基于VRML&ArcGI S的虛擬城市的實現(xiàn)

鄭偉濤

(東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

1.引言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)，是20世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。它融合了圖像處理、計算機圖形學(xué)、人工智能、多媒體技術(shù)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理技術(shù)等多個信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果[1]。VRML作為一種虛擬現(xiàn)實建模語言，是實現(xiàn)虛擬城市的主要手段之一。用它創(chuàng)建的具有照片紋理的3維城市模型可以使人們身臨其境般感受數(shù)字城市[2]。

在構(gòu)建虛擬城市的過程中，許多學(xué)者作了相關(guān)的研究，有的學(xué)者研究了如何使用VRML語言簡化3D模型，如萬劍華使用VRML中的BillBoard節(jié)點實現(xiàn)了樹的建模，并且提出了一種利用多角度平面進行紋理貼圖的方法模擬樹，從而來簡化模型[3]。還有學(xué)者研究了使用JavaScript語言和VRML來實現(xiàn)逼真的交互功能，如施貴剛采用了VRML與VrmlScript、JavaScript結(jié)合的技術(shù)，實現(xiàn)了融入虛擬環(huán)境的工具菜單，豐富了與虛擬校園交互的手段，方便用戶操作[4]?？紤]到建立虛擬城市特殊性，它需要比較新的、能快速獲得的城市平面地圖。本文探討了從遙感影像中獲取原始圖像，然后通過ArcGIS處理得到需要的城市平面圖，再使用VRML和JavaScript建立虛擬城市。

2.虛擬現(xiàn)實

2.1 虛擬現(xiàn)實的特點[1]

美國科學(xué)家Burdea G和Philippe Coiffet曾在1993年世界電子年會上發(fā)表“Virtual Reality Systems and Applications”一文中，提出了一個“VR技術(shù)三角形”，它簡明地表示了虛擬現(xiàn)實具有的3個最突出的特征：交互性(Interactivity)、沉浸感(Immersion)、和構(gòu)想性(Imagination)。

2.2VRML語言

VRML即虛擬現(xiàn)實建模語言，是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言，也具有平臺無關(guān)性，是目前Internet上基于WWW的三維互動網(wǎng)站制作的主流語言，本質(zhì)上是一種面向web，面向?qū)ο蟮娜S造型語言，而且它是一種解釋性語言。

VRML文件的語法主要包括VRML文件頭、節(jié)點、原型、造型、腳本和路由等。不是每一個VRML文件都必須包括這幾部分，只有VRML文件頭是必須的。VRML文件空間的場景和造型都是由節(jié)點構(gòu)成的，再通過路由實現(xiàn)動態(tài)的交互和感知或者使用腳本文件與外部接口進行動態(tài)交互。在VRML文件中“節(jié)點”是核心、靈魂。

3.實驗

本文以東華理工大學(xué)南昌校區(qū)的圖書館為例，在VrmlPad編輯器中通過VRML和ArcGIS建立虛擬圖書館。

3.1 數(shù)據(jù)資料的準備

數(shù)據(jù)資料包括校園平面圖、紋理數(shù)碼照片、室內(nèi)結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境。室內(nèi)結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境通過拍攝照片和調(diào)查記錄得到。

3.1.1 校園平面圖的制作[5]

校園平面圖可以利用已有的二維數(shù)字地圖資料，并對途中過失或遺漏的地物采用全站儀進行補測[3]。但是在建立數(shù)字城市的過程中，區(qū)域范圍很大，對地物的補測是費時費力的。本文的平面圖采用遙感圖像數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)資料，通過ArcGIS可以快速制作校園平面圖。

首先通過軟件截取區(qū)域的遙感影像，然后通過ArcMap的Georeferencin配準影像。對配準后的影像區(qū)域(如圖1)進行矢量化，得到所要研究區(qū)域的平面圖[6](如圖2)。

圖1 誤差校正圖

圖2 校園平面圖

3.1.2 紋理數(shù)碼圖片的處理

本文通過photoshop3.0對采集回來的原始圖片進行處理。1)首先去掉圖片上不需要的因素，比如人物、條幅。2)通過濾鏡里面的鏡頭矯正，將圖片拉正。3)裁剪拉正后的圖片，去掉多余的部分。4)設(shè)置圖像大小，由于VRML貼圖需要較小的圖像，圖像太大會影響其顯示的效果(處理的前后對比圖3)。建筑物頂?shù)募y理則使用配準好的遙感圖像[7]。

圖3 處理的前后對比圖

3.2 交互功能的實現(xiàn)[1]

為了方便與同觀察者進行交互操作，以及實現(xiàn)隨觀察者觀察位置變化顯示相應(yīng)的場景畫面，VRML提供了一些感覺觀察者行為動作的節(jié)點，在VRML中稱為交互功能。VRML使用7種傳感器節(jié)點完成感知和反應(yīng)的交互功能。

第一類傳感器：通過感知瀏覽者對鼠標的操作行為。觸發(fā)并輸出事件，實現(xiàn)人機交互(觸摸傳感器、平面?zhèn)鞲衅?、圓柱體傳感器、球體傳感器)。

第二類傳感器：通過感知瀏覽者在虛擬場景的觀察位置，觸發(fā)并輸出事件，實現(xiàn)人機交互(接近傳感器、可視化傳感器、碰撞傳感器)。

左推拉門的部分Script語句：

DEF DoorSwitch_1 Script{

eventIn SFTime touchTime

eventOut MFRotation doorSwing_Changed

field SFInt32 switchState1

field MFRotation open[0 0 5 0，0 5 0-1.571]

field MFRotation close[0 5 0-1.571，0 0 5 0]

url "vrmlscript：

function touchTime(value，time){

if(switchState==1){

doorSwing_Changed=open；

} else{

doorSwing_Changed=close；

}

switchState=3-switchState；

}"

}

實現(xiàn)左門交互的部分路由：

ROUTE Knob_Touch_11.touchTimeTO DoorSwitch_1.touchTime

ROUTE Knob_Touch_11.touchTimeTO Door_Time_3.set_startTime

ROUTE Door_Time_3.fraction_changed TO Door_RotInterp_4.set_fraction

ROUTEDoorSwitch_1.doorSwing_ChangedTO Door_RotInterp_4.set_keyValue

ROUTE Door_RotInterp_4.value_changed TO zuomen.set_rotation

3.3 虛擬圖書館效果圖

加入背景、燈光、聲音、影像等節(jié)點后，生成具有真實地理信息、交互功能的虛擬圖書館(如圖4)。

圖4 虛擬圖書館效果圖

4.結(jié)論與分析

本文介紹了VRML虛擬現(xiàn)實建模語言，結(jié)合建立虛擬城市的個性，提出通過遙感圖像并使用ArcGIS處理得到的校園平面地圖，然后由VRML和JavaScript建立了具有交互功能的虛擬圖書館。在以后推廣到建立虛擬城市的過程中起到一定的參考作用。它將測繪所得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(特別是遙感數(shù)據(jù))應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域中去，使數(shù)據(jù)得到高效的、科學(xué)合理的利用。同時在VRML中加入JavaScript腳本，以實現(xiàn)更加逼真、高級的交互功能和效果。通過ArcGIS得到平面圖以后，還可以編輯區(qū)域的屬性信息以及進行空間分析等相關(guān)操作。

在本文的研究過程中還發(fā)現(xiàn)一些問題：

(1)本文并未將虛擬圖書館嵌入HTML中，以實現(xiàn)網(wǎng)上在線的瀏覽。VRML將3D模型轉(zhuǎn)化為簡潔的數(shù)學(xué)表達式，因而只需要在網(wǎng)上發(fā)送轉(zhuǎn)化后的少量數(shù)據(jù)，而且一旦發(fā)送出去就不再需要對模型進行下一步發(fā)送，在這一過程中，全部的變化僅僅是在模型中觀察者視點的變化。這樣，在網(wǎng)上僅需不斷傳輸觀察者的方位，大大地節(jié)省了數(shù)據(jù)帶寬。這也是使用VRML建立三維模型而不使用3DMAX類的軟件的原因，將VRML語言和HTML語言結(jié)合起來是下一步工作的重點。

(2)對于建立一個虛擬的數(shù)字城市，城市平面圖容易快速從遙感圖像上獲取，然后建筑物高度的快速獲取卻有較大的難度，目前主要有從遙感圖像的陰影、以及共線方程上取得建筑物高度?？焖?、準確地獲取大范圍內(nèi)建筑物的高度信息也是一個亟待解決的問題。

(3)真實的地形是虛擬城市的重要部分，然而使用VRML建立的模型中忽略了地形這一重要的因素，因為如果考慮地形因素，模型的復(fù)雜程度會大大增加，在目前寬帶情況下，使得在線瀏覽虛擬城市變得不可能。這也是建立虛擬城市要處理好的問題。

[1]張德豐，周靈虛擬現(xiàn)實應(yīng)用技術(shù)[M].北京.電子工業(yè)出版社.2010.

[2]萬劍華，潘正風，李清泉.基于VRML的虛擬城市的建立[J].測繪通報.2002，(5)：17-19.

[3]萬劍華，鄭紅霞，盛輝等.基于VRML的虛擬校園中的三維景觀建模[J].計算機應(yīng)用與軟件.2004，21(7)：82-84.

[4]施貴剛，程效軍，谷川.采用VRML的虛擬校園交互功能的實現(xiàn)[J].工程圖學(xué)學(xué)報.2009，(1)：152.

[5]王志城.基于Google Eearth和ArcGIS的地圖制作[J].科技信息.2011，(23)：160-177.

[6]馬燕明，阮見.基于GIS校園信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009.32(3).280-282.

[7]龔建華，林琿，譚倩.虛擬香港中文大學(xué)校園的設(shè)計與初步試驗[J].測繪學(xué)報.2002.31(1)：39-42.