新技術(shù)在虛擬地理環(huán)境中的應(yīng)用

1、蔡地201248600108079中國測繪科學(xué)研究院空間數(shù)據(jù)可視化方式的變遷精細(xì)化數(shù)字化立體化虛擬化計算機(jī)與人類認(rèn)識的隔閡 自從計算機(jī)發(fā)明以來,計算機(jī)一直是傳統(tǒng)信息處理環(huán)境的主體,它只具有在數(shù)字化的單維信息空間中處理問題的能力。而事實(shí)上,人類是依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位的獲取知識,是在多維化的信息空間中認(rèn)識問題。 這樣就產(chǎn)生了人類認(rèn)識問題的認(rèn)識空間與計算機(jī)處理問題的信息空間不一致的矛盾,人類被排斥在計算機(jī)為主體的信息處理環(huán)境之外,而、且較難以直接理解信息處理工具的處理結(jié)果,更難以把人類的感知能力和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)與計算機(jī)信息處理環(huán)境直接聯(lián)系起來。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality

2、,簡稱VR;又譯作靈境)是近年來的研究熱點(diǎn)。它是一項(xiàng)綜合集成技術(shù),涉及計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域。 它用計算機(jī)生成逼真的三維視、聽、嗅等感覺,使人作為參與者通過適當(dāng)裝置,自然地對虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互,最終使得參與者產(chǎn)生身臨其境感覺,并且能直接參與該環(huán)境中事物的變化與相互作用。傳統(tǒng)方式與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的對比從外部去觀察仿真建模的結(jié)果通過鍵盤、鼠標(biāo)與計算機(jī)環(huán)境中的單維數(shù)字化信息發(fā)生作用沉浸(Immersion)到仿真建模的環(huán)境中通過多種傳感器與多維化信息的、適合人的環(huán)境發(fā)生交互作用傳統(tǒng)方式虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn) 動態(tài)交互性-通過多種傳感器與多維化信息的、適合人的環(huán)境發(fā)

3、生交互作用 信息豐富-空間數(shù)據(jù)、影象、聲音等多媒體信息和遙感數(shù)據(jù) 時空維-既再現(xiàn)它的歷史,又虛擬它的未來 沉浸性-人能夠沉浸到仿真建模的環(huán)境中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成硬件構(gòu)成： 圖形工作站 顯示設(shè)備 傳感裝置軟件構(gòu)成： 交互控制軟件 場景驅(qū)動軟件 建模與渲染軟件 數(shù)據(jù)處理軟件顯示設(shè)備空間數(shù)據(jù)三維建模軟件三維渲染軟件三維模型圖形工作站用戶動作傳感裝置交互控制軟件場景驅(qū)動軟件控制參數(shù)地理信息系統(tǒng)虛擬地理環(huán)境 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS技術(shù)高度結(jié)合實(shí)現(xiàn)二者一體化, 可形成虛擬地理環(huán)境系統(tǒng)。 虛擬地理環(huán)境源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),高于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).它最早是從地學(xué)的網(wǎng)絡(luò)可視化研究提出的,是一個關(guān)于地理系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室,強(qiáng)調(diào)

4、人的感知性和沉浸感,讓更多的地學(xué)工作者利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同時在虛擬的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行交流和討論. 虛擬地理環(huán)境集成了多源信息采集、地理信息系統(tǒng)、地理模型管理、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)、智能體等技術(shù)。虛擬地理環(huán)境的特征 以化身為基礎(chǔ) 多用戶 分布式 虛擬環(huán)境虛擬地理環(huán)境與傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)技術(shù)的區(qū)別：在虛擬地理環(huán)境中,從地理數(shù)據(jù)到多維表現(xiàn)以及多通道感知,貫穿了以人為中心和面向問題解決的空間認(rèn)知關(guān)于數(shù)據(jù)、信息、知識、模型的全過程,多維與動態(tài)的分析方法自然就成為全面深入研究空間問題的基本途徑.虛擬地理環(huán)境如何對人的認(rèn)知的影響1、虛擬地理環(huán)境拓展了人的空間認(rèn)知手段和范圍由計算機(jī)生成的虛擬地理環(huán)境是一個能給人提視覺、聽覺、觸覺

5、、嗅覺以及味覺等多種感官刺激的世界,即在虛擬地理環(huán)境中,不能只有一種感官刺激構(gòu)成。這樣的環(huán)境給身在其中的用戶帶來一種沉浸感。沉浸感帶給用戶對空間環(huán)境的“場依存性”,這種依存性能夠讓用戶覺得自己是計算機(jī)所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中的一部分,使人由旁觀者變?yōu)閰⑴c者,全身心的投入到虛擬世界中。2、虛擬地理環(huán)境改變了人的空間思維方式由符號構(gòu)成的地理空間知覺過程對地理事物本質(zhì)的映像將知覺的圖形再現(xiàn)出來回憶聯(lián)想心象地圖形成對地理空間整體的、動態(tài)的、連續(xù)的認(rèn)識記憶與聯(lián)系再現(xiàn)地圖二維地圖：包含制圖人員的抽象邏輯思維，直觀性差，圖面要素多，相互關(guān)系復(fù)雜。虛擬地理環(huán)境：形象思維與邏輯思維的結(jié)合，感性與理性并重，無論使用者是

6、否具有地圖使用經(jīng)驗(yàn),在虛擬地理環(huán)境中總是容易得到更多的潛在的空間信息。在虛擬地理環(huán)境中,使用者對外部環(huán)境的認(rèn)知是一種主動的、導(dǎo)航的方式。他獲得的主要是過程性知識,這與二維地圖有很大的不同。如何加強(qiáng)人在虛擬環(huán)境中的感受與認(rèn)知 視覺上： 高精度三維建模，最大化模擬現(xiàn)實(shí)世界的場景。 真實(shí)渲染引擎，模擬現(xiàn)實(shí)世界的物理現(xiàn)象及光影效果。 建立化身與用戶的協(xié)同控制（動作一致，行為一致，最大化模擬用戶行為） 頭戴顯示裝置，使用戶沉浸在虛擬環(huán)境中 聽覺上： 環(huán)繞立體聲，使用戶可根據(jù)聲音判斷發(fā)聲物體（虛擬物體）的位置 知覺上： 模擬現(xiàn)實(shí)世界的觸感（技術(shù)還不完善） 嗅覺上： 模擬現(xiàn)實(shí)世界中的各種氣味（鳥語花香）加強(qiáng)

7、視覺感受 三維建模： Autodesk 3DS MAX Autodesk MAYA 渲染引擎： 虛幻4渲染引擎（UnrealEngine4） OpenSceneGraph（OSG）關(guān)于虛幻引擎的一些介紹 虛幻引擎的特性：引擎可以支持制作人員創(chuàng)建一個數(shù)百萬多邊形組成的超精細(xì)模型，并對模型進(jìn)行細(xì)致的渲染，從而得到一張高品質(zhì)的法線貼圖，這張法線貼圖中記錄了高精度模型的所有光照信息和通道信息。在游戲最終運(yùn)行的時候，游戲會自動將這張帶有全部渲染信息的法線貼圖應(yīng)用到一個低多邊形數(shù)量(通常在5000-15000多邊形)的模型上。這樣的效果就是游戲的模型雖然多邊形數(shù)量比較少但是其渲染精度幾乎和數(shù)百萬多邊形的模

8、型一樣，這樣可以在保證效果的同時在最大程度上節(jié)省顯卡的計算資源。 虛幻編輯器（UnrealEd）：虛幻的編輯器(簡稱為“UnrealEd”)是一個以“所見即所得”為設(shè)計理念的操作工具,它可以很好地彌補(bǔ)一些在3DStudioMax和Maya中無法實(shí)現(xiàn)的不足,并很好地運(yùn)用到游戲開發(fā)里去。在可視化的編輯窗口中游戲開發(fā)人員可以直接對游戲中角色,NPC,物品道具,AI的路點(diǎn)及光源進(jìn)行自由的擺放和屬性的控制,并且全部是實(shí)時渲染的。(并且這種實(shí)時渲染還有動態(tài)的光影效果。)在虛幻的引擎中為了游戲開發(fā)的程序員們能夠更好地進(jìn)行編寫,提供了3個非常具體的編寫實(shí)例和百分之百開放的源代碼,編輯器,Max/Maya的輸出

9、插件,以及一些公司內(nèi)部開發(fā)游戲所使用到的游戲代碼?；砼c用戶的協(xié)同動作 MicrosoftKinectKinect是微軟在2010年6月14日對XBOX360體感周邊外設(shè)正式發(fā)布的名字特點(diǎn)： 不需要使用任何控制器，依靠相機(jī)捕捉三維空間中玩家的運(yùn)動 可進(jìn)行全身動作的捕捉（步伐，手臂，手指，腿部動作等） 多點(diǎn)陣列式麥克風(fēng)，可辨認(rèn)聲音 面部識別 2011年6月推出了KinectforWindowsSDKBeta，可以使用C#與.NETFramework4.0來進(jìn)行開發(fā)沉浸于虛擬環(huán)境之中 SONYHMZ-T23D頭戴顯示器 分辨率：1280*720 支持3D顯示 相當(dāng)于在20米處觀看750寸屏幕虛擬地

10、理環(huán)境的設(shè)備架設(shè)示意圖 在硬件設(shè)備搭建完成后，通過軟件模擬，即可形成一個虛擬地理環(huán)境，供用戶使用?；碛脩籼摂M地理環(huán)境動作控制交互視聽感受、知覺、觸覺化身對虛擬地理環(huán)境的控制，可包括對環(huán)境的觀察，聆聽，觸摸甚至改造而在控制的過程中，環(huán)境也能對化身進(jìn)行，觸覺，嗅覺等的反饋，進(jìn)而影響用戶虛擬地理環(huán)境的應(yīng)用方向 在城市規(guī)劃中的應(yīng)用（時空維度與數(shù)據(jù)分析） 虛擬旅游（空間維度與時間維度的跨越） 建筑設(shè)計（在建筑物中漫游，更易獲取建筑給人的直觀感受） 虛擬實(shí)驗(yàn)（降低實(shí)驗(yàn)危險性，縮短時間，降低成本）虛擬地理環(huán)境在虛擬旅游方面的應(yīng)用 虛擬地理環(huán)境能逼真動態(tài)地展現(xiàn)旅游規(guī)劃設(shè)計方案,給人以身臨其境的沉浸感。目前的

11、旅游規(guī)劃設(shè)計方案,主要是通過文字、表格和圖件等靜態(tài)形式展現(xiàn)出來,其中絕大多數(shù)圖件都是二維平面的,即使是透視效果圖,也只能反映兩個側(cè)面,缺乏逼真的全方位立體感和動態(tài)感,也不利于規(guī)劃方案的評判。 然而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)卻不同,它是由規(guī)劃設(shè)計人員根據(jù)客戶及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,將一個旅游地的地形地貌、氣候水文、植被土壤、土地利用現(xiàn)狀、社會經(jīng)濟(jì)背景、區(qū)位條件、旅游資源、旅游線路以及各種旅游需求等大量信息建成數(shù)據(jù)庫,并變換成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),然后通過該系統(tǒng)人機(jī)對話工具,進(jìn)入具有視聽功能的三維動畫效果的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境(模型)中漫游,給人以身臨其境的沉浸感(包括視覺、觸覺和聽覺)。這是傳統(tǒng)規(guī)劃方案難以達(dá)到的。 虛擬旅游通常包括以下4種方式：u 現(xiàn)存景觀的虛擬旅游。u 再現(xiàn)景觀的虛擬旅游。u 未建成景觀的虛擬旅游。u 目前人類還不太可能到達(dá)的虛擬旅游。 虛擬旅游為人們提供了2種超越現(xiàn)實(shí)的旅游