計(jì)算機(jī)虛擬城市的開發(fā)技術(shù)探討

1、計(jì)算機(jī)虛擬城市的開發(fā)技術(shù)討論虛擬城市的開發(fā)技術(shù)討論關(guān)鍵詞：虛擬城市，VRL,LD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)展各種設(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)直觀的、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。但其制作的工作量宏大、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，在計(jì)算機(jī)上建立三維虛擬城市成為必然。虛擬城市的建立可以全方位地、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，

2、而且可以實(shí)現(xiàn)城市信息的查詢與分析功能。這些都是傳統(tǒng)的方法所無(wú)法比較的。本文用制作實(shí)例的方式討論了虛擬城市的開發(fā)技術(shù)。1虛擬城市開發(fā)的根本原理要建立虛擬城市，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、樹木等。除此以外，還有一些輔助性的設(shè)施，如消防栓、變電站、噴泉、公園的長(zhǎng)椅等。這些模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非常復(fù)雜，因此很難確定模型的詳細(xì)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

3、制作那么很少采用。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：3DSAX、TRUESPAE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)城市專題信息的查詢功能，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=三維城市模型+專題信息+查詢功能+分析功能要實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬城市系統(tǒng)可考慮以下兩種方案：一種方案是利用高級(jí)語(yǔ)言和三維圖形開發(fā)庫(kù)的方法，常用的開發(fā)語(yǔ)言是+，常用的圖形開發(fā)庫(kù)是penGL3D或者Diretx3D。此方法的特點(diǎn)是開發(fā)的靈敏性強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)功能復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是開發(fā)者須純熟掌握編程技術(shù)，并且具備較高的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)。另外，

4、還要學(xué)習(xí)penGL3D或者Diretx3D的復(fù)雜開發(fā)技術(shù)。此方案的實(shí)現(xiàn)難度大，一般用戶根本無(wú)法勝任。其實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)也很難滿足網(wǎng)上使用的要求。第二種方案是使用專用的三維虛擬開發(fā)工具，目前廣泛使用的是VRL語(yǔ)言。VRL虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言是一種描繪交互式三維世界和對(duì)象的文件格式。VRL允許描繪對(duì)象并把對(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、具有動(dòng)力學(xué)特性的物體。VRL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)多用戶的實(shí)時(shí)參與。VRL比高級(jí)語(yǔ)言容易掌握，并且無(wú)須再去理解penGL3D或者Diretx3D之類

5、的三維圖形開發(fā)庫(kù)，這對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)福音。假設(shè)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適宜。下面我們將就后一種方案詳細(xì)介紹虛擬城市開發(fā)的技術(shù)細(xì)節(jié)。2虛擬城市的開發(fā)技術(shù)21三維城市模型的建立虛擬場(chǎng)景的建立和建筑AD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，只要能在視覺上到達(dá)根本真實(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，可采用貼圖的方式來(lái)彌補(bǔ)視覺上的缺乏。貼圖有以下兩種制作方法：一種

6、是使用繪畫軟件進(jìn)展手工繪制、另一種是對(duì)建筑物的各個(gè)觀察面進(jìn)展拍照，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，合適網(wǎng)上傳遞和實(shí)時(shí)性的要求。后一種方法視覺效果好，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：(a

7、)由簡(jiǎn)單幾何體組成的簡(jiǎn)單模型：該類模型常用作遠(yuǎn)處建筑物的替身，在LD方法中采用；(b)賦予手繪貼圖的模型；()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)的精致模型；21虛擬城市交互查詢功能的建立為虛擬城市模型參加交互和查詢功能可采用兩種方法：通過(guò)編程參加相應(yīng)的交互和查詢功能、利用VRL的輔助工具來(lái)完成交互和查詢功能的參加。后一種方法比較合適普通的用戶。Kinetix制作了特殊的VRL輸出嵌入程序，可以輸出場(chǎng)景，包括幾何、材質(zhì)、動(dòng)畫制作等，嵌入程序也可制作特殊的VRL輔助工具來(lái)規(guī)定場(chǎng)景的交互元素。運(yùn)行VRL嵌入程序VRLUT.EXE即可安裝VRL嵌入程序。通過(guò)VR

8、L嵌入程序，可設(shè)置以下輔助工具：Anhr: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。假設(shè)為VRL場(chǎng)景文件，那么該場(chǎng)景被下載顯示。假設(shè)為其他類型文件，由閱讀器決定如何處理；TuhSensr:對(duì)從指定設(shè)備的輸入產(chǎn)生相應(yīng)的事件，這些事件表示用戶是否指向特定幾何體，同時(shí)也表示用戶何時(shí)何處按下定位設(shè)備的按鈕；PrxSensr:接近感知器，指定當(dāng)用戶進(jìn)入、分開或在立方體的區(qū)域內(nèi)挪動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的事件；TieSensr:在時(shí)間變化是發(fā)出事件，可用來(lái)控制動(dòng)畫，也可用于某一時(shí)刻進(jìn)展某項(xiàng)活動(dòng)，或于某一時(shí)間間隔中產(chǎn)惹事件；NavInf:描繪有關(guān)觀察者和觀察形式的物理特性；Bakgrund:設(shè)定場(chǎng)景的背景；F

9、g:設(shè)置霧化的效果；Sund:設(shè)定聲音片段的有效范圍，以產(chǎn)生隨間隔 改變的音響效果；Billbard:是某一對(duì)象隨用戶一起旋轉(zhuǎn)，以使之始終面向用戶；LD:允許閱讀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，防止重復(fù)制作。通過(guò)以上輔助工具，就可制作出虛擬城市場(chǎng)景及其交互和查詢功能。23假設(shè)干開發(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)景中屢次使用的對(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校由于使用了DEF/USE方法，物體一

10、旦定義，只要指定發(fā)生變化的公共接口即可。另外，原型顯示出場(chǎng)景層次中哪一局部可修改，閱讀器可自由地優(yōu)化那些不修改的局部。(3)壓縮文件：在發(fā)布文件前，使用gzip工具壓縮VRL文件和相關(guān)的HTL文件，大約可是文件減小10100倍。2.3.2進(jìn)步渲染速度的技巧(1)簡(jiǎn)化場(chǎng)景：簡(jiǎn)化場(chǎng)景有以下方法：減少多邊形的數(shù)目，這可極大地進(jìn)步執(zhí)行的性能；使用紋理代替多邊形造型，既可美化場(chǎng)景又可進(jìn)步性能；使用灰度圖的紋理；盡量少用光源，這將有效地進(jìn)步渲染的速度；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)制作樹木、電線桿、路牌、消防

11、栓等輔助性對(duì)象；(2)場(chǎng)景分割: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)Anhr節(jié)點(diǎn)為場(chǎng)景中邏輯上別離的局部建立連接關(guān)系；(3)自適應(yīng)LD節(jié)點(diǎn)：假設(shè)在LD的range域中未明確指定詳細(xì)值，閱讀器會(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)的才能調(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)展實(shí)時(shí)渲染是不可能的，但又不能不可見，僅需讓用戶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)LD節(jié)點(diǎn)，一個(gè)是沒(méi)有明確范圍的外部LD，另一個(gè)是具有near和far范圍的內(nèi)部LD節(jié)點(diǎn)。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)能按建筑物與攝像機(jī)的間隔 調(diào)整層次，外部自適應(yīng)LD節(jié)點(diǎn)允許閱讀器調(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，為進(jìn)步對(duì)復(fù)雜物體的碰撞檢測(cè)速度，可在llisin節(jié)點(diǎn)的prxy替身域指定某一更為簡(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一樣的空間。這樣，可大大減少檢測(cè)時(shí)間。3完畢語(yǔ)以上介紹了虛擬城市的根本原理和制作技巧，對(duì)于進(jìn)展其他領(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