基于Terra Vista構(gòu)建三維虛擬場景研究

夏紅梅, 張欣景, 張文娟

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基于Terra Vista構(gòu)建三維虛擬場景研究

夏紅梅, 張欣景, 張文娟

1引言

虛擬現(xiàn)實(shí),也稱虛擬實(shí)境或靈境,是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng),它利用計算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境,用戶通過使用各種交互設(shè)備,同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用后進(jìn)行交互式視景仿真和信息交流[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間,在軍事訓(xùn)練模擬、軍事行動實(shí)驗仿真等活動中應(yīng)用尤其廣泛[2]。

三維虛擬場景基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn),主要包括地形、地物、自然景觀與自然現(xiàn)象等因素。三維虛擬場景提供給用戶一個可視的虛擬環(huán)境,如同真實(shí)環(huán)境一樣,用戶可以自由地在場景中漫游,甚至可以配備聲音使用戶沉浸其中。它可以把抽象、復(fù)雜的事物以直觀的、用戶熟悉的方式表達(dá)出來,極大地滿足了人們認(rèn)識客觀抽象事物的需求[3]。

近年來,隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用,三維虛擬場景作為虛擬現(xiàn)實(shí)中不可缺少的組成部分,越來越受到重視,三維虛擬場景方面的研究已經(jīng)成為虛擬現(xiàn)實(shí)中亟需解決的重要課題。

2開發(fā)平臺簡介

(1) Terra Vista簡介

構(gòu)建虛擬場景的軟件平臺比較多,如Vega Prime、Java3d、Terra Vista等,本文選擇基于Terra Vista構(gòu)建虛擬場景。Terra Vista是三維地形建模中應(yīng)用最廣泛的軟件工具之一,是基于Windows平臺的實(shí)時三維地形數(shù)據(jù)庫生成軟件,適合大數(shù)據(jù)量的地形生成。

該軟件的主要特點(diǎn)有:① 強(qiáng)的擴(kuò)展性,用戶可根據(jù)具體需要在Terra Vista上掛接特定的外接模塊。② 自動生成,在輸入數(shù)據(jù)源及設(shè)置好數(shù)據(jù)庫參數(shù)后Terra Vista能自動將所需的各種數(shù)據(jù)元素合成生成3D地型數(shù)據(jù)庫。輸出的時實(shí)數(shù)據(jù)立即就能為用戶使用,這大大降低了勞動強(qiáng)度及各種相關(guān)費(fèi)用。③ 高級特性,Terra Vista具有實(shí)現(xiàn)3D實(shí)時數(shù)據(jù)庫所要求的的各種高級特征包括:SmartMeshTM,GeoPaintTM 和優(yōu)化OpenFlight 的輸出。SmartMesh 自動建立iTIN(完整的三角型網(wǎng)格結(jié)構(gòu))自動作多級(LOD)的匹配,既在距離遠(yuǎn)時三角形網(wǎng)格數(shù)會自動減少,在距離近時會自動增加三角形網(wǎng)格數(shù),既符合人眼的視覺效果又保證每幀的多邊型的數(shù)量;GeoPaint 保證了視景實(shí)時運(yùn)行時,在高級LOD 到低級LOD過度時的視覺質(zhì)量不產(chǎn)生劇烈的跳動。④ 易于使用,Terra Vista的多邊型計算、參數(shù)配置向?qū)Ш蚖indows界面非常易于學(xué)習(xí)和操作,對初學(xué)者來說綁定的缺省數(shù)據(jù)源,自動生成工具都大有益處。對于高級的用戶能夠直接設(shè)置所有適合與仿真的參數(shù)和最終控制來定制數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。⑤ 工程的管理,每一項Terra Vista工程裝入了所有的地型數(shù)據(jù)庫生成的各個條目。⑥ 大型地型的生成,Terra Vista勝過別人還在于大型地型庫的生成,實(shí)際已用Terra Vista完成的大型地型庫有Nevada飛行實(shí)驗場、西部歐洲、整個美國的地型等等。

(2) Creator簡介

目前三維建模軟件有很多,如MAYA,3DSMax,VRML,Multigen Creator等。3DSMax建模精度很高,但是數(shù)據(jù)量很大;VRML建模方便,數(shù)據(jù)量小,但對復(fù)雜模型的表現(xiàn)功能不強(qiáng);Creator方便建立模型,數(shù)據(jù)量小。因此虛擬場景中三維模型選用Creator來建立。地景中的房屋、道路、建筑等顯著地標(biāo)在Creator中創(chuàng)建,然后以三維模型方式導(dǎo)入Terra Vista模型庫中。

3數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在用Terra Vista軟件構(gòu)件建立三維虛擬場景之前,先要準(zhǔn)備好構(gòu)建場景所需要的各種數(shù)據(jù)。所需源數(shù)據(jù)類型有地形高程數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、文化特征數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等。盡管Terra Vista可以識別幾十種格式的數(shù)據(jù)源,但在建立虛擬場景前,將現(xiàn)有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Terra Vista可以識別的數(shù)據(jù),這仍然是一項十分重要和繁瑣的工作。

地形高程文件可以自己制作、也可從國家科學(xué)數(shù)據(jù)平臺或者其它網(wǎng)站下載,可以通過Global Mapper、ArcGIS軟件轉(zhuǎn)換成我們所需要的格式;遙感影像可以在谷歌地球上下載,高清影像可以在中國天地圖上下載或者通過其它渠道購買;文化特征數(shù)據(jù)可以在ArcGIS中制作成shape格式;三維模型可以用Creator軟件構(gòu)建,所有的這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后,導(dǎo)入Terra Vista生成各類數(shù)據(jù)庫。

3.1地形高程文件

真實(shí)地形是現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)地形的再現(xiàn),真實(shí)度較高,一般采用真實(shí)世界中的具體數(shù)據(jù)來構(gòu)造,如數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)。DEM制作標(biāo)準(zhǔn)較多,目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式,不同的國家和數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位可能有自己的DEM標(biāo)準(zhǔn)。Terra Vista可支持多種DEM格式,比如常用的美國地理USGS DEM 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、Grid II格式、Geo Tiff 16 bit格式、DTED格式以及Bil、Bmp格式等。

3.2遙感影像數(shù)據(jù)

遙感影像用于逼真顯示地形形態(tài)、山川分布、地表植被和河流走向等,也作為細(xì)部矢量線平面校準(zhǔn)的依據(jù)[4]。帶有地理參考的影像,如GeoTiff格式的影像內(nèi)部含有投影信息和地理坐標(biāo)信息,可以直接與DEM 進(jìn)行配準(zhǔn)從而有效地進(jìn)行地形的自動生成,還可為細(xì)部的矢量線建模提供平面校準(zhǔn)信息[5]。在某些情況下,也可直接在Terra Vista或者ArcGIS軟件中利用遙感影像補(bǔ)充地物的線畫數(shù)據(jù)。其他數(shù)據(jù)如jpeg、bmp格式影像數(shù)據(jù)內(nèi)部沒有地理參考信息,可通過Global Mapper或者ArcGIS進(jìn)行校準(zhǔn),并輸出為Geotiff格式數(shù)據(jù),再導(dǎo)入Terra Vista。

3.3文化特征數(shù)據(jù)

文化特征數(shù)據(jù)(Cultural Feature Data)有時又稱矢量數(shù)據(jù)或者特征數(shù)據(jù),如自然的水體、森林和人工的房屋、道路等[6],是建立具有真實(shí)感三維地形必不可少的。它不包含特征的高程信息,但是導(dǎo)入文化特征數(shù)據(jù)后,Terra Vista就可以根據(jù)高程源文件信息推導(dǎo)出文化特征的高程。

3.4三維模型數(shù)據(jù)

Terra Vista軟件中自帶有模型庫,里面有一些簡易的三維模型,在實(shí)際的三維虛擬場景中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要使虛擬場景顯得更真實(shí),對虛擬場景中特定的房屋、橋梁、樹木、建筑等需要另外制作的顯著地標(biāo)通常采用Creator軟件建立三維模型。實(shí)拍需建模型的實(shí)體照片進(jìn)行處理得到模型的紋理,導(dǎo)入到Creator中,再采用紋理映射技術(shù),給模型表面貼上紋理,經(jīng)過光照、材質(zhì)、陰影計算后得到真實(shí)感強(qiáng)的三維模型,實(shí)現(xiàn)逼真的視覺效果。

4三維虛擬場景的構(gòu)建

Terra Vista采用項目管理的方式管理三維地形數(shù)據(jù)庫,新建project(工程)后,將模型(Models)、文化特征(Culture)、遙感影像(Imagery)、高程(Elevation)、紋理(Textures)數(shù)據(jù)分類載入(import)后,通過編輯(edit)地形數(shù)據(jù)庫參數(shù)、文化特征參數(shù),即可生成(generate)虛擬場景,最后發(fā)布(publish),如圖1所示。整個建模過程是自動且可重復(fù)的。整個過程中源數(shù)據(jù)載入、地形數(shù)據(jù)庫參數(shù)和文化特征參數(shù)編輯、生成虛擬場景等幾個部分是關(guān)鍵。

圖1　虛擬場景生成過程圖Fig.1　The process of virtual scene generation

4.1數(shù)據(jù)載入

新建工程后Terra Vista中需要載入的數(shù)據(jù)有地形高程數(shù)據(jù)DEM、遙感影像、文化特征數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)載入后,Terra Vista將其轉(zhuǎn)換為自己的數(shù)據(jù)類型。DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.thm格式;遙感影像轉(zhuǎn)換為.ecw圖形格式;文化特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.vec矢量格式。三維模型和紋理數(shù)據(jù)在導(dǎo)入后在Terra Vista的模型庫和紋理庫中可以找到。數(shù)據(jù)載入時為保持大地形中各種數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)關(guān)系,需要采用統(tǒng)一的投影方式。Terra Vista提供多種地圖投影方式,一般選用WGS84 UTM或者Flat Earth方式。

4.2地形數(shù)據(jù)庫參數(shù)

數(shù)據(jù)載入時需要在Terra Vista中設(shè)置地形生成參數(shù),這一步比較重要,關(guān)系著生成模型的精確度和生成文件大小,很多指標(biāo)都在這里面設(shè)置。Terra Vista中使用Polygon Calculator工具如圖2所示進(jìn)行原始地形高程及紋理數(shù)據(jù)的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時確定視野范圍、多重細(xì)節(jié)(LOD)數(shù)量、網(wǎng)格大小、三角形密度等參數(shù)。這些參數(shù)決定了建模精細(xì)程度和相應(yīng)的系統(tǒng)開銷。FOV參數(shù)決定了觀察者的可視錐區(qū);LODs參數(shù)定義了LOD的個數(shù),并在左側(cè)進(jìn)行拖動可以定義各個LOD的可視范圍;Far Visibility參數(shù)定義了最底層LOD的可視范圍,在這個范圍之外地形不可見;Terra Vista將整個地形劃分為若干個小塊進(jìn)行生成(build),每個小塊對應(yīng)著生成的一個flt文件,Block size參數(shù)定義了每個小塊的大小,所以,size越小,生成的塊也就越小,地形也就越精確。

圖2　Polygon Calculator工具Fig.2　Tool of Polygon Calculator

4.3文化特征參數(shù)編輯

文化特征數(shù)據(jù)有時又稱矢量數(shù)據(jù)或者特征數(shù)據(jù),如森林、自然的水體、道路和建筑物等,是建立具有真實(shí)感三維地形必不可少的。它不包含特征的高程信息,但是導(dǎo)入文化特征數(shù)據(jù)后,Terra Vista就可以根據(jù)高程源文件信息推導(dǎo)出文化特征的高程。

Terra Vista支持的矢量數(shù)據(jù)格式較常用的如USGS數(shù)字線畫圖(Digital Line Graph,DLG)、USGS土地利用和土地覆蓋(Land Use Land Coverage,LULC)、NIMA數(shù)字特征分析數(shù)據(jù)(Digital Feature Analysis Data,DFAD)、Vector Product Format(VPF)和ArcView的Shape Files格式[6]。

地物建模在真實(shí)大地景仿真中具有非常重要的作用。由于地物類別繁多,每一地物涉及眾多屬性,故此地物編輯的工作只能手工完,因此文化特征數(shù)據(jù)編輯是建模中最為繁瑣的環(huán)節(jié)之一。文化特征數(shù)據(jù)一般有三大類型,面、線和點(diǎn)矢量。每類都有默認(rèn)屬性,根據(jù)遙感影像和仿真需要,可以修改其屬性。比如一片森林,可以設(shè)定其樹木的類型和密度。創(chuàng)建好矢量后,直接與3D模型相關(guān)聯(lián),直接將該塊區(qū)域生成后觀察效果,不能滿足要求時再進(jìn)行修改[7]。

(1) 面狀矢量的編輯

面狀地物如湖泊、森林、城鎮(zhèn)和沙漠地區(qū)等一般用面狀矢量表示,Terra Vista中用紅色的輪廓線顯示。選擇矢量編輯面板(Vector Editor),點(diǎn)擊工具欄中的建立面(Create Areals)工具,選擇模板的名字(Template Name)如Trees,在特征方式列表(Feature Model)中選擇如高密度樹(Tree Scatter-High Density),指定屬性后,可以在已配準(zhǔn)的影像上勾畫出特征的輪廓,右擊鼠標(biāo)結(jié)束面狀矢量的繪制,生成后即可得到相應(yīng)的模型。

(2) 線狀矢量的編輯

線狀地物如河流、公路、鐵路和輸電線等一般用線狀矢量表示,Terra Vista中用藍(lán)色的線顯示。在線狀地物編輯中,線路上各點(diǎn)高程值采用DEM數(shù)據(jù),也可采用自身高程值,其寬度可以在屬性中進(jìn)行設(shè)置。選擇矢量編輯面板,點(diǎn)擊工具欄中的建立線(Create Linears)工具在已配準(zhǔn)的影像上繪制線段,選擇Template面板,在模板屬性(Attribute Template)下拉列表中,選擇線矢量的類型如交通(Transportation),在特征方式列表中進(jìn)行選擇如基礎(chǔ)道路(Primary Road),設(shè)置好后點(diǎn)擊應(yīng)用選擇(Apply to Selection),生成后可得到相應(yīng)模型。

(3) 點(diǎn)狀矢量的編輯

點(diǎn)狀地物如機(jī)場、獨(dú)立樹和建筑物等一般用點(diǎn)狀矢量表示,Terra Vista中用紫色的點(diǎn)顯示。點(diǎn)狀矢量的編輯和面狀矢量類似,在矢量編輯面板工具欄中選擇建立點(diǎn)(Create Points)工具,選擇模板的名字,并在特征方式列表指定特征方式,在視圖窗口的影像上繪點(diǎn),生成后可得到相應(yīng)的實(shí)體模型。

4.4虛擬場景生成

當(dāng)虛擬場景中的大地形區(qū)域比較大時,如果計算機(jī)配置不高,可分塊編輯,再分塊編譯檢查,最后統(tǒng)一進(jìn)行整個區(qū)域的編譯,這樣可加快編輯的速度。生成的數(shù)據(jù)以劃分的網(wǎng)格為單元存儲在模型文件中,最后通過外部引用節(jié)點(diǎn)將各網(wǎng)格文件集成在文件master.fit中。生成好的文件就存放在工作目錄下的flight子目錄下,在此目錄下有所有的地形文件和對應(yīng)紋理,如果在矢量上添加了.flt格式的模型,此.flt模型文件和紋理也將在目錄中出現(xiàn),在相對應(yīng)的flt文件里被引用。

5實(shí)驗驗證

在實(shí)驗環(huán)境是一臺CPU為Intel(R)Core(TM)2 Duo CPU E7300@2.66GHz、顯卡為NVIDIA GeForce GTX660、內(nèi)存3GB、Windows XP操作系統(tǒng)下,采用Terra Vista6.2軟件生成三維虛擬場景。影像數(shù)據(jù)格式為.tif,主要地區(qū)分辨率為0.5m,邊遠(yuǎn)區(qū)域分辨率為30m;高程數(shù)據(jù)格式為DEM,分辨率為30m,Tile Size如表1所示;LOD為3級,Block為2048m;Texture尺寸為256m*256m;圖3中黑色網(wǎng)格顯示的為數(shù)據(jù)分塊,藍(lán)色的為線矢量數(shù)據(jù),紅色的為面矢量數(shù)據(jù),其它數(shù)據(jù)不一一介紹,整個地形面積為53KM*26KM,整個三維虛擬場景生成時間約2小時。生成的三維虛擬場景在Vega Prime里預(yù)覽,實(shí)時漫游時刷新率穩(wěn)定在60幀/s以上,效果如圖4所示。

表1地形Tile Size設(shè)置

Tab.1Terrain setting of Tile Size

圖3　Terra Vista6.2 視圖窗口Fig.3　View window of Terra Vista6.2

6結(jié)語

本文闡述了在Terra Vista中構(gòu)建虛擬場景的流程和方法,并進(jìn)行了驗證?；赥erra Vista構(gòu)建三維虛擬場景,對于傳統(tǒng)的平面地形圖是很好的補(bǔ)充。三維虛擬場景技術(shù)應(yīng)用廣泛,可在如城市規(guī)劃、軍事模擬、游戲、地理等方面等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

圖4　虛擬場景效果圖Fig.4　Virtual scene renderings

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夏紅梅女(1981-),湖北麻城人,碩士,主要研究方向為系統(tǒng)建模與仿真、作戰(zhàn)模擬等。

張欣景男(1977-),副教授,碩士,中校,主要研究方向為系統(tǒng)建模與仿真、作戰(zhàn)模擬等。

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院模擬訓(xùn)練中心,廣東 廣州510430)

摘要：作為虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ),三維虛擬場景建模與仿真技術(shù)受到越來越多的重視,并得到了廣泛的應(yīng)用。本文對基于Terra Vista軟件構(gòu)建三維虛擬場景的方法進(jìn)行了研究。首先,闡述了Terra Vista在虛擬場景建模方面的強(qiáng)大特性以及Creator在三維建模方面的獨(dú)特品質(zhì)。然后,利用準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù),具體說明了在Terra Vista中構(gòu)建三維虛擬場景的流程。最后,實(shí)例驗證了基于Terra Vista構(gòu)建三維虛擬場景的有效性。

關(guān)鍵詞：三維虛擬場景; 虛擬現(xiàn)實(shí); Terra Vista; Creator

Research on the Construction of 3D Virtual Scene Based on Terra VistaXIAHongmei,ZHANGXinjing,ZHANGwenjuan

(Training Simulation Center,Naval Marine Academy,Guangzhou 510430)

Abstract：As the basis of virtual reality,three-dimensional modeling and simulation of virtual scenes technology is paid more and more attention and applied to many fields.In this paper,the method of construction of 3D virtual scene based on terra vista is studied.Firstly,the powerful speciality of terra vista about terrain modeling and the unique character of creator on the field of 3D modeling are discussed.Then prepared data specifying the process is employed to build a three-dimensional virtual scene.Finally,examples are used to demonstrate the effectiveness of construction of three-dimensional virtual scene with terra vista.

Key words：three-dimensional virtual scene;virtual reality;Terra Vista;Creator

中圖分類號：TP 391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A