新技术在虚拟地理环境中的应用

1、201248600108079中国测绘科学研究院空间数据可视化方式的变迁精细化数字化立体化虚拟化计算机与人类认识的隔阂 自从计算机发明以来,计算机一直是传统信息处理环境的主体,它只具有在只具有在数字化的单维信息空间中处理问题的能力数字化的单维信息空间中处理问题的能力。而事实上,人类是依靠自己的感知和认知能力全方位的获取知识,是在多维化的信息空间中认识问题。 这样就产生了人类认识问题的认识空间与计算机处理问题的信息空间不人类认识问题的认识空间与计算机处理问题的信息空间不一致的矛盾一致的矛盾,人类被排斥在计算机为主体的信息处理环境之外,而、且较难以直接理解信息处理工具的处理结果,更难以把人类的感知

2、能力和认知经验与计算机信息处理环境直接联系起来。虚拟现实技术 虚拟现实(VirtualReality,简称VR;又译作灵境)是近年来的研究热点。它是一项综合集成技术,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域。 它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅逼真的三维视、听、嗅等感觉,使人人作为参与者作为参与者通过适当装置,自然地对虚拟世界进行体自然地对虚拟世界进行体验和交互验和交互,最终使得参与者产生身临其境感觉使得参与者产生身临其境感觉,并且能直接参与该环境中事物的变化与相互作用。传统方式与虚拟现实技术的对比从外部去观察仿真建模的结果通过键盘、鼠标与计算机环境中的单维数字化信息发生作用沉

3、浸(Immersion)到仿真建模的环境中通过多种传感器与多维化信息的、适合人的环境发生交互作用传统方式虚拟现实虚拟现实技术的特点 动态交互性-通过多种传感器与多维化信息的、适合人的环境发生交互作用 信息丰富-空间数据、影象、声音等多媒体信息和遥感数据 时空维-既再现它的历史,又虚拟它的未来 沉浸性-人能够沉浸到仿真建模的环境中虚拟现实系统的构成硬件构成： 图形工作站 显示设备 传感装置软件构成： 交互控制软件 场景驱动软件 建模与渲染软件 数据处理软件显示设备空间数据三维建模软件三维渲染软件三维模型图形工作站用户动作传感装置交互控制软件场景驱动软件控制参数地理信息系统虚拟地理环境 虚拟现实技

4、术和GIS技术高度结合实现二者一体化, 可形成虚拟地理环境系统。 虚拟地理环境源于虚拟现实技术,高于虚拟现实技术.它最早是从地学的网络可视化研究提出的,是一个关于地理系统的虚拟实验室,强调人的感知性和沉浸感,让更多的地学工作者利用网络技术同时在虚拟的实验室进行交流和讨论. 虚拟地理环境集成了多源信息采集、地理信息系统、地理模型管理、虚拟现实、网络、智能体等技术。虚拟地理环境的特征 以化身为基础 多用户 分布式 虚拟环境虚拟地理环境与传统地理信息系统技术的区别：在虚拟地理环境中,从地理数据到多维表现以及多通道感知,贯穿了以人为中心和面向问题解决的空间认知关于数据、信息、知识、模型的全过程,多维与

5、动态的分析方法自然就成为全面深入研究空间问题的基本途径.虚拟地理环境如何对人的认知的影响1、虚拟地理环境拓展了人的空间认知手段和范围、虚拟地理环境拓展了人的空间认知手段和范围由计算机生成的虚拟地理环境是一个能给人提视觉、听觉、触觉、嗅觉以及味觉等多种感官刺激的世界,即在虚拟地理环境中,不能只有一种感官刺激构成。这样的环境给身在其中的用户带来一种沉浸感。沉浸感沉浸感带给用户对空间环境的“场依存性”,这种依存性能够让用户觉得自己是计算机所创造的虚拟环境中的一部分,使人由旁观者变为参与者,全身心的投入到虚拟世界中。2、虚拟地理环境改变了人的空间思维方式、虚拟地理环境改变了人的空间思维方式由符号构成的

6、地理空间知觉过程对地理事物本质的映像将知觉的图形再现出来回忆联想心象地图形成对地理空间整体的、动态的、连续的认识记忆与联系再现地图二维地图：二维地图：包含制图人员的抽象逻辑思维，直观性差，图面要素多，相互关系复杂。虚拟地理环境：虚拟地理环境：形象思维与逻辑思维的结合，感性与理性并重，无论使用者是否具有地图使用经验,在虚拟地理环境中总是容易得到更多的潜在的空间信息。在虚拟地理环境中,使用者对外部环境的认知是一种主动的、导航的方式。他获得的主要是过程性知识,这与二维地图有很大的不同。如何加强人在虚拟环境中的感受与认知 视觉上： 高精度三维建模，最大化模拟现实世界的场景。 真实渲染引擎，模拟现实世界

7、的物理现象及光影效果。 建立化身与用户的协同控制（动作一致，行为一致，最大化模拟用户行为） 头戴显示装置，使用户沉浸在虚拟环境中 听觉上： 环绕立体声，使用户可根据声音判断发声物体（虚拟物体）的位置 知觉上： 模拟现实世界的触感（技术还不完善） 嗅觉上： 模拟现实世界中的各种气味（鸟语花香）加强视觉感受 三维建模： Autodesk 3DS MAX Autodesk MAYA 渲染引擎： 虚幻4渲染引擎（UnrealEngine4） OpenSceneGraph（OSG）关于虚幻引擎的一些介绍虚幻引擎的特性：引擎可以支持制作人员创建一个数百万多边形组成的超精细模型，并对模型进行细致的渲染，从而

8、得到一张高品质的法线贴图，这张法线贴图中记录了高精度模型的所有光照信息和通道信息。在游戏最终运行的时候，游戏会自动将这张带有全部渲染信息的法线贴图应用到一个低多边形数量(通常在5000-15000多边形)的模型上。这样的效果就是游戏的模型虽然多边形数量比较少但是其渲染精度几乎和数百万多边形的模型一样，这样可以在保证效果的同时在最大程度上节省显卡的计算资源。虚幻编辑器（UnrealEd）：虚幻的编辑器(简称为“UnrealEd”)是一个以“所见即所得”为设计理念的操作工具,它可以很好地弥补一些在3DStudioMax和Maya中无法实现的不足,并很好地运用到游戏开发里去。在可视化的编辑窗口中游戏

9、开发人员可以直接对游戏中角色,NPC,物品道具,AI的路点及光源进行自由的摆放和属性的控制,并且全部是实时渲染的。(并且这种实时渲染还有动态的光影效果。)在虚幻的引擎中为了游戏开发的程序员们能够更好地进行编写,提供了3个非常具体的编写实例和百分之百开放的源代码,编辑器,Max/Maya的输出插件,以及一些公司内部开发游戏所使用到的游戏代码。化身与用户的协同动作MicrosoftKinectKinect是微软在2010年6月14日对XBOX360体感周边外设正式发布的名字特点：不需要使用任何控制器，依靠相机捕捉三维空间中玩家的运动可进行全身动作的捕捉（步伐，手臂，手指，腿部动作等）多点阵列式麦克

10、风，可辨认声音面部识别2011年6月推出了KinectforWindowsSDKBeta，可以使用C#与.NETFramework4.0来进行开发沉浸于虚拟环境之中 SONYHMZ-T23D头戴显示器 分辨率：1280*720 支持3D显示 相当于在20米处观看750寸屏幕虚拟地理环境的设备架设示意图 在硬件设备搭建完成后，通过软件模拟，即可形成一个虚拟地理环境，供用户使用。化身用户虚拟地理环境动作控制交互视听感受、知觉、触觉化身对虚拟地理环境的控制，可包括对环境的观察，聆听，触摸甚至改造而在控制的过程中，环境也能对化身进行，触觉，嗅觉等的反馈，进而影响用户虚拟地理环境的应用方向 在城市规划中

11、的应用（时空维度与数据分析） 虚拟旅游（空间维度与时间维度的跨越） 建筑设计（在建筑物中漫游，更易获取建筑给人的直观感受） 虚拟实验（降低实验危险性，缩短时间，降低成本）虚拟地理环境在虚拟旅游方面的应用 虚拟地理环境能逼真动态地展现旅游规划设计方案,给人以身临其境的沉浸感。目前的旅游规划设计方案,主要是通过文字、表格和图件等静态形式展现出来,其中绝大多数图件都是二维平面的,即使是透视效果图,也只能反映两个侧面,缺乏逼真的全方位立体感和动态感,也不利于规划方案的评判。 然而虚拟现实技术却不同,它是由规划设计人员根据客户及社会经济发展的要求,将一个旅游地的地形地貌、气候水文、植被土壤、土地利用现状、社会经济背景、区位条件、旅游资源、旅游线路以及各种旅游需求等大量信息建成数据库,并变换成虚拟现实系统,然后通过该系统人机对话工具,进入具有视听功能的三维动画效果的虚拟现实环境(模型)中漫游,给人以身临其境的沉浸感(包括视觉、触觉和听觉)。这是传统规划方案难以达到的。 虚拟旅游通常包括以下4种方式：u现存景观的虚拟旅游。u再现景观的虚拟旅游。u未建成景观的虚拟旅游。u目前人类还不太可能到达的虚拟旅游。 虚拟旅游为人们提供了2种