虛擬城市的開(kāi)發(fā)技術(shù)探討

1、虛擬城市的開(kāi)發(fā)技術(shù)探討虛擬城市的開(kāi)發(fā)技術(shù)探討虛擬城市的開(kāi)發(fā)技術(shù)探討武漢測(cè)繪科技大學(xué)土地科學(xué)學(xué)院&nbsp；涂超摘要：本文介紹了虛擬城市的原理及其開(kāi)發(fā)技術(shù)，闡述了虛 擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)基本手段和過(guò)程，并進(jìn)一步敘述了優(yōu)化應(yīng)用的常 用技巧。關(guān)鍵詞：虛擬城市，VRML, LOD長(zhǎng)期以來(lái)，城市規(guī)劃人員的一 個(gè)重要的工作就是進(jìn)行各種設(shè)計(jì)或規(guī)劃圖的繪制，但是這些圖紙 并不能給人們提供一個(gè)宜觀的、富有真實(shí)感的場(chǎng)景。后來(lái)，人們 雖然也使用紙板或木料來(lái)制作三維模型，以實(shí)現(xiàn)城市景觀的三維 可視化。但其制作的工作量巨大、費(fèi)用昂貴、須具備較高的制作 技巧，而且僅能從外圍觀看，無(wú)法進(jìn)入，修改也很困難。鑒于以 上原因，

2、在計(jì)算機(jī)上建立三維虛擬城市成為必然。虛擬城市的建 立能夠全方位地、直觀地給人們提供有關(guān)城市的各種具有真實(shí)感 的場(chǎng)景信息，并可以以第一人稱(chēng)的身份進(jìn)入城市，感受到與實(shí)地 觀察相似的真實(shí)感。虛擬城市的各種模型易于修改，而且可以實(shí) 現(xiàn)城市信息的查詢(xún)與分析功能。這些都是傳統(tǒng)的方法所無(wú)法比擬 的。本文用制作實(shí)例的方式探討了虛擬城市的開(kāi)發(fā)技術(shù)。1.虛擬城市開(kāi)發(fā)的基本原理第1頁(yè)共1頁(yè)要建立虛擬城市，首先要建立三維城市模型。三維城市空間 中的典型實(shí)體對(duì)象一般具有以下幾種：城市中的各種建筑物、街 道、綠地、公共場(chǎng)所、城市地形、樹(shù)木等。除此以外，還有一些 輔助性的設(shè)滋，如消防栓、變電站、噴泉、公園的長(zhǎng)椅等。這些 模

3、型的制作可以采用編程的方法或者現(xiàn)有的三維模型制作軟件來(lái) 完成。所謂編程的方法是在程序中利用三維空間中的坐標(biāo)點(diǎn)和圖 形繪制函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的建立，由于城市模型的造型十分復(fù)雜， 因而很難確定模型的具體幾何數(shù)據(jù)，此方法多用來(lái)制作地形模 型，對(duì)于其他模型的制作則很少采用。制作城市模型的最好的方 法是使用現(xiàn)有的成熟的三維設(shè)計(jì)軟件，如：3DSMAX. TRUESPACE 等。虛擬城市除了能實(shí)現(xiàn)城市信息的三維可視化外，其另一個(gè)重 要的功能就是能實(shí)現(xiàn)城市專(zhuān)題信息的查詢(xún)功能，甚至實(shí)現(xiàn)一定的 分析功能?？梢詫⑻摂M城市定義為以下公式：虛擬城市二三維城市模型+專(zhuān)題信息+查詢(xún)功能+分析功能要實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬城市系統(tǒng)可考慮以下

4、兩種方案：一種方案是利用高級(jí)語(yǔ)言和三維圖形開(kāi)發(fā)庫(kù)的方法，常用的 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是C+,常用的圖形開(kāi)發(fā)庫(kù)是OpenGL3D或者 Directx3Do此方法的特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)的靈活性強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)功能復(fù)雜的 應(yīng)用系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)者須熟練掌握編程技術(shù)，并且具備較高 的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)。另外，還要學(xué)習(xí)OpenGL3D或者Directx3D第1頁(yè)共1頁(yè) 的復(fù)雜開(kāi)發(fā)技術(shù)。此方案的實(shí)現(xiàn)難度大，一般用戶(hù)根本無(wú)法勝 任。其實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)也很難滿(mǎn)足網(wǎng)上使用的要求。第二種方案是使用專(zhuān)用的三維虛擬開(kāi)發(fā)工具，目前廣泛使用 的是VRML語(yǔ)言。VRML （虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言）是一種描述交互式三 維世界和對(duì)象的文件格式。VRML允許描述對(duì)象

5、并把對(duì)象組合到虛 擬場(chǎng)景中，可以實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)，可模擬動(dòng)畫(huà)、具有動(dòng)力學(xué)特性的 物體。VRML能構(gòu)造一個(gè)全交互的世界，其中的對(duì)象能對(duì)外部事件 做出響應(yīng)，并可在其中任意穿行。另外，其重要特性是支持虛擬 場(chǎng)景的網(wǎng)上發(fā)布，并可實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)的實(shí)時(shí)參與。VRML比高級(jí)語(yǔ)言 容易掌握，并且無(wú)須再去了解OpenGL3D或者D讓ectx3D之類(lèi)的三 維圖形開(kāi)發(fā)庫(kù)，這對(duì)于普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)福音。若配以 Java程序的支持，也可實(shí)現(xiàn)功能較強(qiáng)大的系統(tǒng)。綜合以上兩種方法，對(duì)于功能不太復(fù)雜的應(yīng)用，采用后一種 方法較為合適。下面我們將就后一種方案詳細(xì)介紹虛擬城市開(kāi)發(fā) 的技術(shù)細(xì)節(jié)。2.虛擬城市的開(kāi)發(fā)技術(shù)2. 1.三維城市模型

6、的建立虛擬場(chǎng)景的建立和建筑CAD中的場(chǎng)景的建立有著很大的區(qū) 別，它首先強(qiáng)調(diào)的是模型的簡(jiǎn)單化，這是由虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)性要 求決定的。在響應(yīng)速度和場(chǎng)景的真實(shí)性發(fā)生沖突時(shí)，應(yīng)犧牲一定 的真實(shí)性，只要能在視覺(jué)上達(dá)到基本真實(shí)即可。因此，常用一些 簡(jiǎn)單的框架來(lái)代替復(fù)雜模型，但為了保證一定的真實(shí)性，可采用第1頁(yè)共1頁(yè) 貼圖的方式來(lái)彌補(bǔ)視覺(jué)上的不足。貼圖有以下兩種制作方法：一 種是使用繪畫(huà)軟件進(jìn)行手工繪制、另一種是對(duì)建筑物的各個(gè)觀察 面進(jìn)行拍照，然后用掃描儀掃描成相關(guān)貼圖材質(zhì)。第一種方法的 顏色可限定在256色內(nèi)，其壓縮的比例較大，貼圖文件較小，生 成的場(chǎng)景文件也較小，適合網(wǎng)上傳遞和實(shí)時(shí)性的要求。后一種方 法視

7、覺(jué)效果好，但文件的壓縮比例較小，貼圖文件較大，生成的 場(chǎng)景大，在網(wǎng)上傳遞和實(shí)時(shí)性方面不如前一種方法好。無(wú)論用哪 一種方法都需考慮貼圖的分辨率和尺寸，為了便于下載和渲染， 在質(zhì)量和大小允許的情況下，一幅貼圖限為320*240 (或 240*320)像素、分辨率為72dpi,用JPEG壓縮(采用最高壓縮 比)后約為20K字節(jié)。根據(jù)以上所述的貼圖制作方法，虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象模型可分 為以下幾類(lèi)：(a) 由簡(jiǎn)單幾何體組成的簡(jiǎn)單模型：該類(lèi)模型常用作遠(yuǎn)處建筑 物的替身，在L0D方法中采用；(b) 賦予手繪貼圖的模型；(c) 賦予照片材質(zhì)的模型；(d) 賦予手繪和照片混合材質(zhì)的模型；(e) 具有全部細(xì)節(jié)的精致

8、模型；2. 1.虛擬城市交互查詢(xún)功 能的建立第1頁(yè)共1頁(yè)為虛擬城市模型加入交互和查詢(xún)功能可采用兩種方法：通過(guò) 編程加入相應(yīng)的交互和查詢(xún)功能、利用VRML的輔助工具來(lái)完成交 互和查詢(xún)功能的加入。后一種方法比較適合普通的用戶(hù)。Kiix制作了特殊的VRML輸出嵌入程序，可以輸出場(chǎng)景，包括 幾何、材質(zhì)、動(dòng)畫(huà)制作等，嵌入程序也可制作特殊的VRML輔助工 具來(lái)規(guī)定場(chǎng)景的交互元素。運(yùn)行VRML嵌入 程序VRMLOUT. EXE即 可安裝VRML嵌入程序。通過(guò)VRML嵌入程序，可設(shè)置以下輔助工 具：Anchor：可將某一實(shí)體作為熱點(diǎn)，當(dāng)被點(diǎn)擊時(shí)，取出網(wǎng)上所指 定的文件。若為VRML場(chǎng)景文件，則該場(chǎng)景被下載顯示

9、。若為其他 類(lèi)型文件，由瀏覽器決定如何處理；TouchSensor：對(duì)從指定設(shè)備的輸入產(chǎn)生相應(yīng)的事件，這些事 件表示用戶(hù)是否指向特定幾何體，同時(shí)也表示用戶(hù)何時(shí)何處按下 定位設(shè)備的按鈕；ProxSensor：接近感知器，指定當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入、離開(kāi)或在立方體 的'區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的事件；TimeSensor：在時(shí)間變化是發(fā)出事件，可用來(lái)控制動(dòng)畫(huà)，也可 用于某一時(shí)刻進(jìn)行某項(xiàng)活動(dòng)，或于某一時(shí)間間隔中產(chǎn)生事件；Navlnfo：描述有關(guān)觀察者和觀察模式的物理特性；Background：設(shè)定場(chǎng)景的背景；Fog：設(shè)置霧化的效果；第1頁(yè)共1頁(yè)Sound：設(shè)定聲音片段的有效范圍，以產(chǎn)生隨距離改變的音響 效果；B

10、illboard：是某一對(duì)象隨用戶(hù)一起旋轉(zhuǎn)，以使之始終面向用 戶(hù)；L0D：允許瀏覽器在物體表示的不同層次細(xì)節(jié)間自動(dòng)切換；Inline：可在文件中引入外部文件的場(chǎng)景，避免重復(fù)制作。通過(guò)以上輔助工具，就可制作出虛擬城市場(chǎng)景及其交互和查 詢(xún)功能。2. 3.若干開(kāi)發(fā)技巧介紹2. 3. 1減少文件大小的方法(1) 使用實(shí)例：對(duì)于在場(chǎng)景中多次使用的對(duì)象，可在該對(duì)象 首次使用時(shí)用DEF給物體命名，以后僅需通過(guò)名字即可引用該物 體。(2) 使用原型：原型物體是指那些使用頻繁且改動(dòng)不大的物 體。使用它可減少文件的大小。由于使用了 DEF/USE方法，物體 一旦定義，只要指定發(fā)生變化的公共接口即可。另外，原型顯示

11、 出場(chǎng)景層次中哪一部分可修改，瀏覽器可自由地優(yōu)化那些不修改 的部分。(3) 壓縮文件：在發(fā)布文件前，使用gzipX具壓縮VRML文 件和相關(guān)的文件，大約可是文件減小10100倍。2. 3.2提髙渲染速度的技巧(1) 簡(jiǎn)化場(chǎng)景：簡(jiǎn)化場(chǎng)景有以下方法：第1頁(yè)共1頁(yè)減少多邊形的數(shù)目，這可極大地提高執(zhí)行的性能；使用紋理代替多邊形造型，既可美化場(chǎng)景又可提高性能；使用灰度圖的紋理；盡量少用光源，這將有效地提高渲染的速度；使用布告板節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)允許在場(chǎng)景中使用二維圖象來(lái)模 擬三維造型并旋轉(zhuǎn)，從而始終面對(duì)觀察者。此法既減小了文件又 不影響真實(shí)效果，可用來(lái)制作樹(shù)木、電線(xiàn)桿、路牌、消防栓等輔 助性對(duì)象；(2) 場(chǎng)景

12、分割：將大的場(chǎng)景分為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小場(chǎng)景，通過(guò) Anchor節(jié)點(diǎn)為場(chǎng)景中邏輯上分離的部分建立連接關(guān)系；(3) 自適應(yīng)LOD節(jié)點(diǎn)：若在LOD的range域中未明確指定具體 值，瀏覽器會(huì)在給定時(shí)刻決定哪一層物體需要顯示。該節(jié)點(diǎn)允許 根據(jù)硬件平臺(tái)的能力調(diào)整場(chǎng)景的細(xì)節(jié)程度。在建立一條街道時(shí)，由于街道兩邊有許多精細(xì)的建筑物，要對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染是不 可能的，但又不能不可見(jiàn)，僅需讓用戶(hù)能以一定的速度前進(jìn)即 可。在此，可為每個(gè)建筑物建立兩個(gè)LOD節(jié)點(diǎn)，一個(gè)是沒(méi)有明確 范圍的外部LOD,另一個(gè)是具有near和far范圍的內(nèi)部LOD節(jié) 點(diǎn)。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)能按建筑物與攝像機(jī)的距離調(diào)整層次，外部”自適應(yīng) LOD “節(jié)點(diǎn)允許瀏覽器調(diào)整必要的多個(gè)建筑物以趕上場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)變 化。(4) 碰撞檢測(cè)要花費(fèi)大量的處理時(shí)間，為提高對(duì)復(fù)雜物體的 碰撞檢測(cè)速度，可在Collision節(jié)點(diǎn)的proxy (替身)域指定某一第1頁(yè)共1頁(yè) 更為簡(jiǎn)單的幾何體作為該形體的替身，它與被替代的原形體占用 大致相同的空間。這樣，可大大減少檢測(cè)時(shí)間。3.結(jié)束語(yǔ)以上 介紹了虛擬城市的基本原理和制作技巧，對(duì)于進(jìn)行其他領(lǐng)域的虛 擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用制作同樣有效，僅為場(chǎng)景中實(shí)體的不同。用