这个工具可以沿中心线 藏者焘表线建立带有绞溪兹裁定宠度麴遵路。r 议】n d o ds t r i pf 8 0 e 与援蠢遴爨工莫 类似，不同的怒，它能形成其有平滑转角而不怒折线转角的道路，转角的精度可以 邋过设援参数来礁定。 澍道路邋行建模需要注意的地方怒各路衽的衔接。不仅同条道路中的各路径 必须逡续，磷照主于邀路交叉处也应该处理成毙浸连按，这撵才能缳证瀣道路杰攮行 漫游时不会崮现路面断裂或不对按的情况。融澎在掰上述：t 其送行了主干道酌建模 之后，对于一些缀接部位，我们需要测用多边彤建模工具对英避霉亍填充或修波。 溺s 。i 为华中瓣范大学盛粒校茵溪游系统中豹部分貉段。 蚓6 1 坜娥中的部分路段 霎篇怒。 6 0 2 疆i 寒憋 对建筑物建模主要楚运用建模工具从形状和外观上对实体进行模拟，同时大量 采瑙绞臻映射等辅助技术手段，戮减低模型的复杂度。按照建筑物的位鬣和重要程 发确定建模冁序，然后依次对每栋重要建筑进行攀猿建横。 因为在上一步静缝形漫汁中确定了建筑裙静位鬟萃l 基西的凡镪形状，所以对建 筑物嬲建摸裁相对变于导魄较簿单，经过用e r e ；玉t o r 中豹l l 工其褥至l 蘩本的大体 模型之蜃，再进行期庵的细节添烟或修教黪霹。 建筑物建模魄。般步骤是：获霉建模数据专礁定模型的层次结梅建立模型 去除j c 余面_ 使用纹理映射。 在建筑物的建模工作中，要注意以下两点。 建筑物模型的比例要符合现实。 对有代表性的建筑物煎点建模，对其特征点( 如图书馆前的“爱我华炳”坐 蕻、楼上的“图书馆”二字、图书馆前丽飘扬的红旗等) 进行精细的建模；x 重非代 表性的建筑物采取粗略的建模方式，尽量多用纹理贴图来表现细节。 场景中的图书馆模型如图6 2 所示。 圈6 2 阁：恬馆 6 3 3 花坛、树术、路灯、雕耀、广告牌、运动场等 这姥地物的建模与建筑物建模的方式和过程基本类似。所不同的是，对于这些 地物，可以找到其中某些现成的模型，它们也许是m a x 格式的，也许是d x f 格式 的，总之，第一步必须将它们转化为可用的。f l t 格式的文件，然后加入到场景中来， 加入的时候要注意调整其大小和位置。对于比较复杂的模型，还必须先对其进行模 瑙的优化。 值得指出的楚，在这些小物体的构造中，有时候利用带有透明度的r g b a 图像 纹理和几何建模褶结合的方法可以取得惊人的效果。使得真实感大大增加，间时并 不会过多垂毫增大文俘麴丈小，影响潼染速度。 圈6 。3 中的祷乎是剥愿一张双纛渲染酶带有透溺凄静精图萄帮些同稃双舀渲 凝的几傍嚣龌成。图6 。4 中熬栏杆是烈怒双蕊渲染的西，鬟苦上带有透明溲静栏杼纹 理贴图制 乍颓成。 幽6 ，3 广场上憋捋子圈8 ，4 栏抒 对于树木的建模有一些不同，因为树本结构复杂，不规则，螺暴对它采愿完全 的几何建模是孝h 当不现实的。在m u l t i g 虮c r e a t o r 中，主要有薅辨创建树本蟆型 的方法：十字交叉法和单面树方法。 十字交叉法足用两个十字交叉的面米构造树木模型。在两个互拥垂点的平弼， 分别映射相间的树的纹理，利用人的视觉差异，感觉上是不同角度总可以看到相同 树的图像。此方法的优点是计算馕少、显示速度高；缺点是阴影效果不好。 单面树方法是采用多边形面来模拟树木的模型，当视点改变时，此多边形会绕 指定的轴旋转从而保证始终面向着视点。只要时刻保持二维纹理树木图像的法线矢 鼙指向观察者，就，可以造成一种髓够使观察者满意的二维树木的假象。它的优点是 能够生成往观察者满意的三维树木筱褶；缺点是阂为实体的旋转变换是一个矩阵相 乘的运算，所以运算量大，当场景中存在过多的单面裙时，会严霞影响系统的实时 褴。 鉴于| 二述聚囡，本系统充分考懑了实对经及真实感之阊的平衡闻题，采用了十 字交叉楗与荤瑶瓣稳结合鼢方法：在远鲣使剐十字交叉树，在透处健用肇瑶树。 6 。2 燧秉的纂成秘调度管理 6 2 1 场景模避的集成 场景实体模型的掏建是按照场景层次结构懿划分来遴抒妁，筹慰次实体景躞构 逡完后需要边行缀合集成，最终形成虚拟场聚鲍整体模型。 硕士学位论文 m a s t b r st h e s l s 单独建模躲实体模型要逐个添宓珏劐整体场区模型受，主要电括遮形邃貌、实体 建筑物、道路、兹坛广告牌运动场这些基础设麓等。鼓园地形避虢，存残一个模型 文 牛。各环境煨戏( 花革、树本、栏抒、道路) “秘檀”于地形表露，实现地形、地 物等的一体化管理，形成个总体模型，提供绘场景调用实时显示。然后对每挎实 体建筑物进行定位，将实体模理按确定好的位置逐一添加到地平面上。 当然也可以将所有模型复制粘贴到一个模型文件中，组成一个整体模型。但当 场景模型比较复杂、文件很大( 如大规模的地形演示) 时，势必降低导入及实时响应 速度。 在m u l t i 6 e n 中，模型的集成可以通过外部参考( 又称外部调用，e x t e r n a l f e r e n c e ) 来实现。外部参考是指在一个模型中可以设置外部参考结点，在结点下 能够谲用茄一模墅的部分或者全部，并可激重新定义被调用模型的空间位鼹。 终部参考的好处如下。 便于场景鹩缀织管理。对场景的梅建可按照箕层次结构先翎分若干区浃， 然鑫分别在各医块中遴行，各夸嚣中豹模蘩葚至也胃浚萃独进行建模，大翔一栋建 筑，小至一探撵本都以独立建模，然后逶逮磐蒸调感进行集跋。 可以节省内存空阉，援裹建摸速发。在鼙u l t i g e n 孛霹鞋透过参数设蓬， 使褥默认熔况下。处部参考结点不被显示。这甄女2 萤省了计算枫内存，又城少了模 型的显示弱刷额时间，提舞了建模速度。 便于模型精换。只霉将将步 部调用的踺径改变即可实现模跫的替换；用钋 部参考调用新模型而不改变其位置，贝u 薪模型自动覆盖旧模型，方便地实现了模型 的更新。 便于模型的添加。通：j 过外部参考，无需进行剪切和粘蝇占操作即可将一个场 景数据库文件的整个内容加入猁当前场景中。 使用外部参考也有缺点：它是只读的，不能直接被编辑，只能改变位簧、方向 和大小比例。如粟霾对被引用模型部分迸行修改必须打开本身的模型文件进行，修 改后还需对调用模鍪进行嗣新。 僮是对于复杂场景数撩库来说，利用矫部参考能够极大地便利时场景模型的集 成和对整个场景的组织管穗。两6 5 是场豢集成之后韵效采囤藕层次结构瀚。 鍪子舞豁参考翡优缺点，我 j 采用了复翱辩；辩游参考褶结合静方法。蓠先将模 垄分缝，每一缱形藏一个独立游f l t 文徉。建形遗貔存予一个f l t 文释，遂路、栏 耪、蕊莘树本蹋一个秘t 文 孛，每一拣关键建镰物存戏一个独立静f l t 文 牟， 代 表性的建筑物；建眉令f l t 文传。然感龟4 建一令蓊懿f l t 文l 牛，将上述鼹套文件中 硕士擎锰论文 m a s t e r l st h e s i s 的模型复制到该总义件中，在总文件中，卜述每一个文件中的内容放到一个独立的 子缀点巾，这样当霰安修改时就可以直接在总的f n 文件中进行修改，然矮将修改 过的子结点的内容存于一个独立的文件来覆盖之前的文件；最后，将上述所有分部 文传用外部参考的方法全部集成起来，以便渲染和观察效果。 图6 5 场景集成后的效果圈和屎次结构酬 6 。2 2 绣豢瓣调建警理 一个具有通用性的漫游系统必须小仪能很好的调度管理简单场景，还必须能很 好豹处理复杂场景。对于小单元的箍单模型，可鞋一次直接导入内存，对多边形邋 行绘制渲染，输出图像；而埘于内容丰富、庞大复杂的场景数据库，在装载、调用、 输出视荼聱像时必颓采j = | j 健静场景调度技术，蟊分块调鞠等，才貔充分保证系统 的实时性”。 1 场聚遗形懿分凌调菠 对于多边形较多的复杂场景来说，。般都要进行分块调度。先将整个土也形分割 戏装手令多边形数较少夔小攀元圭| 羹形，并存藏不嗣豹邃影模型文佟，霉良辨邦参考 勰淼糟 的方式分别调用( 镪括邀形上兹遗物) ，重新构成一个完整豹建形模型。这样可以校 撂援点鼹瓣到的区域，动态地选择小单元逸形模型送行调惩，不需要调鼹整个她形 摸型，毙套效媲提薅系绫辕出规景螅实时一陵。 ( 1 ) 势态县入，动态调用 如果计算机的内存容量足够，丽电形数据文件不是很大，则可以垮其一次性导 入内存，调用时贝q 可以分块进褥。如慕一地形妇多块小地形组成，由于每块地形 的坐标范围已知，所以可报据视点所在的位置坐标知道当前实体在哪一个地形数据 库中，从而可以确定调用的是哪一块地形。 ( 2 ) 动态母入，动态调用 如果复杂场景所对应的地形数据文件很大，受计算机内存容量的限制，在实时 系统中，必须动态地导入蜜体周围的若干地形模块。可以将地形区域划分为若干适 当丈小的装载模块。在三维地形环境绘制时，通常只处理观察者视线范围内的装载