船舶操縱模擬器上海洋山港港區(qū)三維視景仿真

溫 魯， 李曉彬， 李亞偉,， 宋 磊

(1.武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063； 2.山東交通學院 船舶與輪機工程學院， 山東 濟南 250357)

0 引 言

三維視景仿真是船舶操縱模擬器的重要組成，由于三維視景系統(tǒng)本身具有精度高、真實性強、實時性好的特點，因此在船舶操縱模擬器中占重要地位[1-2]。以往在三維視景仿真時，數(shù)據(jù)采集較慢且地形圖獲取較困難，而采用Google Earth獲取地形圖則能避免以上問題，且只需經(jīng)過等高線和矢量化方法的處理，就可得到能夠用于生成三維視景模型的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)。在船舶操縱模擬器的研究上，國內(nèi)船舶研究機構起步較晚[3-4]，廖河樹[5]全面系統(tǒng)地介紹了大型船舶操縱模擬器的系統(tǒng)組成，對航海模擬器的研制、開發(fā)和使用提供了支持。施朝健等[6]對國內(nèi)船舶操縱模擬器三維視景仿真系統(tǒng)的技術性能標準進行調查和分析，將船舶操縱模擬器分成3個級別(C1～C3)。王勝正等[7]針對船舶操縱模擬器中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行研究，改進視景系統(tǒng)中海浪渲染方法、分布式渲染技術以及投影圖像校正與融合技術。本文重點研究從矢量化角度進行三維地形建模的過程，將通過Google Earth獲取的地形圖像轉換成矢量化的格式文件，運用WinTopo、MapInfo和FME軟件把矢量化的地形文件轉換成DEM地形文件，再利用Multigen Creator的紋理映射和多細節(jié)層次(Levels of Detail, LOD)技術完成上海洋山港港區(qū)三維地形模型的建立，最后利用Vega實現(xiàn)對上海洋山港港區(qū)三維地形模型的渲染及驅動[8-9]。

1 DEM的生成

通過Google Earth獲取真實地形圖，運用WinTopo獲取矢量化的地圖，在WinTopo中設置地理參考點，以保證地理設置的精確性；然后將矢量化的地圖導入MapInfo中，獲取ArcView圖形文件(.shp)，并轉化為MapInfo version 2.x格式的文件(*.tab)；再通過MapInfo中的Vertical Mapper模塊，將*.tab格式的文件計算生成數(shù)字化柵格文件(*.grd)；最后運用FME將生成的數(shù)字化柵格文件轉換成DEM數(shù)據(jù)格式文件。此后，即可在Creator中通過New Project工具把DEM數(shù)據(jù)庫轉換成DED格式的數(shù)據(jù)庫[9-10]。整個三維地形模型設計流程如圖1所示。

圖1 三維地形模型設計流程圖

1.1 洋山港地形的獲取

洋山深水港位于杭州灣口、長江口外的浙江省嵊泗崎嶇列島(洋山景區(qū))，由大、小洋山等數(shù)十個島嶼組成，如圖2所示。

圖2 洋山深水港組成

洋山港區(qū)的地理位置特別，地形數(shù)據(jù)的實地測量比較困難。通過Google Earth獲取真實地形外貌地圖，按照一定的地理比例大小，獲取小洋山和大洋山的相對位置及洋山港區(qū)的大體輪廓規(guī)劃，如圖3所示。將Google Earth獲得的地形圖像進行格式轉換，并生成高度逼真的等高線圖。

圖3 洋山深水港區(qū)規(guī)劃

圖4 洋山港方案文本文件

1.2 WinTopo矢量化處理

以小洋山為例，通過WinTopo打開獲取的地形圖像，通過WinTopo中的“矢量化”工具設置“地理參考”；應用多段線編輯工具，將等高線、河岸、河底等地理信息以多段線的形式手動描繪出來，再用賦值工具將多段線賦值并定義顏色以示區(qū)分。在繪制完成后，點擊“矢量化另存為”命令，將圖像另存為.wtx格式的方案文本文件，如圖4所示，其中數(shù)字為設置的等高線高度值。

再次利用WinTopo打開.wtx格式的方案文本文件，并將其另存為ArcView圖形文件，格式為.shp。圖形文件如圖5所示。

圖5 ArcView圖形文件

1.3 MapInfo地形數(shù)字化

利用MapInfo打開ArcView圖形文件(.shp)，另存為MapInfo version 2.x格式的文件(*.tab)。然后再通過MapInfo打開*.tab格式的文件。利用MapInfo的Vertical Mapper模塊，將數(shù)據(jù)計算生成數(shù)字化柵格文件(*.grd)。圖6為生成的地形散點圖。圖7為生成的數(shù)字化柵格地形圖。

圖6 地形散點圖

圖7 地形柵格圖

1.4 利用FME生成DEM

利用FME將第1.3節(jié)生成的地形數(shù)字化柵格文件(*.grd)轉換成DEM格式的地形文件。圖8為FME打開的地形數(shù)字化柵格文件。

圖8 FME中的地形數(shù)字化柵格文件

2 Multigen Creator生成三維地形模型

利用Multigen Creator將DEM格式的數(shù)據(jù)轉化成DED格式的高程數(shù)據(jù)，然后利用Terrain菜單中的New Project工具，加載DED地形數(shù)據(jù)文件，如圖9所示。使用地形窗口中的Texture面板，為三維地形模型應用地形紋理，并根據(jù)海拔高度的不同，映射不同的紋理圖案[11]。

圖9 三維地形模型的生成

由于港口覆蓋貨物裝卸、堆存、轉運和旅客集散用的陸地，包括進港陸上通道(鐵路、道路、運輸管道等)、碼頭前方裝卸作業(yè)區(qū)和港口后方區(qū)，因此應用LOD技術對三維港口中的不同物體，在不同的細節(jié)上建立一組三維港口模型。生成的港口三維地形模型如圖10所示，即為上海洋山港港區(qū)的三維視景仿真圖。將圖10與圖11的上海洋山港口地形圖進行對比分析發(fā)現(xiàn)，建立的三維地形模型具有較高的逼真度。

圖10 上海洋山港港區(qū)三維地形模型

圖11 上海洋山港港口地形圖

3 應用Vega驅動渲染三維地形模型

由于上海洋山港三維地形已在軟件Multigen Creator中建模完成，因此只需在Vega中創(chuàng)建一個新文件(格式為.adf)，并導入相應的模塊進行調試即可[12]。調試渲染后的上海洋山港港區(qū)三維視景仿真效果如圖12所示，與圖13的上海洋山港港區(qū)實景照片進行對比發(fā)現(xiàn)，建立的上海洋山港港區(qū)三維視景仿真具有較高的逼真度與實時性。

圖12 上海洋山港港區(qū)視景仿真圖

圖13 上海洋山港實景

4 結 論

以上海洋山港港區(qū)為研究區(qū)域，將由Google Earth獲取的地形圖形經(jīng)過等高線處理、矢量化分析以及Multigen Creator的渲染、紋理映射、LOD技術的處理，建立可靠的三維地形模型，并經(jīng)過Vega的渲染及驅動，建立上海洋山港港區(qū)的三維地形模型庫。

通過Vega對上海洋山港港區(qū)三維模型的渲染及調試驅動，得到具有較高的精細度、逼真度和實時性的三維視景模型，可用于船舶操縱模擬器的三維視景仿真系統(tǒng)中。