三維數(shù)字地形漫游

1、5.13 三維數(shù)字地形漫游 一、概述三維數(shù)字地形系統(tǒng)是地理信息系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)在應用于許多領域。可以從模擬飛行游戲、Google數(shù)字地球中體驗到三維數(shù)字地形生動、形象以及具有良好互動性等特點。三維數(shù)字地形已成為具有很強應用價值的技術，但是單純利用Direct3D或OpenGL來實現(xiàn)三維地形需要大量專業(yè)知識，同時編程量很大；如果使用專業(yè)三維地形引擎則價格昂貴，這些限制了廣大愛好者對三維數(shù)字地形的開發(fā)研究。不過，隨著開源運動的廣泛開展，目前有許多開源三維圖形游戲引擎（如Ogre，KlayGE，Nebula，Irrlicht等）可用于三維數(shù)字地形系統(tǒng)的開發(fā)，使三維數(shù)字地形程序變得易于

2、開發(fā)。其中由德國電腦游戲專家Nikolaus Gebhardt設計的Irrlicht三維圖形引擎，可以應用于各種.NET語言中，在普通電腦即可運行，易于掌握，并由活躍的開發(fā)團隊支持。比較適合進行三維數(shù)字地形漫游系統(tǒng)的開發(fā)。文中采用目前廣泛使用的C#語言，結合Irrlicht三維圖形引擎實現(xiàn)了三維數(shù)字地形的漫游。由于采用三維圖形引擎，免去了許多底層編程工作；同時，C#的特性又使該程序開發(fā)速度較快。二、引擎配置以Microsoft Visual Studio .NET 2003為例介紹開發(fā)過程。1引擎下載從Irrlicht三維圖形引擎的主頁： 的Download欄目中下載Irrlicht引擎 SD

3、K壓縮包。整個壓縮文件約為16MB，解壓后生成irrlicht-1.3.1目錄，該目錄包括Irrlicht引擎C+源代碼、引擎動態(tài)鏈接庫、使用手冊以及一些三維素材。2建立C#工程在New Project中選擇建立C#的 Console Application工程，如圖1所示，將工程命名為Terrain。3在工程中加入Irrlicht引擎鼠標右鍵點擊新建工程的References項，選擇Add References加入引擎的動態(tài)鏈接庫Irrlicht.NET.dll，該文件在irrlicht-1.3.1binWin32-VisualStudio目錄中，如圖2所示。圖1 建立C#工程圖2 添加ir

4、rlicht.NET引擎成功加入引擎后，在References項中會顯示新子項Irrlicht.NET，如圖3所示。圖3 References項中顯示Irrlicht.NET三、地形生成方法用電腦生成三維地形的方法有許多種，其中使用最廣泛的就是高度圖生成法。我們經常會看到用不同的顏色表示海拔高度的地圖。高度圖生成法采用相同原理，只不過為了便于計算機處理，海拔高度值用圖像中的亮度值表示。即圖像中每一點處的灰度值代表該坐標處的地形海拔高度，越接近黑色則海拔越低，反之越接近白色則海拔越高。要使地形具有真實感，地形圖像必須符合一些要求，主要是灰度數(shù)值的連續(xù)變化，兩像素距離越近的點灰度值越接近。地形圖像

5、較容易得到，我們可以利用圖像處理軟件Adobe Photoshop制作，利用其“Render”特效的“Clouds”項，將前景設為黑色，背景設為白色，這樣得到的圖像可以表現(xiàn)出非常真實的地形效果。也可以從網(wǎng)上直接下載相關的用灰度值表示的高度圖。本文采用irrlicht引擎中多媒體素材文件夾meida中的高度圖terrain-heightmap.bmp，如圖4所示。為了便于編程實現(xiàn)，這里將路徑為irrlicht-1.3.1media的素材文件夾拷貝到與新建C#工程Terrain相同的目錄下。圖4 高度圖這張高度圖尺寸為256*256?？缮?16個三維網(wǎng)格頂點，這是普通電腦系統(tǒng)一次所能繪制的最多頂

6、點數(shù)。如果要繪制更大的三維地形，則需要分批多次繪制。通過高度圖生成三維圖形后，可在Irrlicht引擎的支持下增加控制功能以及碰撞檢測用于實現(xiàn)三維數(shù)字地形漫游。四、地形漫游程序三維地形漫游程序采用console風格，程序的整體框架如下：using System; using System.Text; using System.IO; using Irrlicht; using Irrlicht.Video; using Irrlicht.Core; using Irrlicht.Scene; using Irrlicht.GUI;namespace TerrainRoam /命名空間指定為為地

7、形漫游 class Program: IEventReceiver /高度圖及紋理載入路徑string path="././././media/" /定義地形場景節(jié)點ITerrainSceneNode terrain; static void Main(string args)public bool OnEvent(Event p_event) public void run()其中主類Program從irrlicht事件接收器類IEventReceiver繼承。該類成員函數(shù)包括程序進入點Main()，引擎事件接收器類成員函數(shù)的重載函數(shù)OnEvent()，地形載入及主循環(huán)函

8、數(shù)run()。另外在程序開始通過使用using指令指定包含文件和相應的命名空間。包括Irrlicht的視頻驅動、引擎核心、場景管理以及用戶圖形界面的命名空間，用于實現(xiàn)console風格的編程。下面，分別介紹Program類的成員函數(shù)。1程序進入點函數(shù)首先用STAThread指示應用程序的默認線程模型是單線程單元，然后用new從堆上創(chuàng)建類Program的對象，并利用成員函數(shù)run()載入地形并進入地形場景渲染循環(huán)。STAThread static void Main(string args) Program prog = new Program(); prog.run(); 2事件響應函數(shù)OnE

9、vent()是irrlicht事件接收器類成員函數(shù)的重載，用于響應用戶自定義的事件。這里使用該函數(shù)實現(xiàn)三維地形網(wǎng)格模式和紋理顯示模式的實時轉換。用戶可通過“w”鍵實現(xiàn)這一切換。實現(xiàn)的核心代碼如下：public bool OnEvent(Event p_event) / 檢測用戶是否按下W鍵 if (p_event.Type = EventType.KeyInput && !p_event.KeyPressedDown) switch(p_event.Key) case KeyCode.KEY_KEY_W: isWireframe=!isWireframe; terrain.Se

10、tMaterialFlag(MaterialFlag.WIREFRAME,isWireframe); break; return false; 3地形載入及主循環(huán)函數(shù)該函數(shù)的作用包括圖形程序庫的選擇、設置視窗和鏡頭、載入高度圖、碰撞檢測的實現(xiàn)以及建立程序主循環(huán)。其中可供選擇的圖形程序庫包括Driect3D 9.0、Driect3D 8.0、OpenGL，涵蓋了普通PC機上使用的主流圖形驅動庫。另外如果用戶電腦上沒裝上述程序庫的話，也可選擇irrlicht軟圖形驅動，但是顯示效果會差一些。實現(xiàn)的核心代碼如下：public void run() DriverType driverType; / 詢

11、問用戶選擇什么圖形庫 StringBuilder sb = new StringBuilder(); sb.Append("Please select the driver you want for this example:n"); sb.Append("n(a) Direct3D 9.0cn(b) Direct3D 8.1n(c) OpenGL 1.5"); sb.Append("n(d) Software Renderern (otherKey) exit nn");/ 獲取用戶輸入 TextReader tIn = Conso

12、le.In; TextWriter tOut = Console.Out; tOut.Write(sb.ToString(); string input = tIn.ReadLine(); / 根據(jù)用戶輸入確定相應的圖形庫 switch (input) case "a": driverType = DriverType.DIRECT3D9; break; case "b": driverType = DriverType.DIRECT3D8; break; case "c": driverType = DriverType.OPENG

13、L; break; case "d": driverType = DriverType.SOFTWARE; break;default: return; 接下來設置視窗和鏡頭。設置窗口尺寸為640*480，并創(chuàng)建Irrlicht設備device用于調用引擎核心支持，實例化引擎的場景管理對象、視頻驅動對象、圖形界面接口對象，用于場景管理、圖形程序庫調用以及圖形界面的管理。設置鏡頭類型為FPS型（第一人稱），用戶可以從第一人稱視點觀察三維地形，并通過移動鼠標可控實現(xiàn)抬頭、低頭功能，通過鍵盤上的“、”進行鏡頭前、后、左、右移動。實現(xiàn)的核心代碼如下：/ 創(chuàng)建Irrlicht設備，如

14、果創(chuàng)建失敗則退出程序IrrlichtDevice device = new IrrlichtDevice( driverType, new Dimension2D(640, 480), 32, false, true, true); if (device = null) tOut.Write("Device creation failed."); return; /引擎響應當前類的事件 device.EventReceiver=this; ISceneManager smgr=device.SceneManager; IVideoDriver driver=device.V

15、ideoDriver; IGUIEnvironment env= device.GUIEnvironment; / 加入FPS鏡頭，并設置鏡頭位置 ICameraSceneNode camera = smgr.AddCameraSceneNodeFPS(null,100.0f,1200.0f,-1); camera.Position=new Vector3D(1900*2,255*2,3700*2); camera.Target= new Vector3D(2397*2,343*2,2700*2); camera.FarValue=12000.0f; / 設置鼠標箭頭不可見 device.Cu

16、rsorControl.Visible=false;下一步導入高度圖，這里利用addTerrainSceneNode()函數(shù)載入地形場景節(jié)點，用于地形場景的管理和渲染。在該函數(shù)中設置需要載入高度圖的路徑，場景管理器會自動載入高度圖并根據(jù)其創(chuàng)建三維地形。為了使地形場景看起來更大一些，設置比例尺度向量為(40, 4.4, 40)。terrain = smgr.AddTerrainSceneNode( path+"terrain-heightmap.bmp",null,-1, new Vector3D(),new Vector3D(40, 4.4f, 40), new Color

17、(255,255,255,255); 碰撞檢測的加入可防止漫游時鏡頭穿透地形表面。為了使地形漫游有碰撞的功能，加入三角形選擇器，檢測三角形面片。同時將碰撞檢測同鏡頭關聯(lián)并設置碰撞動作，這樣當有山峰擋在鏡頭前面時，鏡頭不會從山體中間穿過，而是依地形起伏運動。實現(xiàn)的核心代碼如下：/創(chuàng)建地形節(jié)點三角形選擇器ITriangleSelector selector = smgr.CreateTerrainTriangleSelector(terrain, 0); /創(chuàng)建碰撞反應動作并與鏡頭關聯(lián) ISceneNodeAnimator anim = smgr.CreateCollisionResponseAn

18、imator( selector, camera, new Vector3D(60,100,60), new Vector3D(0,0,0), new Vector3D(0,50,0),0.0005f); camera.AddAnimator(anim);最后建立程序主循環(huán)。當Irrlicht設備運行狀態(tài)device.Run為真時，繪制出場景中所有的物體，其中整型變量lastFPS用于記錄每秒鐘渲染幀數(shù)并將結果顯示在窗口標題欄上。當主循環(huán)結束后，調用GC.Collect()回收資源。int lastFPS = -1; while (device.Run() if (device.WindowA

19、ctive) device.VideoDriver.BeginScene(true, true, new Color(0, 200, 200, 200); device.SceneManager.DrawAll(); device.VideoDriver.EndScene(); int fps = device.VideoDriver.FPS; if (lastFPS != fps) device.WindowCaption = " Terrain " + device.VideoDriver.Name + " FPS:" + fps.ToString(

20、); lastFPS = fps; GC.Collect();通過上述程序，可實現(xiàn)三維地形顯示的基本功能。五、顯示結果對上述工程進行編譯并運行。程序運行后首先會彈出console界面，請用戶選擇圖形程序庫。這里使用Driect3D 9.0，如圖5所示。圖5 選擇圖形程序庫選擇完后，系統(tǒng)會自動加載高度圖并建立三維地形，結果如圖6所示。這是用網(wǎng)格線表示的地形。用戶可通過鍵盤和鼠標控制實現(xiàn)第一人稱三維場景漫游。圖 選擇圖形程序庫為了使地形效果更生動，在導入高度圖函數(shù)AddTerrainSceneNode()后加入如下代碼：/設置紋理放大比例terrain.ScaleTexture(1.0f, 20.

21、0f);terrain.SetMaterialFlag(MaterialFlag.LIGHTING, false); /多細節(jié)紋理映射terrain.SetMaterialType(MaterialType.DETAIL_MAP); terrain.SetMaterialTexture(0, driver.GetTexture(path+"terrain-texture.jpg"); terrain.SetMaterialTexture(1, driver.GetTexture(path+"detailmap3.jpg"); /加入天空盒 smgr.AddSkyBoxSceneNode( driver.GetTexture(path+"irrlicht2_up.jpg"), driver.GetTexture(path+"irrlicht2_dn.jpg"), driver.GetTexture(path+"