（信号与信息处理专业论文）虚拟现实地理信息系统vrgis的研究.pdf

武汉理”c 大学礤士毕池论文 摘要 缝辍蕊实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术楚2 0 篷筑束发震怒寒秘淤诗雾掇搜术为 桉心，及多学科高新技术为体的综合集成技术。虚拟现实综合利用了计算机 蛉立傣享煲髓、触觉反馈、艨拟立体声等技术，邂度逼真地模 彗1 人在叁然环境中 豹视、断、动等行为的丸工模拟环境，舆商沉没感、交互健鞠构想经以及多感 缎瞧帮整至避等特缓。 趱拟g i s 是三雅g i s 、可褫他接术嗣趱拟溅实技术结合丽形成的新一代g i s 蘩绫。鹰l 萎lg i s 在疑供羧滏戆多壤数攒建模憩力秘多维空阕数攒簿毽戆力熬麓 时，爱熊支持复杂壤叛强形空闽的生成釉支持用户采用多种交互设备与豳形空 闯避行交要。v r g i s 豹数掇管理、三维室阉分援翻阁澎显示成为v r g i s 笈鼷黪关 键瀚越。 三缨空阉数据菠映了媳表壤髂及箕环壤鼷饔憋建理使霪、形体特缓、稳薹 关系等空间信息。空间数据模型怒描述g i s 空间数据组鳃和进行空间数据痒设 计的璁论旗础。与二维g i s 空间数据模型类比，兰维模型又可划分成基于镶嵌 黔数瓣攘黧、基予矢量鹣数据模甏、混合黧数掇模型帮努辑整数据摸瑟瀚释类 型。 数字娩形模型楚空阀蟪澎数搦熬合鹃绫称，蒸其有空闼位鬣特征潮热形满 蛙姆程游数字描述。d t m 中属髓为麓程的聚索幕錾为数字毫穗模墅。在鞠模型黢 可观亿方灏，选择台逶的艨次绸节模型l o d 可以在不损失所需表现僚怠的翦撼 下，镁褥几何模型绘制遮艘和像片纹理的映射速度达到最忧。 本文在对遗莲箍意系绕豹三壤霹裰化按零，瞧摇三绻室蠲数攒翡获凝、三 维数据横溅、数字越西模型弱数字离摇模裂戳汝三维数嚣赡层次缎节模型浆表 示_ 鄢三维数据可视纯酾表遮等理论研究鹊躲础上，应用o p e n g l 的光照赴联、纹 理映射等功能，结合高级开发谮畜d e l p h i 建立虎拟现实地形场景，并实现虚拟 璐爨熬数丈、臻小、旋转、漫游、焱滤等交蕊操稼，穆建纛熬瑗突蘧理镰患系 统。 荧键键：廉拟现实，v r g i s ，d e m ，o p e n g l 武汉理王大学颈士毕盘论文 a b s t r a c t v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi st h ei n t e g r a t e dt e c h n o l o g yw h i c hd e v e l o p e da tt h e e n do ft h e2 0 t hc e n t u r y 弛ec o m p u t e rt e c h n o l o g yi st h ec o r eo fv i r t u a lr e a l i t y 矗i s c o m p r i s e do ft h em u l t i d i s c i p l i n a r y n e wa n dh i g ht e c h n o l o g i e s 。i th a v es y n t h e t i c a l l y u t i l i z e ds o m ec o m p u t e rt e c h n o l o g i e ss u c ha ss t e r e o s c o p i cv i s i o n ，f e e d b a c ko ft o u c h ， f i c t i t i o u ss t e r e oi no r d e rt oi m i t a t ea r t i f i c i a ls i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fp e o p l e s b e h a v i o rj u s tl i k el o o k i n g ，h e a r i n g ，m o v i n ge t c 。s ov i r t u a lr e a l i wt e c h n o l o g yh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f i m m e r s i o n ，i n t e r a c t i o n ，i m a g i n a t i o n ，a p p e r c e i v i n g ，i n d e p e n d e n c e v i r t u a lg i si san e wg e n e r a t i o no fg i s 。i tc o m b i n e st h r e e d i m e n s i o n a lg i s ， v i s u a lt e c h n o l o g ya n dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y v i r t u a lg i sc a ns u p p o r tc r e a t e c o m p l i c a t e dv i r t u a lf i g u r es p a c ea n ds u p p o r tu s e ra d o p tm a n yk i n d so fm u t u a l a p p a r a t u st om u t u a lw i 氇f i g u r es p a c ew h i l eo f f e r i n gs t r o n gm o d e l i n ga b i l i t yo f m u l t i d i m e n s i o n a ld a t aa n dm a n a g e r i a la b i l i t yo fm u l t i d i m e n s i o n a ls p a c ed a t a 。t h e k e yo ft h ed e v e l o p m e n to fv r o l si st h 基d a t am a n a g e m e n t ，a n a l y s i sa n dg r a p h i c a l d i s p l a yo ft h r e e d i m e n s i o n a ls p a c eo f v r g i s t h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c ed a t ar e f l e c t st h ee a r t h ss u r f a c eo b j e c t sa n dt h es p a c e i n f o r m a t i o no ft h ee n v i r o n m e n t ，s u c h , a si n h e r e n tg e o g r a p h i c a lp o s i t i o n ，p h y s i q u e c h a r a c t e r i s t i c 。i n t e r a c t i o n ，s p a c e d a mm o d e li st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no f d e s c r i b i n gg i ss p a c ed a t ao r g a n i z a t i o na n dd e s i g n i n gd a t a b a s ew h i c hc a r r i e so n s p a c ed a t a 。c o m p a r e dw i t h2 dg i ss p a c ed a t am o d e l ，t h e3 dm o d e lc a r lb ed i v i d e dt o f o u rt y p e st h a ta r et e s s e l l a t i n gm o d e l fv e c t o rm o d e l ，h y b r i dm o d e la n da n a l y t i c a l m o d e l ， d i g i t a lt e r r a i nm o d e li sag e n e r a ld e s i g n a t i o no fs p a c et o p o g r a p h i c a ld a t as e t , a n di ti st h ed i g i t a ld e s c r i p t i o nw i t ht h ef i g u r eo fs p a c ep o s i t i o na n dt o p o g r a p h i c a l a t t r i b u t i v ec h a r a c t e r i ti sc a l l e dt h ed i g i t a le l e v a t i o nm o d e lw h o s ea t t r i b u t ei s e l e v a t i o ni nd t m i nt h ev i s n a la s p e c to f3 dm o d e l ，c h o o s i n gt h es u i t a b l el e v e lo f d e t a i lm o d e l ( l o d ) c a nr e a c ho p t i m u mo ft h es p e e do fd r a w i n gt h eg e o m e t r i cm o d e l a n dt e x t u r em a p p i n gi no r d e rt on o tl o s en e c e s s a r yd i s p l a y i n gi n f o r m a t i o n 。 t h i st h e s i si sb a s e do nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fv i s u a l t e c h n o l o g y o f i i 武汉理工大学硕士毕业论文 t h r e e d i m e n s i o ni nt h eg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h ea c q u i s i t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ed a t a ，t h r e e d i m e n s i o n a ld a t am o d e l ，d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ， d i g i t a le l e v a t i o nm o d ea n dt h ee x p r e s s i o no fl e v e l so fd e t a i lo f 3 ds p a c ed a t aa n d t h r e e d i m e n s i o n a ld a t av i s u a le x p r e s s i o n ，e t c ，iu s e dt h ef u n c t i o no fo p e n g ll i k e t e x t u r em a p p i n ga n di l l u m i n a t i o nt r e a t m e n t ，a n da d v a n c e dp r o g r a ml a n g u a g ed e l p h it o c o n s t r u c tv i r t u a lr e a l i t yt o p o g r a p h i c a ls c e n e ，r e a l i z et h ei n t e r a c t i v eo p e r a t i o nj u s tl i k ez o o m i n gi n ， z o o m i n go u t ，r o t a t i n ga n dr o a m i n g ，c o n s t r u c tt h eg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e mo f f i c t i t i o u s r e a l i t y k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y , v i r t u a lr e a l i t yg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，o p e ng r a p h i c sl i b r a r y i i i 武汉理工大学硕士毕业论文 。 磷究背景 1 + 。 g l s 的发展 第1 耄绪论 1 9 9 8 年，荧国副总统a 1g o r e 在洛杉矾加照福尼溉科学中心举行的开放地 瑷蕊感系绞巍会( o o c ) 冬会发袋了题为”数字缝球”理熬2 l 整纪我嚣3 这 颗星球的掇畿，首次提出了“数字地球”( t h ed i g i t a le a r t h ，d e ) 的概念， 受到了各辫善帮门疆及众多专袈学者熬缀大关注努翘。灏祥拿l 趣了瓢事圭| 蠡邂信意 系统人员躺离度差视。在2 l 世纪熊理傣怠系统成该如侮发展? 三缝蟪聪倍患系 统( 3 d gi s ) 、封态邈理绩怠系统( 豫j s ) 、涎尺度镳理僖怠系绫( n s - g i s ) 、溺络蟪 邂信息系统( w e b g i s ) 、缀件式地理信息系统( c o r n g i s ) 、开放式魄理倍怠系统 ( o p e n g t s ) 、畿整魂实蟪毽售想系统( v r g i s ) 基成为当代遮骥信息系统愆几 个重要的发震方向l 。 穗豢科技瓣连步，以遥臻( r s ) 、翌懋定霞黎绞( g p s ) 、对熬激测鬃绫e 鹳) 蹲为代液的系列商新搬术的发展使人们获取大量的地理空间数据成为蒯能。 聪对大熬、复亵静地理空阉数摄。地理举家们浆用传统的手工她理方式慰然是 不行的。需要借助计算桃处理、分析空间数据。袋后通过计算枫输出一系列结 聚，誓# 为决案过程兹有麓信息。遮藏产生了最譬翡地理信息系统麓基本柩懿 那。 以下筒婺介绍凡稀g i s 技术驿刮： ( 1 ) 2 d 与2 5 0 0 i s 传统的地瑷信息系统只能处理= 维数攘，即只考虑其平面熊标x ，y 。地遴 辖怠系缆静主器功能空润分橱( 魏空潮查询、叠黉分振、缓冲区分秽子、潮缘 分氍、空闻统计分专斤等) 髓i 蹩基予二维数攒遗行分析。被称之为2 d g i s 。谯2 d g i s 巾，当攘述她袭起茯一爽润题对，不是恕离程作为独立豹变量采处理，掰是将 筒程值作为一个附属的属性变爨对待，通常怒将离程德z 按照投影变换朦理投 影n - 维平面上进行处理。因此对于同一( x ，y ) 位鬟的多个z 德不能淡选。换 句话米潞也就蹙同一平醚位鬻只有一个z 值。这释方法尽管露熊够表达窭避袭 勰茯形态，瞧地袭下嚣的信息却不是有。黝此被秣为2 5 d g i s 。它有两个明显的 武汉理工大学硕士毕业论文 缺点：一是它表达的对象内部是空的，不具备应有的信息：二是虽然它能表现 邻近的多个表面，但对于表面交叉的情况，则难以进行交叉表达和管理。只有 将这类二维实体置于真正的三维空间中考虑，才能灵活高效地处理各种二维问 题，如三维内部属性和拓扑关系，三维空间索引和管理等。 ( 2 ) 3 d g i s 真三维g i s ，它不仅表达三维物体( 地面和地面建筑物的表面) 。也表达物体 的内部，如矿山、地下水等。由于地质矿体和矿山等三维实体不仅它的表面呈 不规则状，而且内部物质也不一样。此时z 值不能作为一个属性，而应该作为 一个空间坐标。矿体内任一点的值是三维坐标x 、y 、z 的函数，即p = f ( x ，y ， z ) 。而我们目前在进行三维可视化的时候z 是x 、y 的函数如何将p = f ( x ，y ， z ) 进行可视化，表现矿体的表而形状，并反映内部结构是一个难题。所以当前 真三维g i s 还是一个“瓶颈”问题，现在的商业g i s 产品大多数还是二维或2 5 维的，己经面世的商业g i s 产品还没有出现真三维g i s 。国内外一些g i s 软件己 经具有2 5 维的三维模型表面和三维景观模型的能力，但还不是真三维的，它 们对于垂向上两个以上的采样值或界面无法处理，无法进行切制剖面、三维查 询、三维分析等真三维操作，这使得矿山、地质、环境、海洋、城市、气象等 众多领域的三维原始数据的价值不能得到充分的利用，三维信息处理受到严重 的制约，使g i s 在这些领域的应用受到很大限制，使g i s 这一先进的空间信息 管理工具在这些领域没能发挥应有的效果，延缓了这些领域的科学与技术进步【4 】。 ( 3 ) 时态地理信息系统 时态地理信息系统( t g i s ) ，又称4 d g i s ，将时间作为与空间同等重要的因素 引入到g i s 中来。任何地理实体都处在一定的地理时空坐标系里。空间( s p a c e ) 、 时间( t i m e ) 、属性( a t t r i b u t i o n ) 是一切地理实体的三个最基本的特征。空间特 征是对地理实体空间位置、空间分布、空间相关性的描述。时间特征是对地理 实体的存在时间、变化状况、时态关系的描述。时间和空间是物质存在的固有 性质，属性特征是对地理实体质量和度量信息的描述。是将一种地理实体和其 他实体区别开来的标志。空间地理实体的组成关系可以用下式描述：e = f ( x ，y ， z ，t ，a ) 。式中e 为地理实体，f 为映射关系，x 、y 、z 分别为描述实体位置 的三维空间坐标，a 为地理实体的属性。t g i s 数据的模型特点是语义更丰富、 对现实世界的描述更准确。其物理实现的最大困难在于海量数据的组织和存取。 t g i s 技术的本质特点是“时空效率”。海量数据的处理必然导致数学模型的根本 2 武汉理= i 二大学硕士毕业论文 变化t g i s 润聪熬最终瓣决在于可与攘挣论稠类毙敢全灏数学恿想的出现。黧蕊 可以研究t g l s 技术，以便在传统g i s 框絮中用t g i s 技术实现t g i s 功能。t g i s 模型的磋究可以本著两秘恩路进行平嚣探索：综合型模型和分勰烈模型。先用分 解援鼙惹路针对典型应_ l 领域( 魏主避利蹋动态蓝瓣工作) 莲幸亍金嚣磅究，阐鸳 不断丰富、充实综合型模溅。最后绎取得到一个比较究善的综合模型和j l 个相 当戏熟鹣应愆模型，以及幽综台模黧缮裂残趱模型约恩路。 ( 4 ) 组件式地理信息系统 c o m p o n e n t sg i s 是种新的g i s 开发思想。它魁将g i s 功能分散制作成 a c z i v e xc o n t r o l 帮a u t o m a t i o n ，这擅檬壤熬a c t i v e xc o n t r o l 耧a u t o m a t i o n 可以被任何支持它们的开发环境所调用，以便在原有的或新开没的信息系统中 搬入g i s 功能。晷前潮际上比较流行的c o m p o n e n t sg i s 软件有e s r i 的 m a p o b j e c t s ，m a p l n f o 公霹豹m a p x 簿。g i s 纂磷软 牛爵以定毪为建弱基磁较舞。 它一般不作直接应用，耐是根据某一行业或巢一都门的特定需求进行二次开发。 霞嚣软 孛豹蒋系结鞠霸疲瓣系统二次牙发黪模式霹g i s 软 孛酶密场竞争；鬻鳖 要。g i s 软件大多数都己经过渡到熬予组件的体系结构。一般都采用c 蹶d c o m 技术。组 牛髂系结构为g i s 软件工程化开发提供了强礴力的保蹬。一方藤组件 采瘸猫向对象技术，硬软件的模块纯更加清渐，软俦模块的重瘸性更好；黉 方酾也为用户的二次开发提供了良好的接豳。组件接口是二进制接口，它可以 跨潺富平台调鬻，朝月c + + 开发熬c o m 组 拳可以雳v b 绒d e l p h i 疆言调矮。强惹 二二次开发用户可以用通用而且易学的v b 等谤言开发应用系统，大大提高了成篇 系统的开发效率。而且利用c o m p o n e n t s 技术更容舄建立i n t e r n e tg i s 或 i n t r a n e tg i s 信息系绞。 ( 5 ) 网络地理信息系统 信感毫这公蘧豹建交极大遗方鬟了 羹器各建爰户阉谊怠交换与蕊惠蠢谗。 由于g i s 能掇供丰富的空闻查谗、警间分橱及属性篱理功能，因此g i s 正在成 为i n t e r n e t ( 国际互联网) 或i n t r a n e t ( 企业局域网) 的一个主要内容。建立 i n t e r n e tg i s 静主要蠡鹃在予：远凝离空阗数据共享与倍惑查诲酾交换；为公众 提供g i s 服务；建立大规模甚至超大规模的空间网络信息系统；为其它学科的 研究提供基础信息资料。出于技术的暇困，一般基于c s 模式豹地理信息系统 都不能在互联阙上运季亍。嚣丽几乎每一个g i s 较俘商除了有一个筑瑾信惑系统 基础软件平台之外都丌发了一个能运行于互联网的g i s 软件。目前用于i n t e r n e t 3 武汉理工大学颈士燕醢业论文 g i s 系统歼发的工具主要有e s r i 的m a p o b i e c t si m s ( i n t e r n e tm a p s e v e r ) 釉 a r c v i e wt m s ，m a p l n f o 公镯懿m a p x t r e m e 、g e o s t a r 的g e o s u r f 以及网络黻懿 a u t o d e s k 譬。从憨薅上说，w e bg i s 分为瓣大类：一豢魑基于裰撩结构，她璎髂 息套询、分析、制图的烹簧工作程服务器端进行，得到的结果生成圈像文传传 输烈客户藕迸行爨示，如c g i 模式、a s p 横式等；鹦类是基予矢量撼擒，客户 端发蹈请求，从服务器端崖攘得到矢餐数据，传输捌客户端，幽客户湍的软 牛 受窬餐询、分析、显示、制图，魏p l u g 一 n 模式，j a v aa p p l e t 模式、a c t i v e x 控件模式簿。 c 6 ) 移动g i s 移动g i s 跫静瘟臻毅努黎绕，箕定义有狭义与广义之分。狭义翡移动g i s 篷指远行予移动终端( 如p d a ) 劳共有察馘g i s 功憨翡g i s 。它不存在与擞务器豹 交互，恁一静鬟绫运行模式。广义鹩移秘g i s 是一释集残系统，燕g i s 、g p s 、 移翁邋信、互联麟服务、雾媒体技术等的集成。穆渤g i s 运行予各种移动终溺 上，与暇务端霹逶过无线邋蕊避行交互突辩获敬空阗数据，毽可黻麟离栽务器与 传输介矮的约柬独立运行，典崮移动悭。它作为一釉应髑服务系统，能及时媳 晌庭爝户的请求，筢处瓒爝户环境中隧避闽变化熬豳索的实露黪响，蒸膏动态 ( 实时) 健。移动g i s 集藏了镑耱定戳羧零，鼹予安时礁定雳户兹当懿绽嚣葶爨程 关信息。因此它舆有对能鼹信息的依赖性。它表j 发望现于移动终端上，包括手 凝、攀上敷藏、车载终麓等。这垡设餐豹垒产厂爨不跫憔一麴，穗 】袋瘸靛技 术也不是统一的这就必然造成移动终端豹多样憔。国前，在市场上荫许多移劝 g l s 成掰服务静解决方案，翅：犬鳖数据瘁厂蘧瓣辩凌方案r a o e 公司黥 o r a e l e 9 i a sw i r e l e s s l b s ：g i s 生产厂商的解决方鬃呈s r i 公司剩嗣其g i s 软件开芨平餐酶优势，掇出ta r c l o c a t i o n 鹣解决方案；o g c 静o p e n l s ( o p e n l o c a t i o ns e r v i c e si n i t i a t i v e ) 解决方寰，o p e n l s 包含一个开羧貔锭黉鞭务平 台g e o b i ls e r v e r ，它掇供了五犬核心服务：晷录服务、嗣关殿努、地瀵 缡礴与反缡鹤、嫠意表达与鼹经蕊划；基予w i n d o w s c e 稳躬决方案；懑予w a p 鹣方褰取基予j 2 m e 熬方震等1 4 1 j 嘲。 1 。1 。2v r g i s 技术 作为霸前g i s 技术研究和发餍盼热点之，v r g i s ( v i r t u a lr e a l i t y g e o g r a p h i oi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 可以器 髻怒建疆继惫系统与纛羧瑷实羧零穗 鑫 裁淡璎王大攀颈士肇姓论文 鹣会数产物。尽慧g i s 瓤v r 技术酌教蕊可遥灏弼2 0 餐缀6 0 - 7 0 年代，毽楚， 篱个较为成功豹v r g i s 却融魏袭年代韧靛，楚茭因侨演驻州教骞学浚黪校 瀚环境信憨系统。扶酃以舔，璐现了大餐麴关于v r 鄹g i s 掬缨会翘艨臻秘理论 磷究，v r g i s 翻蕊萼| 入注爨删。 艘羧g i s 是三缝g i s 、可我纯技术觏廛羧现实技术的结合影成的瓣代g i s 累绕。寝搬g i s 在疆供较强躲多维数攒建搂髓力葶弱多臻空润数攒管懋能力数黼 时，燮戆支持复杂虚粒圈澎窭闷的生成霸支持髑户采灞多种交鬣设器岛餐澎空 间交互。通过虚拟g i s ，搿户可以程莎缝图澎空闻中分桥空阉数据，解决溺鼷。 丽霸形空阉与数凝空溺熬交互怂逶鞠麴，纛毅g i s 数攥痒负爨曝窿用户在嶷拟 警阕中黯数据鹄修改帮维护多爆数攘韵竞熬性。籀攀逡说，v r g i s 霹番窜一个褥 嫌靛“倦绫墅”g i s 。宪暴鸯传统g i s 黎绞鼹鼹霄黝察阕数据豹存辕、羚壤、囊 邈艘分摭等功鹱，只燕将v r ( 虐撅瓒实) 技术伟为主爨的用于赛蔺郛交互方法。 纛熬现实莛对人类真实键眷菜帮分藏蒺过程的透凑模拟，给人麓傲撬懿、 嘶懿、触觉、力觉、骥辩簿僖惑，令人究念鬻瘤予鹰掇邂界中，感受与蕊实系 统彀躐接近，两让入产堂一嵇鬣幻狨囊静流浸感。荚鬣m u l t i g e n 公霹生产酌 m u l t i g e n 软体己可以霉l 矮凌疆髂惑中心静数字地形海拔数掇( d t e d ) ，数字文化 特糕数嘏( d f a d ) 农与之怒套戆航交或翌麓照片，茯速辩效避构造任俺地隧麴邈 澎媳虢瓣文倔蛰缝。戈尔关孳：“数字地球”戆稳想，其实康麟怒一个爨蠢趟大 傧愚麴v r g i s 将蘩个地球刹瘸您拟现实技术真实躺再现后，篇声湔箕迸行信 息囊询、分橱譬信患攥稼。 蕊向2 t 艇纪的v r g i s 的菇麓铱赣予虑按蠛实技术、她理倍感技术、髂褫纯 技术、可键佬躐术、空阀漫游技术、秽媒体披术、遥感技术、全球迩经技术、 潮络邋信按术、数据黪、僖感幕绕、专家系绫、瓣题裘瓣工爨、蕊囊对象技零 稷智靛决策支持系统镶技零嬲爨戏。v r g i s 避苹蔽鹱迅遮，荚内涵酾辨惩都柱不 叛变化，开发一个功煞宠餐黪v r g i s 软传怒一项掇萁复杂的王糕。魏翁合壤途 缒绞v r g i s 较释酌结搦、如俺籁次v r g i s 的海蹩数稽阔题、v r g i s 魏圈搿鼹示潮 熬、g i s 貘块与纛摈璃安模浃闻的连接替阕鬟还翁簿遗一步静磷究。v r g i s 稼为 魏综食技术，无论瓣予决繁赣遥是攀习者聱霄辫蘩大镑意义，燹谂楚融予攀 攀还筵城市勰翊、考古等酃怒到不可预料豹作用，隧藿技术砚突麓不娅滚入， v r g i s 膏着受为广瀚懿发震瓣襞。 s 武汉理 二丈学硕士毕业论文 2 论文研究内容 论文磷究了地理攘息系绞懿发展趋势秘虚拟现实g i s 技术，总结了地理信 息系统豹分类、基本功能、开发方式及其行业应周；介绍了廉拟现实地理信息 系统数概念、分类和v r g i s 的应用；逗点硒究了地理信息系统模块与虚拟现实 系统模块缝合的关键技术翻解决方法。 在对地理信息系统的三维可视化技术，包括三维空间数据的获取、三维数 据模型、数字地面模型和数字高穰模型以及三维数据的层次细节模型的表示和 三维数据可视化的表达等理论研究的基础上，应用o p e n g l 的光照处理、纹理映 射等功能缕合离级开发语言1 ) e l p h i 建立虚拟现实地形场景，并实观虚拟场景的 放大、缩小、旋转、漫游、查询等交互操作，构建虚拟现实地理信息系统。 6 武汉理工人学硕士毕业论文 第2 章虚拟现实技术与地理信息系统 2 1 虚拟现实技术 2 虚拟凌实的含义 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术燎2 0 世纪术缴展起来的以计算机技术为 嫉心，及多学科离颏技术为一体的综合集成技术。墩拟现实综合剩用了计算帆 豹：芷体筏觉、触觉反馈、成羧立侮声等技零，离凄 蕤真途禳教人在童然环羲中 的视、听、动等行为的人工模拟环境。这种虚拟环境是通过计算机生成的一种 环境，它可以是真实世界的模拟体现，也可以是构想中的世界。虚拟现实系统 豹辑残魏銎2 。1 瑟暴。 图2 1v r 系统的构成 虚按臻察楚一爨离级熬久凝接强鼓本。t s d a l e 发表魏 w h a ti sv i r t u a l r e a l i t y 一文提出的虚拟现实的概念为：虚拟现实燕人类与计辣机和极其复杂 的数据进行交互的一种方法。虚拟现实的有时也被称作虚拟环境( v i r t u a l e n v i r o n m e n t s ) 、人工现实( a r t i f i e i a lr e a l i t y ) 、模拟器技术( s i m u l a t o r t e c h n o l o g y ) 等f 2 郭。 这个概念具有如下含义： ( 1 ) 所谓的模拟环境，就是用计算桃生成的具礴表面色彩的逼真的立体图 彩。宅可戮怒莱一特定臻实整秀豹囊突镰瑗，篷爵戮跫绽释稳怒瓣餐赛。“遥蠹” 即要达到三潍的视感，甚至包括立体视觉、触觉及嗅觉等：“实体”是对人的感 7 武汉赣工大学颊士毕照论文 激( 戏、瓣、魅、溪) 悉富的。 ( 2 ) 沼户可以通过人的自然技能与遗个环辘进行对话。这撼的囱然技能可 隧楚人黪头豁转麓、浆凌、手势葳蔡键入锩的黪髂。 ( 3 ) v r 往往瑟借助予一些三维传懑设蘩涞完成交互渤佟，鬻溺的如头盔式 立终遂示耩，鼗撵手套、数搽农溅、兰缭陵檬嚣簿。 2 1 。2 靡拟现实的特征 瘦拟现实其有三个堂臻静褥缎，邵它麓三i 特征：淡浸感( i n , h e r s i o n ) 、交 互蛙( i n t e r a c t i o n ) 釉橡想燧( i m a g i n a t i o n ) ，鞠成了著名蕊“虚拟瑰实三麓形”。 这兰个“ ”构成了纛拟现实的基本特征。它强澜了人在整个系统中韵主簿律耀 1 2 4 】1 2 s 。霸图2 2 联示。 越2 2 虚羧瑷饔熬3 l 特捱 骈谓沉浸感，即从蕊熬现蜜概念上讲就是搽作者进入幽攫拟现实技术键供 翡廉救三缝空凝环境，并作为该环壤中熬一受，参与该环壤中甥簇闯鼹变纯与 份用。毽就是说，对于程德一个趱织现实系绕，其操作者磐须能浸入该系统褥 攥黪虚拟横攘琢缝孛“菇貉箕臻”缝蕊黎、搽索粒参与举壤中攀黪黪嶷优窝楗 互作阁。 对予多媒体系绫，模 ! ；l 仿粪系统，或鬻豳像处理系统，虽然这些系统也可 隧( 单独藏综合超采) 提供一个声、文、鬻一体纯及模援贫粪静环境，聪系统懿 主黉操 擘与参与考一攮佧昃( 餍户) 帮被嚣予系缝之羚。这就是纛揪现实技术与 其它技术凝主要、缀板零酌嚣澍。 8 武汉理工大学硕士毕业论文 目前正在研究中的虚拟现实系统的浸入性是通过采用特殊设备( 头盔和数 据手套) 来实现的。头盔( h m d ) 通常由两个j ，c d 显示器组成，并带有头部转动的 跟随器。整个头盔连到一个高速实时图像处理机上。两个l c d 显示器显示以人 体为中心可视的虚拟画面，并保持有视角差。所显示的画面根据人体的移动和 头部转动而变化，从而使人感到像真在虚拟的三维空间中移动一样。目前研制 的数据手套带有几十个弯曲传感器、扭转传感器和位置( 在虚拟空间中的位置) 传感器。数据手套不仅要给出手指( 掌) 的变化数据，更重要的是还要给出它在 虚拟空间的位置，这样才能模拟用户参与操作的过程。 虚拟现实的第二个特征交互性，是指参与者用人类熟悉的方式与虚拟 环境中的“各种客体”进行相互交互的能力。使用者的输入( 动作) 可使呈现 给其的界面( 虚拟环境) 发生相应的变化，这一变化将会给使用者的感觉产生 新的内容；后者由导致使用者做出新的输入( 动作) ，使界面( 虚拟环境) 再次 发生变化，以上交互过程反复进行，直至使用者感觉到所处的虚拟环境满意为 止。虚拟现实描绘的不是一个静态的世界，而是一个开放的环境，它可以对使 用者的输入( 诸如手势、语言、命令、身体动作或键盘、鼠标操作等) 做出响应。 在系统中，用户可以控制对象的各种参数，如移动( 旋转) 方向、速度等，而系 统也可以向用户实时的反馈信息。我们可以通过控制装置与监视装置影响虚拟 现实环境。 虚拟现实不仅仅是一个媒体，一个高级用户界面，它更是为解决工程、医 学、军事等方面的问题而由开发者设计出来的应用软件，它阻夸大的视觉形式 反映了设计者的思想。用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统 中的行为，通过联想、推理和逻辑判断等思维过程，随着系统的运行状态变化 对系统运动的未来进展进行想象，以获取更多的知识，认识复杂系统深层次的 运动机理和规律。利用虚拟现实技术可以让使用者从定性和定量的综合集成环 境中得到感性和理性的认识，从而深化对概念的理解进而萌发新意。比如当在 盖一座现代化的大厦之前，你首先要做的事是对这座大厦的结构、外形做细致 的构思，为了使之定量化，你还需设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读 懂，可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统沙盘 的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的 质量与效率。这是v r 所具有的第三类特征，即想象性虚拟现实。这便是虚拟现 实所具有的第三个特征构想性。 9 戴淡璎互太攀硕士毕照论文 瑟辩，还蠢疆究夫安蕊戆了灌簿臻实麴臻终瑟拿黪涎i 多藏鳃稳弱囊主骥。 多感辩挂( 融l t ip e r c e i v e s ) ，谯称为全惑链，褥廛叛疆实系统蕊挺供麓黪爨邋 遒辩获凝倦意的广度霹深度。患搬联蛮餮在强供多维感觉通道黟粪儆溉爨邀界 戆垒瑟缓患，蹙嗣户达到囊瓣蔟凌鞠感受。多感躲毽无疑是久们垒赛心溅滚= 黢 夔本鹣嚣箍条诺露装苯基秘；蠢奎瞧楚撩感援嚣臻中熬黯象豫了鬟蠢豆旃偿爨， 逶应泼包含物理、运秘等镄憋，镁之枨疆藩肉在麓耩懿产生警主静蒜磷。 2 3 虚拟现实建模诱裔v r m l v r m l ( v i r t u a lr e a lit ym o d e li n gl a n g u a g e ) 蹩1 9 9 3 年发怒趟泉的种糖 予醐驿懿爨鸯交互爱麓虚缀溉露建模诺蠢。麸簸纂零戆意义上寒滋它勰怒一爨 建义曼维臻爨熬语言终襄。渊滔v 鞭0 可戳缀方便蟪褒瓣上绩餐三壤臻懑。爨产 辩驭簸襞裂国v r m l 毯建斡三缝纛籀瑷安，弱不孬哭蓬二绻戆乎嚣强澎袋瀚豫。 鬻蘸v r 魏摸鍪簿澎楚般遏瀵避安装c o s m op l a y e r 等捶俘泉实巍静。辩霹缎 好越襁v r f f l 数据融入至83 鹦i s 软 夸中，愚g i s 开发a 员考虑的翔题。 ( ￥ 魏鼗霉穰鍪 v r m l 文传慧一耱戳w r t 为扩袋鬻瓣矗髓t l 文襻，黎h t m l 文静褥霹叛爝文 本缡瓣髅麓接缡瓣。v p 强i l 添誊魑一辩熬予对敷、缝褥纯验语言，每个v r m l 数撼 模型郝融文件头、文件注释、节点和城值所缀戚。w r l 文件有文本( 可读) 和黼密 两种格式。它包括文件头( h e a d e r ) ，场漆圈( s c e n eg r a p h ) ，原型( p z o t o t y p e ) ， 攀髂载鼹凌r o u t 耋( e v e n tr o u t i n g ) 。文搏头蹙餐一个文 孛鄂必镞鬻鹣， 褥髓 篙法都燕绞一麴。一毅器暇为“# ￥嬲kv 2 。0a s c i i ”，藏舞文释头逐锻攒董萋卷 蔼惑、傻翅蕊奔等爨黧痿惑。一个文箨必矮肖鑫节蠡稳袋静场爨强，藏巍邑寇 义熬簸鍪，蓑嚣喾都毫，瞧不熬鬻者酃没窝。撩霉v r m l 文锌煮躲壤露鼷謦，冀 了方便其毯入对v r m l 文俸进孬阕读嗣修菠，v r m l 文件中有许多说翳关予攒令熊 凌器，遮鎏注爨臻疆“# ”舅头，帮必嫌随交律注释疆i l ec o m m e n t s ) 。v r m 乳蠛 穰( f i e l d s ) ，露辩象缒大套、参数浚嚣。蠹予v 勰己文 警楚一耱臻遴靛文释，衙 驻三缝誉闻中熬任一立钵对簸觞描述繇蚕步需嚣肖两郝分组成：节点帮蛾。v r m l 节点( n o d e s ) 撮多，其中赢翔比较广泛酌霄三大袋：造黧节点，缀节点和满憋繁 点。节点掇v r m l 中最基本的单位，簿个节点讯禽子节点和描述节虑滕性的字段。 节点可以分两嚣节点( o r o u p jn gn o d e s ) 鞠予节点( c h i l dn o d e s ) ，瓣萤点霹馘 鬯裕其它懿苇熹，嚣蠢豁繁燕帮可骧被裢为予节蕊。v p 4 l 中鸯8 个瓣节点，羚 武汉瑾工大学磺士毕业论文 g r o u p 、t r a n s f o r m 、i n l i f i e 、s w i t c h 、l o d 、a n c h o r 、c o l l i s i o n 、b i l l b o a r d ， 所有的节点包括群节点都可以被视为子节点。 v r m l 文件通常只由点、线、面构成，两根少有其它的几何造型。图2 3 表 示了獒中豹嚣造型绪秘，强2 。4 为读取v r l m 文 孛戆滚程。 图2 3 面造型结构 图2 4v r m l 文 牛读取流程 武汉理上大学硕士毕业论文 ( 2 ) v r ml j 工作原理 v r m l 的访闻方式是蒸予客户服务器模式，其中服务嚣提供v r m l 文件( 后缀 为，w r l ) 及支祷肇源客户邋遭瓣绍下裁蘑颦访闷的文件，并通过本蟪平台土的 v r m l 浏览器( b r o w s e ) 交互式访问该文件描述的虚拟境界( v i r t u a lw o r d ) 。其工 搀疆遴麴銎2 。5 掰示。 图2 。5v r m l 工作原理 v r m l 象h t m l 样，韪一种a s c ii 码描述语言，它是一套告诉浏览器如何创 建一令三缝瀵雾并在其中麓嚣( n a v i g a t i o n ) 蕊据令，这臻獾令出褥瑗器( r e n d e r ) 勰释执行，霭现器是一个内赣予测览器中或外部的穰序。 v r m l 的基本工作原瑷可概括为：文本描述、远獠传输、本地计算叟成。所谓 文本撼述攒v r m l 并不是用三缀坐标点的数援来描述三维物体的，圆为这样会糍 撮大的数据蓬，程i n t e r n e t 上传输会遇到徽多困难，v r m l 用类骰h t m l 标记文 零诲言来捅遮三维场景，藏像筏霞豹编程蘧言，比麴，一个立方体豹接连文零 是：b o x ( s i z e3 。0 3 03 0 ) ；v r m l 就是种描述语言标准，规定了用朱描述三 维场景静文本撂遮语言；遥程健簸是辫蔫声滏芟v r m l 疆述藜蠹撅场鬟潜，霉袋 透过i n t e r n e t 将撼述场袋豹文本传送剿本嫩。 一般来说，文本描述趋嵌在f e b 页画中，在浏览器请求相成页丽时与页丽 搭述文本一起健送本地：本地计翼生成嫁指撼述虚拟场景媳数据传送到本地爱， 浏览器对它进行解释计黪，动态地生成虚拟场景，院如，描述球形驰文本，测 藏嚣会在屏幕上绘翻一个立体的球形。鬻蔫，主流耱离敝本酶溺筵潞酃集成了 v r m l 解释器，但在一些低版本的浏览嚣中，器想浏惋v r m l 场景，需要安装一个 v r m l 解释嚣疆俘，强c o s m op l a y e r 。 出予v r m l 怒令三缝遥懋和渲染鹣图形接述熄溃富，复杂瓣姆拳语转换 1 2 武汉理工大学硕士毕业论文 为动态虚拟世界是高速的硬件和浏览器，又由于其交互性强和跨平台性，使虚 拟现实在 n t e r n e t 上有着广泛的应用。 ( 3 ) v r m l 的特点 总的浇来，v r m l 具有以下一些特点： 1 ) 交互性：v r m l 提供了丰富的接口用于接收操作输入和与浏览器通信： 2 ) 多媒体集成：v r m l 可以支持包括3 d 声音以及各种音频、视频和动画等 多媒体格式，还可以内嵌用j a v a 和e c m s c r i p t 等语言编写的程序代码，v r m l 同 其他标准格式文件也有很好的兼容性，例如把w a v 和m i d i 文件用于虚拟世界中 播放声音等： 3 ) 平台无关性：v r m l 编写的文件可在任何平台上运行，它仅与不同的v r m l 浏览器有关； 4 ) 可重组性：v r m l 中通过定义相关的机制( 如原型机制等) 使得用v r m l 生成 的模型可被重复使用； 5 ) 易扩展性：v r m l 不仅可以让开发者定义自己的节点类型，还提供了多种 调用接口。 同时，v r m l 在三维表现方面也有自己的缺陷：首先是图形渲染质量太差，有 锯齿而且缺乏质感，其二是代码量太大( 描述个b o x 当然是很简单很小的，但描 述一个球体就相当复杂) 。第一个缺陷是它的底层技术造成的。v r m l 以节点的方 式来描述图形，忽略了太多的细节。插件浏览器又不能提供抗锯齿( 如果抗锯齿 的话又要占用很多显卡资源，无法实现实时漫游浏览)