城市仿真三维场景库建造的关键技术研究1

0 引 言<BR>虚拟现实技术(Virtual Reality)是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它实时的三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受，将从根本上改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，使人能以视、听、触等人类习惯和自然的方式来感受和认识计算机生成的虚拟世界，促进人与环境的交流，从而更深入地开发人类的智慧。<BR>三维展示是虚拟现实的一个重要应用。它利用虚拟现实技术对事物细节“以假乱真”的描述能力和身临其境的表现魅力来展示新产品、设计规划等，能取得很好效果。三维城市规划展示就是三维展示的一个典型例子。用三维动画展示未来的城市规划显得有些力不从心，动画的固定形式限制了设计师和参观者想象力的发挥。如果他们想换个角度或换个高度来观察，那该怎么办呢？人们需要虚拟现实技术来实现对三维城市景物的实时交互操作，想象一下，我们可以在三维的数字化城市里沿着街道像行走一样，观察两边的建筑，也可以在不同的高度、不同的远近程度观察我们的规划小区。对一个标志性的建筑而言，我们也可以从前、后各个角度来观察它的合理性。这就是三维实时城市漫游技术的魅力，应该是未来城市规划的发展方向。<BR>城市仿真实时漫游系统是基于城市三维场景库的活动。因此，三维场景库的建造是整个仿真系统的基础。三维场景库建造质量的高低直接关系到实时漫游系统的成败。本文先分析了在城市仿真领域内，大规模三维场景库建造的关键技术，然后以扬州市新城西区的场景建设为例，阐述了基于MultiGen Creator建模软件建造大规模场景的实现过程。<BR>1 城市仿真中的几何建模<BR>建模是虚拟现实最重要的研究领域之一。要在计算机中模拟现实世界，就必须建出在外形、光照、质感等各方面都与真实对象相似的对象模型。场景三维建模主要包括三维视觉建模和三维听觉建模。下面介绍在城市仿真中常用的视觉建模中的几何建模技术。<BR>1.1 几何建模<BR>几何建模是指用计算机画出许多各式各样的多边形，拼构成所模拟对象的立方体外形，达到与真实物体在外观上“形似”。在城市仿真建模中，静态对象的几何模型所表示的内容包括以下几点。<BR>1.1.1 对象的几何形状及其属性<BR>几何形状可以用点、直线或多边形图形、曲线、曲面方程等等方法来表示。但出于对计算机存储和计算开销的综合考虑，一般都采用点、直线或多边形图形表示。几何形状可以直接通过PHIGS、GL等图形库从头创建，但一般用建模工具创建，效率更高。如果要得到高质量的三维可视化数据库，最好是使用专门的视景仿真建模工具，如MultiGen Creator。<BR>几何形状的各种属性，例如颜色、质地等可以通过使用建模工具直接在描述对象几何形状的多边形里添加。例如，MultiGen Creator建模工具就可以对多边形添加材质、光照、颜色、表面纹理等属性。<BR>几何形状属性，尤其使纹理的添加给仿真系统带来了许多好处。第一，它提高了模型的真实感。第二，纹理的使用，使得模型不必靠增加大量多边形就能提高真实感，大大减少了模型的多边形数目，降低了模型的复杂度，因而提高了屏幕的刷新频率。<BR>1.1.2 对象在整个场景中的坐标位置<BR>一个大的场景是由许多各种不同的对象构成的，每个具体对象应该有自己的坐标位置。坐标位置建立了场景中各个模型互相连接关系。这样，就能方便地把所感兴趣的对象独立出来，单独对它进行修改，然后再把它集成进整个场景中。<BR>1.1.3 对象需要说明的属性信息<BR>这些属性信息不一定与对象的几何形状有关，例如对象的名字、对象的特点等。<BR>1.2 建模要求<BR>模型是原型的模板，是对原型的模仿和描述。在城市仿真建模中，对模型主要有下面两个要求。<BR>第一，模型要有精确性。模型的精确性是指模型要能精确地反映出原型的基本特征。例如，楼房的模型与实际楼房在外形尺寸、外表纹理等方面的差异要控制在一个可以接受的范围之内。<BR>第二，模型要有简要性。模型的简要性是指模型在描述原型的基本特征时，要对原型作某种简化，突出其主要部分，略去次要部分，集中反映原型最本质的特征，或者反映人们最感兴趣的部分。<BR>这两个要求，互相对立又互相统一，是同一事物的两面，应该同时兼顾模型的精确性和简要性，把两者有机结合起来。<BR>建模时，应先考虑模型的简要性，然后再逐步细化，构造出一个精确模型。<BR>首先，建立概略模型，反映原型的整体特征。原型越复杂，越需要从整体上把握，概略模型越重要。概略模型一般把复杂的原型分成几个简单的主要部分，使人们从总体上了解整个原型的结构。每个部分可以看做是一个子模型。第二步是对子模型建模，同样可以对子系统进一步分解，分析子模型由哪几个部件组成。第三步是综合模型，子模型确立以后，可以根据系统概略模型的结构把子模型综合为原型的总体精确模型。<BR>1.3 建模原则<BR>建造模型时，要明确建模的目的和要求。目的和要求不同，模型建造的复杂度也必然不同。一般来说，模型的建造要遵循两条最基本原则：第一，数据的可靠性。建模时，收集的数据和有关信息必须准确可靠，否则必然造成很大偏差。在城市仿真建模时，这就要求不但要收集到最新的、准确的资料信息，而且要到实地进行考察。第二，模型必须与原型具有某种程度的相似性。这就是相似性原理，它是建模的基础。在城市仿真建模中，这就要求对没有准确数据的物体不能杜撰数据，而是要通过一些方法估计出大体符合实际的数据信息。模型建好后，还应该反复验证，直到满意为止。<BR>1.4 建模工作流程<BR>建造模型的首要工作是收集模型的数据资料，同时为了数据准确可靠和数据的前面起见，还应该到实地去考察。并确定应建造模型种类、数量、位置以及对应名称，根据物体尺寸建造几何模型。几何模型建完后，还应该对所采集的纹理做适当的加工处理，然后根据实际情况对几何模型进行纹理映射。从而得出初步得模型，接着要把初步模型加入仿真系统进行验证，直到确认模型符合实际要求后，才成立最终模型。<BR>工作流程如图1.1所示：<BR>图1.1  几何模型建造流程图<BR>2 实时场景生成的优化策略和相关技术<BR>在大规模城市仿真中，三维场景的多边形面片数量一般都很大，扬州市新城西区场景就达60万个面片。计算机在生成三维场景的计算量很大，三维图形生成和显示的实时性就成为产生现实感觉的首要条件。在城市仿真视景中，实时性主要体现在画面更新速度一般要达到每秒24帧以上，才能让人眼察觉不到闪烁的程度。图像的生成速度主要取决于图形处理的软硬件体系结构，特别是硬件加速器的图形处理能力，以及图形生成所采用的各种加速技术。<BR>虽然现在计算机CPU与图形处理器发展都很快，但是普通PC机还是不能运行如此大的三维场景。因此，有必要应用一些三维场景实时生成与显示的优化策略，来减少图形画面的复杂度。下面就常用的几种场景生成与显示的优化策略和相关技术作一介绍和分析。<BR>2.1 可见性判定和消隐技术<BR>由于视线的方向性、视角的局限性以及物体相互遮挡，人眼所看到的往往只是场景的一部分。在城市仿真中，为充分利用绘制硬件的有限资源，就必须充分利用物体空间的相关性，加快可见性的判定，减小绘制深度。所以要对可视化数据库进行检索，检索出一部分，该部分经过坐标转换和透视投影所产生的图像是屏幕上可显示的。这些图像有的可能超出屏幕，或部分超出屏幕，这就要进行可见性判定和裁剪。<BR>70年代发展起来的对象分层显示大大加快了可见性判定。层次表示的主要方法是包围盒技术和八叉树技术。这两种方法的主要特点是将场景组织成为一棵树，充分利用空间连贯性以加速场景的遍历，从而大大减少了画面绘制过程的空间复杂度。<BR>由于视点不同，在空间，只能看到三维物体的某些面(向前面)，而有些面是看不到(背离面)的，将那些完全或部分被遮挡的面成为因此面，消隐技术就是要消除相对空间给定观察位置的背离面和蕴藏面，这样就能得到不透明物体图像的最基本的真实感。<BR>2.2 多细节层次(Levels Of Detail)技术<BR>为三维场景库模型设立多细节层次(LODs)描述是控制场景复杂度的一个十分有效的为方法。<BR>细节层次 (Level of Detail，LOD)模型是指对同一个场景或场景中的物体，使用具有不同细节的描述方法得到一组模型，供绘制时选择使用。<BR>当物体越来越远时，物体变得越来越模糊，人们不再能辨清该物体上的许多细节结构。另外，当物体投影在屏幕上所覆盖的区域比较小的时候，没有必要用该物体细节描述非常复杂的模型去描述它。否则，容易造成走样，影响视觉效果不说，还造成大量CPU处理资源和处理时间的浪费。<BR>LOD方法的基本思想是：对场景中的不同物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方法，在绘制时，如果一个物体离视点比较远，或者这个物体比较小，就可以用较粗的LOD模型绘制。反之，如果一个物体离视点比较近，或者物体比较大，就必须用较精确的LOD模型来绘制。<BR>下面介绍LOD的生成方法和切换技术。<BR ><BR >

<P>ding </P>

<P>强</P>
<P>看得头都晕了，</P>
<P>不过楼主辛苦你了</P>

正在研究，希望大家都来探讨。