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虚拟现实技术在地形仿真中的应用研究 摘要 本文主要论述了虚拟现实技术在地形仿真中的重要应用理论和算法，以及 基于$ 6 1 图形工作站进行虚拟现实开发的新工具、新方法。首先，在地形数据的 获取和处理方面，论述了如何将已有数据分类加工，建立地形虚拟仿真所需要 的数据库。其次，介绍了优化多边形的l o d 技术，论述了如何应用h u l t i g e n 软件 对数字地形数据进行三维模型转换，同时讨论比较了不同的三维模型生成算法 的特点。再次，论述了纹理在三维地形模型中的应用策略，介绍了多分辨率纹 理的概念，在讨论观察视点与分辨率之阊关系的基础上，开发了基于视点位置 的确定纹理分辨率的算法，并给出了部分实验结果。最后，介绍了数据手套的 种类、工作原理，并结合解剖学和计算机图形学的有关概念，讨论了数据手套 在虚拟现实的应用中的关键技术问题，并给出了在v c 十+ 环境下对数据手套进行基 于o p e n g l 下的编程方法和典型实例。 虚拟现实系统是一个软、硬件与多种传感器结合的高科技系统，涉及许多 基础学科和前沿学科，尚存在大量未圆满解决的难题以及理论的和工艺技术的 盲区这些都有待于进步研究和解决。 关键字：虚拟现实地形仿真数据手套 墨壁! ! ! ! ! ! ! ! ! 垒旦旦! ! 竺! ! 竺! ! ! 坚! ! ! 墨! ! ! ! 堡：堡! ! 塑! ! ! 呈：! ! 里! ! ! ! 兰! 竺! ! 苎兰旦 a b s t r a c t t h em a i na p p l i c a t i o nt h e o r i e sa n da r i t h m e t i co fv r t e c h n o l o g yu s e di n t e r r a i n s i m u l a t i o na n dn e wi n s t r u m e n t sb a s e do ns g ig r a p h i cw o r k s t a t i o na r ed i s c u s s e d f i r s t l y ，i nt h ea s p e c to fo b t a i n i n ga n dp r o c e s s i n gt h et e r r a i nd a t a ，h e wt oc l a s s i f ya n d p r o c e s st h ed a t at h a tw ea l r e a d yh a da n d h o wt oe s t a b l i s ht h et e r r a i nd a t a b a s er e q u i r e d i ns i m u l a t i o na r ed i s c u s s e d s e c o n d l y ，t h el o d ( 1 e v e lo fd e t a i l ) t e c h n i q u ei si n t r o d u c e d ， m e a n w h i l eh o wt ot r a n s f e rt h et e r r a i nd a t ai n t ot h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lw i t hm u l t i g e n i sd i s c u s s e d ，d i f f e r e n tt r a n s f o r m a t i o n m g o f i t h m i cc h a r a c t e r s o nt h r e e d i m e n s i o n a l m o d e la r ed i s s e r t a t e da l s o t h i r d l y ，t h e a p p l i c a t i o no ft e x t u r ei n t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l ，m u m r e s o l u t i o nt e x t u r ec o n c e p t ，a n d t h es t r a t e g yo fh o wt oa t t e m p e rt e x t u r e si n l a r g ea r e aa r ea l ld i s c u s s e da n di n t r o d u c e d t h em e t h o d o f d e t e r m i n i n gap r o p e rt e x t u r e r e s o l u t i o nt om a pt e x t u r eo nt h es u r f a c eo f3 dm o d e lb a s e do nv i e w e rc o n d i t i o n si s d i s c u s s e d ，s o m ee x p e r i m e n t sa r ei l l u s t r a t e d f i n a l l y , t h ev a r i e t i e s ，p r i n c i p l e sa n d a p p l i c a t i o np e r s p e c t i v eo f d a t ag l o v e s a r ei n t r o d u c e d c o m b i n i n gr e l a t e dc o n c e p t i o n so f a n a t o m ya n dc o m p u t e rg r a p h i c ss e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s i n a p p l i c a t i o no fv i r t u a l r e a l i t y a l ed i s c u s s e d i nt h ee n d ，at y p i c a le x a m p l ea n dm e t h o db a s e do no p e n g l p r o g r a m m i n g i nv i s u a lc + + d e v e l o p m e n ta r eg i v e n w h a tt h er e s e a r c ho nd a t ag l o v ei s p r e p a r e df o rt h ef u r t h e r r e s e a r c ho n i m m e r s i o n v ra n dt e r r a i ns i m u l a t i o na n da n a l y s i s v i r t u a lr e a l i t ys y s t e mi ss u c hk i n do fh i t e c hs y s t e mw i t hc o m b i n a t i o no fs o f t w a r e ， h a r d w a r ea n dm u l t i s e n s o r s ，w h i c hr e f e r st om a n yb a s i cs u b j e c t sa n da d v a n c e ds u b j e c t s t h e r es t i l la r em a n yc o n u n d r u m sw i t h o u ta n s w e r sa n du n t o u c h e da r e a sb o t hi nt h e o r i e s a n di nt e c h n i q u e s ，a l lt h e s en e e dt or e s e a r c ha n dr e s o l v ei nt h ef u t u r e k e y w o r d ：v i r t u a lr e a l i t y ( v r ) t e r r a i n s i m u l a t i o n d a t a g l o v e 声哪 y 5 8 3 3 9 7 创新性声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文叫1 不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名幽垒日期：出咿4 i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复印手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 日期： 闩期： d 一弘 三旃嘲- 6 第一章绪论 虚拟现实技术在地形仿真中的应用研究 第一章绪论 1 i 虚拟现实的基本概念 相信“虚拟现实”对很多人来说都不是一个陌生的名词。虽然它出现在报纸、电 视、电影等媒体上的时间彳i 长，但由于它给人们展现的是一门似乎非常神奇的技 术，能把人类带人各种梦幻般的境界，因而引起了人们的广泛兴趣。抛开这些不 说，虚拟现实其实是能应用到许多领域的一个十分严肃的研究课题，认识这点 是非常重要的，因为“虚拟现实”在电视、报纸等大众媒体上频繁曝光，容易使人把 它同一些“通俗技术艺术”联系在一起。实际上，虽然虚拟现实正在以很快的速度 发展，但虚拟现实系统中还有大量的问题没有解决，这也是虚拟现实仍然是最有 吸引力的研究领域之一的原因。 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) ，又译为临境、灵境等。它是由美国v p i 。 r e s e a r c h l n c 公司的j l a n i e r 在1 9 8 9 年造的一个词，通常是指用头盔显示器和 传感手套等一系列新型交互设备构造出的一种计算机软硬件环境，人们通过这些 设施以自然的技能( 如头的转动、身体的运动等) 向计算机送入各种命令，并得到 计算机对用户的视觉、听觉及触觉等多种感官的反馈。因此，一个身临其境的虚 拟现实系统是由包括计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器、语音处理 与音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。它使用户能产生一种沉浸于 虚拟环境的感觉，并能够实时地操纵虚拟环境中物体的运动，使得操作者能够在 其中漫步、环顾，所以又有人称之为“人工幻景“。从某种意义上说，虚拟现实 技术是计算机视景仿真技术的延伸。 关于虚拟现实的定义，许多人有不同的看法或说法，有些人由虚拟现实1 二具来 定义虚拟现实，而没有抓住其目的和功能。一般的出版物爱把虚拟现实与头盔显 示器、传感手套联系在一起，这不能作为v r 的定义”1 ，因为没有头盔显示器，使用 大屏幕投影甚至使用桌面图形工作站照样能产生虚拟现实应用；类似地，传感手 套也能用简单的跟踪球或操纵杆替代。阕而借助虚拟现实所使用的工具来描述虚 拟现实不是一个完整的定义。事实上，虚拟现实技术已不仅仅是那些戴着头盔显 示器和传感手套的技术，而且还应包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验 的技术与方法。它要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾 驭其上的和谐人机环境，也就是一个由多维信息所构成的可操纵的空间。它的最 重要的目标就是真实的体验和方便自然的人机交互。能够达到或部分达到这样f | 标的系统就统称为虚拟现实系统”2 1 2 虚拟现实系统的特性 虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设训出合理的硬 件、软件及交当手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟世界。从 虚拟现实技术在地形仿真巾的应用研究 概念上讲，任何一个虚拟现实系统部可以用三个“i ”来描述其特陛，这就是“沉浸 ( i m m e r s i o i l ) ”、“交互( i n t e r a c t j o n ) ”和“想象( i m a g i n a t i o n ) ”，如图1 一l 所示。 这三个“i ”反映了虚拟现实系统的关键特性，就是系统与人的充分交互。虚拟 现实系统的设计要达到以下日标： 首先，要使参与者有“真实”的体验。这种体验就是“沉浸”或“投入”，即全身心 地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。理想情况下虚拟环境应该达到 使用户难以分辨真假的程度，甚全比真的还“真”。这种沉浸感的意义在于可以使用 户集中注意力。为了达到这个日标，就必须提供多感知的能力，理想的虚拟现实 系统应该提供人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至是味觉 和嗅觉。 其次。系统要能提供方便的、丰富的、主要是基于自然技能的人机交互手段。 这些手段使得参与者能够对虚拟环境进行实时的操纵，能从虚拟环境中得到反馈 的信息，也能使系统了解参与者关键部位的位置、状态、变形等各种需要系统知 道的数据。实时性是非常重要的，如果在交互时存在较大的延迟，与人的心理经 验不一致，就谈不上自然技能的交互，也很难获得沉浸感。为达到这个目标，高 速计算和处理就必不可少。 最后，因为虚拟现实不仅仅是一种媒体或用户的高端接口，而且还是针对某一 特定的领域、解决某些问题的应用，为了解决这些问题，不仅需要了解应用的需 求，了解技术的能力，而且还需要有丰富的想象力。作为虚拟世界的创造者，想 象力已经成为虚拟现实系统设计的最关键的问题之一。 参与者在虚拟环境中的活动或经历有两种形式：一种是主观参与 ( f i r s t p e r s o na c t i v i t i e s ) ，另一种是客观参与( s e c o n d p e r s o na c t i v i t i e s ) 。 主观参与时，参与者是整个经历的中心，一切围绕参与者进行；客观参与时，参 与者可以在虚拟环境中看到他自己与其它物体的交互。 交互和沉浸是任何虚拟现实系统的两个实质性的特征。因此，根据虚拟现实应 用的不同，它可以分成不同的类别。早期的虚拟现实可能只有部分虚拟现实的特 性，例如环景电影、立体电影和立体电视。有的应用也不需要完全的沉浸和投入。 在实际应用中，不同虚拟现实系统设计的侧重点和所受约束各不相同。例如，受 资金限制装备不上最先进的硬件设备，或是硬件本身的性能达不到要求，这样的 系统的计算速度、交互手段可能会受到影响，此时就只能从软件上着手弥补缺陷， 也就产生许多基于软件的技术，例如虚拟全景空间、虚拟仿真等。由于虚拟现实 本是并不限制使用的技术范围，只要能达到目标，可以把各种技术有效地集成起 来设计出个成功的虚拟现实系统。 1 3 虚拟现实系统的基本构成 虚拟现实技术生成系统是一个人和机器组成的闭环系统。其中人是虚拟环境 的用户，即为虚拟环境的享受者与作用者，他用自身的视觉、听觉、嗅觉、触觉 与行为动作去作用于虚拟环境及其中的虚拟对象；机器部分主要是生成与变换虚 拟世界景像的超高速处理器以及人与计算机输入输出信息的接口设备，又称交互 设备，它包括头盔显示器、立体眼镜、数据手套、三维立体跟踪仪和现实引攀五 个主要部分。 第一章绪论 ；瑚 ：i i 至i i ；i 垂品i _ 实时立体显示 i ； 实 显示通道l “l 上 l 红外发射信号 | i 跞髓i 图攀口瞄“ l 头盔显示器h 三维立体跟踪仪 一数据手套ll 立体眼镜l ，。变量，匕! 。 。 知觉系统 一 图1 - i 虚拟现实系统构成图”3 1 3 1 头盔显示器 视觉是审视世界事物的基础，是人的最重要的感觉之一。头盔显示器是将双 眼立体观察屏幕、立体声耳机与定位接收器组合在一起的重要的虚拟外设。是目 前系统中能产生最佳沉浸效果的组合。双眼屏幕上装有高分辨率的液晶显示器， 分辨率可达6 4 0 * 4 8 0 像素。显示器上还装有位置跟踪器，可以跟踪头部的移动， 并将6 个自由度的移动信号输入计算机，计算机再根据头部位置的变化输出变动 的图像，这样就可以像在真实世界中一样，从不同的观察角度看到不同的景像。 配上耳机，可进一步实现头、眼、耳的协调一致，在观察随着方向变化的图像的 同时，也能听到随着方向而变化的声音。另外，头盔显示器也屏蔽了来自真实世 界的干扰，切断了视觉与真实世界的联系，使人产生完全浸入虚拟世界的感觉。 1 3 2 立体眼镜 立体眼镜通过显示具有深度感的图像增强了可视化效果。立体眼镜与显示器 配合使你能“同时”看到左眼和右眼的视景。这模仿了真实世界中看物体的方式 一用两只眼睛。 立体成像是这样形成的，当显示左眼视景时关闭右眼镜片，显示右眼视景时 关闭左眼镜片。因为每秒钟最少要发生1 2 0 次，所以你能同时看到左右眼的影像。 从而感觉到令人惊奇的具有深度感的立体影像。 1 3 3 数据手套与数据服 在浸入虚拟世界之后，人是通过手与虚拟对象进行交互的，如触摸物或人， 拿起或搬动一个物体，以及做其他任何在真实世界中用手做的事情。在手部位置 跟踪设备中，目前较先进的是数据手套，它不仅具有6 个自由度的位置传感器， 能探测整个手的移动而且在手指关节部位设置有应力传感器，能捕捉到每个手 指的相对移动和屈伸。戴上数据手套后，在虚拟世界中抓住与举起一个物体，如 虚拟现实技术在地形仿真巾的心用研究 同在真实世界中一样的感觉。按照同样的道理，也可以制成一套数据服，使人体 的所有关节部位都附着有位置传感器，甚至触觉反馈器，使人与虚拟对象接触和 交互作用时产生真实的对接触物的力感和质感。 我们日前使用比较好的c y b e r g l o v e 数据手套为1 8 个传感器，包括每个手指 上两个弯曲传感器、四个外展传感器，再加上测量大拇指交叉、手掌拱弯、手腕 翻转和外展等。 1 3 4 三维立体跟踪仪 使用者体位的变动包括头部的活动或手的动作的位置信息必须立即反馈给主 机，以便实时改变应该提供的图像和音响，从而产生沉浸感。最常用的方法是提 供一个可以包含使用者在内的三维空问传感器，即一个空间坐标系统，以获取使 用者的相应部位在x 、y 、z 坐标上的量值及围绕三坐标轴旋转的量值。三个定位 值及三个旋转值合称为6 自由度。当前设置定位场的方法有低频磁场和超声式两 种传感器。安装在头盔上或手套上的接收器接收由主机控制发射的磁场或超声的 强弱来计算出接收器与主机的相对位置和方向。反馈给主机以处理相应的声像。 因此传感器定位的精度，辨别体位变化的灵敏度及实时的程度就十分重要，目前 仍在不断改进当中。 1 3 5 现实引擎 虚拟现实系统的核心部分，是一种专用的超高速处理器，是产生用户看到并 能与之交互作用的虚拟世界景象的主要设备，故又称为“现实引擎”。该设备可能 是一台高级的个人计算机或超级计算机，也可能是由若干台可交互的计算机组成 的网络。现实引擎不仅拥有产生逼真的虚拟景物的复杂软件，包括庞大的图形数 据库，还必须具备强大的与快速的计算处理能力，包括存取与解释用户输入的数 据，如身体位置的坐标，头、手等器官的位置与姿态数据、以及语言与触觉等数 据。一般来说，在虚拟现实系统中视景生成速度越快，使用的多边形越多，视景 的效果越逼真。据有关专家分析，完全模拟真实世界的景像约需要每秒钟为每只 眼睛显示一亿个多边形，而目前的技术可达到一百万个，显示时间在6 0 7 0 毫秒， 所显示的图像的逼真度可达到基本满意的程度。 1 4 基于虚拟现实技术的地形仿真系统 由于虚拟现实在技术上的进步与逐步成熟，其应用在近几年发展迅速，应用 领域发展到包括航空、航天、铁道、建筑、土木、科学汁算可视化、医疗、军事、 教育、娱乐、通信、艺术、体育等广泛领域。而将虚拟现实技术应用于地形仿真， 首先是由军事领域面临新的挑战所提出的，它与战场数字化，战场可视化和战场 的虚拟化等概念紧密相关。其次，在航空航天领域飞行模拟器的视景开发和训练 中，逼真的多角度、大视野的地面场景的仿真，成为现代航空、航天模拟器所必 备的功能。小到房地产开发，城市规划，大型水利工程的设计，大到数字地球，这 些都迫切需要三维地形的可视化仿真，而基于虚拟现实技术的地形仿真就成为较 为理想的技术和手段。 第骨绪论 1 4 1 基于v r 的地形仿寞系统构成 囤卜2 基于虚拟现实的地形仿真系统 本系统是在上- - 4 , 节的v r 系统结构图的基础上，根据地形仿真的特点，衍生 而来。这里我们将这个系统分为三个部分，v r 生成系统、软件及开发工具和知觉 系统三部分组成，由设计主体来设计、控制和集成。 1 。4 。2 v r 生成系统 1 图像生成器，这是构成虚拟现实的核心内容，因为人接受外界信息的8 0 是通过视觉获得的。它应具备将图像按双眼视差理论分解为双像的功能，以供使 用者产生空间立体感。图像生成系统可显示在头盔中双眼的两个屏幕上，也可以 投射在大屏幕上，然后戴上有液晶开关的立体眼镜来分别接收左、右眼的图像。 但在大屏幕前的观察者由于没有体位的定位反馈装置，与图像的交互需由其他跟 踪装置来完成。我们使用的是s g i 系列高端图形工作站，主机部分为s g io n y x 2 i n f i n i t e r e a l i t y 桌边型图形工作站，主要配置包括双m i p sr 1 2 0 0 0c p u ，5 1 2 m 系 统内存，6 4 m 纹理内存，1 9 寸特丽珑立体显示器。软件系统包括i r i x 65 ， o p e n g l ，c + + ，p e r f o r m e r ，v e g a ，m u l t i g e ni i p r o 。 2 音频系统。v r 系统中的音响效果是与图像配合，由音频器提供立体声或环 6 虚拟现实技术在地形仿真巾的应_ e j 研究 绕立体声来实现的。使用者可从头盔上的立体声耳机或大屏幕周围的扬声器组来 感知音响。这种多媒体技术在系统中相对较为成熟，但其效果取决于设计者在音 场内各种动态音响的建模质量，例如飞机或坦克在眼前通过时声波的多普勒效应 的模拟等。硬件方嘶，我们使用的s g i t _ 作站自带音箱和头盔所带立体声耳机。软 件方面，除c + + 外，v e g a 仿真软件包给我们提供了a u d i o w o r k 模块。 3 跟踪及定位。我们使用的是p o l h e m u s 公司生产的i s o t r a k 。该设备提供了动 态的、实时的六自由度位置和方位测量，是目前最精确的电磁跟踪系统之一。系 统包括一个系统电子单元( s e u ) ，一个电源，一个接收器和一个发送器。系统电子 单元包含必要的硬件和软件以生成和感应电磁场，计算位置和方位，并与主机通 过r s 一2 3 2 接口( e e e 一4 8 8 和r s 一4 2 2 可选) 连接。平移范围3 米，分辨率0 0 0 0 2 英寸。 角度范围( 方位角) ：1 8 0 。，仰角：9 0 。，旋转角：1 8 0 。，角度分辨率0 0 5 。 提供的数据：x ，y ，z ，方位角，仰角，旋转角，并与c r t 同步。 1 4 3 用户的知觉系统 这也就是人机交互的各种界面。 1 声像头盔。头盔是将双眼立体观察屏幕、立体声耳机与定位接受器组合在 一起的重要硬件装置。是目前系统中能产生最佳沉浸效果的组合。头盔上的立体 声耳机与音频输出系统相接，接收由主机控制的音响。头盔上的接收器可以将体 位变化反馈给主机，以便变换相应的视屏画面。 2 大屏幕显示器。在大屏幕上播放可为左右眼分别接收的重叠图像，使用者 用立体眼镜来观看，由一个红外发射器控制双眼的液晶开关，产生立体视觉。大 屏幕可为多人提供虚拟场景，便于会场上使用，但它没有定位反馈系统，场景变 化则由跟踪球或鼠标输入，是一种间接的交互。 3 数据于套。这是最常用的人机接口工具，使用者戴上数据手套后，可以把 手的动作反馈到计算机以体现与图像视体的接触、抚摸。有触觉感的手套上还装 有模拟压力的传感器，靠压感电阻和小气囊的配合来产生压力感。数据手套应有 配套使用的软件，可以生成手的立体图形与使用者手套的动作同步。这是一个装 满传感器和利用各种微量量测装置的高技术集成产品，市场价格都较高。 4 跟踪球。这是种控制相对位置和方向的传感器，使用者可以在6 个自由度 上给球体施加压力来改变虚拟图像中物体的位置和方向。跟踪球是单向控制器， 无法接收虚拟图像变化的反馈。通常是配合其他接口设备使用。 1 4 4 软件及数据支撑 一个虚拟现实系统应有图像软件环境的支撵。通常可分为两类：开发工具包 和创作系统。虚拟现实软件的编程需要具备实时系统，面向对象的语言、刚络、 造型等多方面知识，而急于应用v r 技术于各专业领域的人员却不易了解这些知识， 因此虽好的办法是使用v r 系统开发工具，包括三维建模软件，实时仿真软件以及 相应的函数库等。创作系统是带有图形用户界面的完整软件，通过它们只需简单 编程即可生成虚拟世界。我们在研究的过程中，采取两种软件开发的方法，一种 是利用m u l t i g e ni i 三维建模软件包和v e g av r 系统开发工具包，进行较为快速的开 发方法。另一种是以m u l t i g e ni i 三维建模软件包结合p e r f o r m e r ，o p e n g l ，进行v r 系统底层开发。 同时，在虚拟地形环境开发中，地理空间数据库的支持特别重要。地理空间 数据库也称为地图数据库，它是当今各国的空间信息基础设施之一，都是大投资、 第一章绪论 长时间建立的国家项目，是一神信息资源。地图数据库以空间数据为主，包括地 形、水系、居民地、交通线、地物的3 d 数据等，是生成空间定位地形图像的基础。 与之相配合的是地面影像数据库，这是根据己定位的航空照片与卫星照片数字化 而成，是构成地形3 d 图像的重要数据来源。地理信息系统( g i s ) 是近期发展起来的 一种研究与管理的工具，这一系统具有丰富的领域信息和空间分析的功能，并以 动态电子地图为界面，实现了数据计算的可视化，成为个新的信息产业。在虚 拟现实的设计中，很多内容与方法性的问题都可以从g i s 中寻求答案。 1 5 国萨jd i - 有关虚拟现实技术在地形仿真方面的应用和发展现状 1 5 1 展现战场景观，替代现地勘察 用虚拟现实展现战场或一个地区的面貌，给人的感觉是非常兴奋的，因为这 种似实而虚的环境与根据自身的经验所建立的“心象”是不同的，犹如一种幻觉， 但生理器官的感受又十分真实，引入入胜。即使三维环境图像的制作有些简化和 粗糙，也可以被谅解”。特别是当用户采用自主视点交互时，其真实感更强。在 我们仔细观看一幅地景描绘得十分生动的地图、立体地图( 沙盘) 或城市模型时，常 常会有缩小自己走进去看看的幻想，现在，虚拟现实技术完全可以满足这要求， 走进去。所以，我们也可以把战场景观的虚拟化称为“可进入地图”。一些国家的 地图生产部门就是利用地形图或正射影像地形图作为图像数据源直接制成虚拟地 形环境，这种与实地景观又相似又有区别的“可进入地图”会给人一种新奇的感 受。 虚拟场景的制作，不受区域大小的限制，取决于使用场合和用途的要求，并 考虑数据保障的条件。 附图1 是长江流域三峡地段的一部分，这是按一个飞掠三峡上空俯视流域的虚 拟景观来设计的。数据来源为1 ：2 5 万地图数据库，用人造光影和分高程设色描绘 地形起伏，可以看出三峡地区峡谷、山体的蜿蜒交错的特征，有如乘飞机沿江而 下，效果很好。 附图2 是三峡水库坝址区景观，为了显示建坝前后的变化及水位涨幅，区域地 景依据1 ：5 万比例尺地形数据构成。观察者可在区域内空中、地面任何点观看 地区景色，并将建坝前后对比用动态显示，山景如画，坝体真实，确有身临其境 之感。 虚拟技术也可以再造地区的平面图像。附图3 是三峡库区( 局部) 的正射图，其 影像是根据地形数据按地面光照模型法计算生成的，森林则用图像“贴面”方法， 并依高程设计颜色，其结果有如高空彩色卫星照片，但比卫片清f l i 易读。从上述 同一地区三幅虚拟景观的比较上，可以看到虚拟现实技术的多适应性。 在更大的范围内观察战场时，虚拟现实可利用图像设计技巧适当改变地形环 境的详细程度，以更适合观察，这种技术在地图学中称为“制图综合”，在虚拟现 实技术中可以称为“图像概括”。经过概括后的图像与人在空中实际看到的图像有 差别，但由于突出了主要特征，其真实感并不受影响。 与上述相反，对于小范围的战术区域，人的自然视景和虚拟场景的矛盾f i 会 很大，展示的场景细部和人的视觉会协调起来，山地起伏、河流、道路、房屋都 可以用合理的尺度组合在。起。附图4 是一个小区的“可进入”场景。 这种战术性小区域的地形观察在，一些战场侦察，搜索与援救，城市战斗等任 务中有重要作用。在下一世纪的单兵装备改革的计划中，现在的地图那时将以虚 虚拟现史投术订：地形仿真中的脚用研究 拟地形图像的形式显示在步兵的头盔中，以指导其定位与行动【州。其图像的生成将 要求与同视地形环境高度协调。 在制作战术性的地形虚拟图像时，还有一个与技术兵器( 飞机、坦克、车辆1 的虚拟图像相协调的问题，如果一辆坦克压盖过一座山，车辆行进速度超过实际r 与 行程距离比较) 太多等等，都会造成虚拟战场的视觉混乱。 如何使虚拟地形环境的设计与制作更符合战场观察的需要，在内容选择和尺 度的确定上还有很多问题需要研究，但根本的要求是要使真实性被使用者所相信， 并从中获得最多的信息。否则他们宁可再找回地图来使用。附图7 是很好的实例。 1 5 2 为作战模拟提供地形环境 作战模拟是一种很古老的战争研究方法。古代军事家孙武在公元前6 世纪就曾 用模拟方法研究战争。我国现代作战模拟专家认为，在战术范围内作战模拟技术 有4 个主要用途：战术研究、训练、武器有效使用方式的选择和战斗条令评估【5 1 。 其中前两项，作战与训练与指挥员的培养有直接关系。用作战模拟方法来替代实 战演习是当代作战训练的重要趋势， 这是因为： 有些武器，特别是大规模杀伤性武器，除了实弹发射很难显示其效能，但实 弹发射受多方面的限制。 减少不必要的伤亡。 极大地减轻实弹演习对环境的污染和破坏。 大幅度减少开支。 因此，各国军事统帅机关都把作战模拟当作提高作战能力重要措施，并在很 大一个侧面上代表了军事现代化的水平。作战模拟不仅是培养指挥员的需要，在 拟定作战方案过程中也普遍作为方案论证和优化验证的方法。 现代计算机模拟能逼真地重现实际执行任务的经历，激起演练者行为与思维 的反应。通过模拟所取得的训练质量与模拟的真实性成正比。 作战模拟方法可以使战斗的过程反复再现，可以修改和优化想定，以提高指 挥员的能力和自信，这是实战演习中无法或难以实现的。 作战模拟也是一种速成培训法，它可以把以往要“身经百战”，积累十几年甚 至几十年的经历和经验才能成为优秀指挥官的历程大大缩短。他可以在计算机生 成的虚拟战场上经历各种战争的考验，体会沙漠、雨林、冰雪各种环境对战争的 影响，锻炼在各种典型条件下作战的能力，并以重复再现典型战例的方法，深化 自己的认识，总结经验。 现代作战模拟可以依靠宽带网络，构成分布式的作战模拟系统。在同一时刻， 身居不同地点f 可以是几千里之外) j ； 勺指挥员在各自的模拟器中同时进入一个战场， 实施协同作战演习。于8 0 年代起步的美国s m n e t 计划就是一个较成功的例子。 8 0 年代美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 与美国陆军共同制定了一个 “s i m n e t ”f s i m u l a t o r n e t w o r k i n g ) 网络模拟器计划，为美国驻于本土和德国的坦 克部队实施协同作战模拟使用，到1 9 9 5 年这个系统已建成2 6 0 个模拟舱，分布在 11 个基地内( 德国地区4 个，本土7 个1 ，供美国m 1 ，m 2 主战坦克及其支持分队包括 自行火炮、直升机、a 1 0 攻击机在这个虚拟环境中实施作战模拟。其战场景象用 b n n 公司提供的设备生成。起初选用东欧范围内的5 0 公里x5 7 公里的几个地区， 以后又增加了海湾地区的地形、植被、道路、建筑物、桥梁等要素构成战场虚拟 地景，通过国防模拟互联网，实现异地实时传输，供战场协调使用。这个计划的 第一章绪论 9 实旌是美国作战模拟一个大的突破，促进了“分布式交互模拟”( d i s ，d i s t r i b u t e d i n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ) 技术概念的形成和发展。其中本区模拟器之间的局域( l a n ) 和地区之间的广域网( w a n ) 的准实时图像传输以及各种武器平台与各种地形环境 之间的交互都是当前信息领域的核心技术( 图l 一3 ) 。其分布的概念也逐步明确，即 计算机的能力是分布的，没有中央计算机：再就是d i s 系统在地理位置上是分布的， 可以距离很远。这样使作战模拟进入了一个新阶段。 图卜_ 3 虚拟战场上武器平台联网 为上述分布式的模拟系统服务的环境图像生成以及数字化战场建设，美国国 防制图局做了大量地图与图像准备工作。开始是为北约( n a t o ) ，而实际上有更大 的应用范围的“数字地面信息模拟”( d i g i t a l l a n d m a s s s i m u l a t i o n ) 计划是其主要工 作。d l m s 包括了“数字地形高程数据”( d t e d ) 和“数字地物分析数据”( d f a d ) 两部分，各自按分辨率不同再分为两级。根据这两种数据利用图像生成工具提供 三维图像嘲，d t e d 分为l e v e l l s t l l e v e l 2 ，前者的栅格数据的密度约为1 0 0 米( 3 a r c s e c o n d ) ，后者分辨率较高，约为3 0 米( 1a r cs e c o n d ) 。d f a d 也分为两级，l e v e l l 一的 地物( 包括文化要素) 相当于1 2 5 万地形图上地物的数量，l e v e l 2 月j j 较详细，相当 于l25 万地形图上的地物数量。与此相配合的美国陆军测绘工程中心( t e c ) 编制的 d r a w l a n d 软件是一种地形可视化和供作战模拟使用的工具，在美军作战模拟及波 黑战争及白沙导弹靶场( w s m r ) 灵巧炸弹的实验中都起了重要作用。 1 5 3 虚拟地景能起作用的其他方面 虚拟现实技术在地形仿真方面一个十分成功的例子是在1 9 9 5 年波黑谈判中。 会谈双方在会谈现场观看了美方为其提供的边界战争争议地带的三维虚拟地景厉 对各自领土的地缘厉害关系更加清楚，因而最后在协议签了字。 原来，边界线的争议集中到了一个i j q g o r a z d e 的穆族飞地上，为了解决这块飞 地与萨拉热窝的通道，双方争执不下。美国陆军测绘中，t j , ( t e c ) 1 9 9 5 年接受了波 黑地区地形图更新与生成虚拟地景的任务，使用了两台s g io n y xr e 工作站和 p o w e r s c e n e 软件，提供了数字地图和正射航片结合生成波黑地区的三维图像，以及 边界任何变动都实时计算 l i 的面积比例，这才使双方同意保留一条通道往飞她的 较宽道路。签约后双方领土之比是5 1 ：4 9 。 虚拟现实技术在地形仿真中的应用研究 很明显，促成签字原因绝不仅由于此，但虚拟现实的使用，即给观察者的感 受明显优于其他方式如地图、沙盘的效果，从而得到了认可。不然为何一些大人 物也纷纷以此为例宣传新技术的重要，美国国防制图局也因此获得了一笔不小的 经费和人员编制的增力口。 虚拟地景不仅在战场上受到重视，在其他领域即凡是涉及环境诸因素的问题 都是一种重要的认知手段和工具。 建筑业集成了工程工效学、艺术各学科的理论与方法，解决了设计中实用美 观的协调，以最大限度适合人的居住、工作、交往，并在建筑物个体和群体之中 创造视觉的最佳效果。以往的设计都是以平面图、透视图来反映设计方案，大型 工程还做出模型以表示整体关系和布局。但这样做仍然使用户置于旁观者的地位， 用“心象”和经验去审视设计效果而不能“身临其境”去检验它，去感受环境的 氛围，去发现设计中的缺点。但虚拟环境与地景却可以做到这一点。 现在的计算机辅助设计( c a d ) 已开始用于设计，代表了一个建筑技术进步的阶 段。但c a d 方法不仅因系统繁杂，建模计算与绘图分割等缺点而限制了推广使用， 更主要的是在全局上，即在方案选择、具体设计、分析计算到施工图绘制的全过 程中缺乏系统性的联系。虚拟现实技术进入c a d 系统则可以克服上述缺点，提高建 筑设计的水平。它可以使设计者在过程中随时协调内部的关系，可以在方案的任 何变动中协调与用户的关系。因为在v r 技术支持下，任何设想、方案、建模、效 果都是可视的，可感知的，因而是可以交互的。避免建筑物落地成型了才发现不 甚美观，才发现与环境不协调，才发现用起来不方便等缺点，但为时已晚。 1 9 9 6 年，德国法兰克福市在市中心规划一座银行。先采集周围各建筑物的平 面图的三维数据，并用各建筑物的照片与三维立体建筑物图像贴合，用v r 技术构 成一个可进入漫游的虚拟环境，用这种方法检验银行新大楼设计的效果和在己有 建筑环境中的影响。整个工作基于一个城市建设地理信息系统及德国城市基础数 据库。不久前，苏格兰北部明奇海峡的斯凯岛大桥的规划设计在环保问题上与公 众发生了争议，后来用v r 技术逼真地向公众展示了建成后的大桥及周围环境的地 形、地貌，并用在虚拟岛上飞掠和驾车通过虚拟大桥的方法使公众在动态中感受 新建筑物的成果，结果大受欢迎，设计方案得以确定。 旅游业中自然环境是重点目标之一。旅游服务中心用过去提供地图、照片的 方法已不适合于当今的剧烈竞争，于是想到虚拟现实的方法，在中心提供重要地 点的虚拟环境观看设备，以吸引更多的旅客。这是很容易想到的办法，由于前些 年这套设备和数据采集的成本太高而难以推广，眼下已是一项发展极快的项目。 当然v r 技术尚没有进步到提供特别逼真的图像，致使旅游者看过v r 后不再愿意花 钱去重走一趟的地步。但是这种代替亲历的项目已在虚拟博物馆、虚拟大学中迅 速发展起来了。 i 6 本文的组织 本文主要从虚拟现实技术在地形仿真中的重要应用理论和算法，地形仿真研 究和学习中遇见的问题和解决的方法，以及基于s g i 图形工作站进行虚拟现实开 发的新工具、新方法，这几个方面进行论述。 第一章绪论部分，主要对虚拟现实技术的起源、发展及其在地形仿真方面的 应用做了较为概括性地介绍和论述。 第二章地形数据的获取和处理，对数字地形图的相关理论和算法基础做简要 第一章绪论 介绍，这些数字地图数据是虚拟现实技术在地形仿真中应用的数据基础，如何将 己有数据分类加工，建立地形虚拟仿真所需要的数据库，是本章论述的主要问题。 第三章基于m u l t i g e n 的地形建模技术，介绍了优化多边形的l o d 技术，论述 了如何应用m u l t i g e n 软件对数字地形数据进行三维模型转换，同时讨论比较了不 同的三维模型生成算法的特点。 第四章三维多分辨率纹理地形模型的研究，主要论述了纹理在三维地形模型 中的应用策略，介绍了多分辨率纹理的概念，特别是针对大面积地形如何进行纹 理调度策略，解决图形系统的“瓶颈”问题。 第五章数据手套的工作原理及其在o p e n g l 下的应用初探。主要对数据手套这 一虚拟外设进行分类比较，并对其中一种高精度手套c y b e r g o r e ，进行详细说明 分析，并给出了在o p e n g l 下的应用实例，该章是为今后进一步建立和完善，基于 v r 技术的“沉浸式”地形仿真和地形分析系统而做的前期研究性工作。 第六章也是本文的最后一章，对本文的论述进行归纳总结，并对下一步的研 究工作提出作者的设想。 1 7 小结 虚拟现实系统是一个软、硬件与多种传感器结合的高科技系统，涉及许多基 础学科和前沿学科，作为一个提供给人来使用的认知工具和思维工具，其构建的 难度是显而易见的，况且目前有关虚拟现实技术，尚存在大量未因满解决的难题 以及理论的和工艺技术的盲区。 本章对近年来虚拟现实技术的起源，发展的回顾，同时对虚拟现实技术在地 形仿真方面的应用也做了较为详细的介绍。根据军事测绘发展的可视化需求，所 有这些应用内容都是我们需要研究的课题。这为如何快速生成作战指挥需要的三 维地形，打下了较为坚实的理论和实践的基础。 在本章最后，对本文的组织作了简要的介绍，以方便阅读。 第二章地形数据的获取、特征和类型 第二章地形数据的获取、特征和类型 2 1 引言 地形是战场的自然结构，是地貌和地物的总称。地貌是指地表物质的起伏形 态和性质( 亦称地貌与地质) ，地物是指地面上位置固定的物体( 包括居民地、道 路、水系和植被等) 。该描述是我军军事地形学对地形的描述。从广义上讲，地形 数据应该是一切描述这些地形要素的数据。其表达形式可以是以模拟方式表现的 图像或图像，如地图和航摄像片，也可以是以数字方式记录在表格( 兵要地志、 年壤) 或计算机存储介质上的数据( 如数字地图) 。 由于我们研究的地形数据用于计算机地形分析，我们把地形数据定义为：存 储在计算机介质上的，描述地形诸要素的有序数字集合。它不仅可由计算机系统 进行处理，重新生成可视的地形信息，而且能为军事地形分析模型所运用。 地形仿真的基础是地形数据，了解地形数据获取的方法，相关算法，数据特 征和数据类型，是非常必要的。特别是目前我国测绘领域内，地形数据获取的方 法手段较多，地形数据的处理算法根据精度等方面的需要，也差别很大，地形数 据格式不统一，缺乏相应的数据格式约定标准。此外，测绘作业中，使用大量国 外测绘数据处理软件，如a r ei n f o ，m a pi n f o ，等等，而国外g i s 相关软件所支持的 数据格式，又与国内的截然不同。不仅如此，国家测绘局与军事测绘的数据体系 差别也很大，这些都为高效