面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

1、 面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究*本文得到國家自然科學基金重點項目（60033020）和高校骨干教師基金資助劉占平 王宏武 汪國平 董士海北京大學計算機科學技術(shù)系圖形研究室，100871, 北京 摘要：本文研究了面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，提出了多層場景引擎（MLSE）、視點相關(guān)動態(tài)多分辨率地形模型（VDDMTM）和ActiveX構(gòu)件網(wǎng)絡(luò)模型。MLSE采用層機制集成多元數(shù)據(jù)，實現(xiàn)場景繪制和交互。VDDMTM基于四叉樹表示多分辨率地形，根據(jù)視點位置對大規(guī)模地形實時簡化,并結(jié)合多分辨率紋理映射,既提高場景繪制速度,又保留視點相關(guān)細節(jié)。網(wǎng)絡(luò)模型采用基于Client/Server結(jié)構(gòu)的

2、ActiveX構(gòu)件方案，既滿足數(shù)字地球的建模特性，又支持標準的WWW瀏覽器。在此基礎(chǔ)上我們開發(fā)了一個面向數(shù)字地球的原型系統(tǒng) 虛擬地球系統(tǒng)VES（Virtual Earth System），應用于用于虛擬永定河和喜馬拉雅山。關(guān)鍵詞：數(shù)字地球，虛擬現(xiàn)實，場景引擎，多分辨率，紋理映射，ActiveX構(gòu)件, WWW。中圖法分類號：TP391.72.1引言 美國前副總統(tǒng)戈爾的數(shù)字地球（Digital Earth）構(gòu)想1一經(jīng)提出即引起了各方面的廣泛關(guān)注，許多國家都在積極開展關(guān)于數(shù)字地球的研究與探索工作。數(shù)字地球試圖在全球范圍內(nèi)建立一個基于地理位置將各領(lǐng)域信息組織、融合起來的復雜虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，人們沉浸式、交

3、互、靈活地瀏覽所需信息：包括地形、河流，森林、建筑，乃至經(jīng)濟、科學、文化、教育等等包羅萬象。 數(shù)字地球涉及大規(guī)模計算、海量存儲、衛(wèi)星遙感、寬帶網(wǎng)絡(luò)、互操作、元數(shù)據(jù)（Meta data）等支撐技術(shù)，需要虛擬現(xiàn)實（VR：Virtual Reality）、地理信息系統(tǒng)（GIS：Geographical Information System）和互聯(lián)網(wǎng)(Internet)三大基礎(chǔ)。數(shù)字地球首先是一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，人們通過視、聽等感官身臨其境地瀏覽所需信息；其次通過GIS組織海量的地理相關(guān)信息；同時基于Internet構(gòu)架一個全球信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資源共享?；谝陨险J識，本文深入探討面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

4、的若干關(guān)鍵技術(shù)，最后介紹我們開發(fā)的一個原型系統(tǒng)虛擬地球系統(tǒng)VES（Virtual Earth System）。2相關(guān)研究 數(shù)字地球是一個嶄新概念，但基于衛(wèi)星遙感、航測和GIS數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究早已有之。美國Brimson實驗室和Minnesota大學自然資源研究所結(jié)合科學計算可視化和地理信息系統(tǒng)設(shè)計了一個瀏覽地形的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)2。瑞典聯(lián)邦理工學院和Zuerich大學聯(lián)合開發(fā)了ViRGIS (Virtual Reality based Geographics Information Systems)3，基于GIS數(shù)據(jù)實時、交互地繪制三維場景。英國Nottingham大學計算機系和地理系基于

5、虛擬現(xiàn)實、 GIS和計算機支持協(xié)同工作研究空間決策支持系統(tǒng)在環(huán)境規(guī)劃方面的應用。1998年6月Microsoft公司開發(fā)出TerraServer5，將全球衛(wèi)星航測影象存儲在Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫中通過Internet向全球發(fā)布，該系統(tǒng)存儲著世界上最大的地圖，包含USGS(United States Geological Survey) 5TB影象數(shù)據(jù)；但TerraServer 只提供二維交互，并非真正的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。1998年11月SRI公司采用VRML技術(shù)實現(xiàn)了一個基于WWW的數(shù)字地球原型系統(tǒng)6，對多分辨率地形和GIS作了深入研究。美國環(huán)保署在環(huán)境決策支持系統(tǒng)中集成G

6、IS、科學計算可視化以及WWW組件7，其可視化中心結(jié)合Arc/Info和AVS（Advanced Visual System）實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)實時可視化，而且完成了GIS的WWW用戶界面和可視化文件服務(wù)器。賓西法尼亞大學的Apoala計劃8集成時空地理信息、可視化和數(shù)據(jù)分析，開發(fā)一個用于生態(tài)管理的環(huán)境風險預測與決策支持系統(tǒng)。此外，一些流行的GIS商業(yè)軟件如MapInfo、Arc/Info等都提出三維可視化方案，但這些軟件和系統(tǒng)還不能處理數(shù)字地球這樣大規(guī)模、大范圍的三維乃至多維虛擬場景。 基于GIS的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)從需求和技術(shù)角度而言是初級的面向數(shù)字地球系統(tǒng)。真正的數(shù)字地球要求在虛擬建模理論和可視化

7、理論方面有新突破，例如：面向多來源、多維海量信息建模，基于智能體建模，面向數(shù)字地球的虛擬建模語言規(guī)范，無級比例尺數(shù)字地面模型生成與繪制，數(shù)字地面模型智能化信息提取與重建理論。3面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù) 面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)涉及許多關(guān)鍵技術(shù)，我們在此集中討論多層場景引擎、視點相關(guān)動態(tài)多分辨率地形模型和嵌入式構(gòu)件網(wǎng)絡(luò)模型。3.1多層場景引擎 多層場景引擎（MLSE：Multiple Layer Scene Engine）負責場景的多元數(shù)據(jù)（Multi-variates）導入、管理、繪制和交互，是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心。n 數(shù)據(jù)集成。場景引擎通過數(shù)據(jù)連接器（Data Connecto

8、r）訪問不同來源、不同格式、不同維數(shù)的多元數(shù)據(jù).n 場景繪制。場景引擎負責存儲和管理場景，將數(shù)據(jù)提交圖形包（如DirectX、OpenGL）繪制。圖1 一個多層次場景實例GIS databaseTexture fileDEM serverCAD system Models ODBC File accessISAPI橋梁河流影象地形Data Sources Data Connectors Scene Layersn 場景交互。接收交互信息（如Zoom、旋轉(zhuǎn)、Fly-through）并即時更新場景。 場景的數(shù)據(jù)組織形式有很多。傳統(tǒng)的頂點-邊-多邊形結(jié)構(gòu)易于快速三維變換和繪制，但不支持結(jié)構(gòu)化場景、復

9、雜交互和多元數(shù)據(jù)集成。場景圖(Scene Graph)采取面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化場景數(shù)據(jù)管理，但不適合拓撲結(jié)構(gòu)不同的多元數(shù)據(jù)集成。我們提出的多層場景引擎（圖1）以層（Layer）作為基本單位，層是具有相同拓撲結(jié)構(gòu)、相同來源、相同主題的數(shù)據(jù)集，層內(nèi)根據(jù)數(shù)據(jù)集的特性和拓撲結(jié)構(gòu)采用場景圖、頂點-邊-多邊形等結(jié)構(gòu)；以數(shù)據(jù)連接器實現(xiàn)場景數(shù)據(jù)導入和轉(zhuǎn)換；采用面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計，便于數(shù)據(jù)封裝和擴展；同時優(yōu)化繪制流程，加快場景繪制與交互。3.2視點相關(guān)動態(tài)多分辨率地形模型 大規(guī)模地形可視化是面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。場景的復雜程度與繪制速度相互制約，盡管圖形硬件技術(shù)已有長足發(fā)展，但仍不能滿足大規(guī)模三維

10、場景實時可視化的需要；而且機器檔次存在差異，因此必須對大規(guī)模地形進行多分辨率表示。非規(guī)則三角網(wǎng)格（TIN：Triangulated Irregular Networks）采用層次結(jié)構(gòu)的三角劃分表示多分辨率地形9，但生成TIN結(jié)構(gòu)需要大規(guī)模計算，一般不適合實時交互。De Floriani提出的HTIN(Hierarchical TIN：層次不規(guī)則三角網(wǎng)格) 地形多分辨率模型10把不同細節(jié)的模型按樹型層次結(jié)構(gòu)存儲，每個結(jié)點都是父結(jié)點某三角形的細化。Taylor11基于四叉樹的多分辨率模型同樣存儲TIN結(jié)構(gòu)的三角面片。 我們提出的視點相關(guān)動態(tài)多分辨率地形模型（VDDMTM：View-Dependen

11、t Dynamic Multi-resolution Terrain Model）主要用于表示數(shù)字高程模型（DEM：Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)，不再把模型作為整體進行簡化，而是針對視點位置動態(tài)簡化局部細節(jié)。VDDMTM采用基于四叉樹的多分辨率地形結(jié)構(gòu)，自頂向下構(gòu)造DEM多分辨率表示；設(shè)計合理的結(jié)點評價函數(shù)反映每個地形片應該具有的分辨率與當前視點處地形片分辨率的關(guān)系；基于結(jié)點評價函數(shù)選取一組具有所需分辨率的地形片作為與當前視點相關(guān)的整個地形表示，既達到實時繪制又保留視點相關(guān)細節(jié)。圖2中P為當前視點，箭頭所示為觀察方向。采用基于視點的動態(tài)簡化算法后，虛線內(nèi)地形被細密的三角

12、片覆蓋，虛線外區(qū)域基于距離視點的遠近及其復雜度被不同程度地進行了簡化。P 圖2 視點相關(guān)動態(tài)多分辨率地形簡化實例 圖3 多分辨率紋理映射實例 面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所需紋理數(shù)據(jù)非常龐大，現(xiàn)有的高性能圖形卡難以勝任大規(guī)模紋理數(shù)據(jù)傳輸。我們采用多分辨率紋理映射（Texture Mapping）與VDDMTM模型相結(jié)合，視覺敏感區(qū)域采用高分辨率紋理，其余地形采用低分辨率紋理，在保留視覺相關(guān)細節(jié)的前提下大大縮減紋理數(shù)據(jù)，提高瀏覽速度。多分辨率紋理映射基于紋理的層次結(jié)構(gòu)，一般包括2¾3個紋理層，不同層次的紋理具有不同的分辨率，同層紋理劃分為大小相近的紋理片。通過紋理重采樣和紋理劃分預先構(gòu)造

13、紋理層次結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)簡化后地形片的分辨率為該地形片選取相應分辨率的紋理完成紋理映射。圖3采用了兩層紋理結(jié)構(gòu)，虛線內(nèi)部采用了高分辨率紋理。33 網(wǎng)絡(luò)模型 面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最終要基于網(wǎng)絡(luò)，跨越異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)組織和發(fā)送大規(guī)模數(shù)據(jù)，支持普通機器瀏覽。因此，面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型應具備以下特點：n 大規(guī)模場景的實時繪制與交互。n 基于WWW、符合Client/Server結(jié)構(gòu)。n 場景Cache，提高響應速度。n 動態(tài)場景更新，將ROI（Region Of Interest）數(shù)據(jù)累進傳輸（Progressive Transmission）。n 可擴展性，支持新類型數(shù)據(jù)。 VRML方案可

14、直接利用已有的VRML瀏覽器，但存在以下缺點：n 對象類型不足。盡管VRML允許自定義結(jié)點，但尚需專門的瀏覽器支持。n 針對特定數(shù)據(jù)集難于實時處理。VRML的接口功能有限，難于動態(tài)優(yōu)化。n 交互手段有限。雖然支持Walkthrough和部分動畫交互，但難以支持面向地學的特定交互。n VRML瀏覽器的具體實現(xiàn)不統(tǒng)一，給場景轉(zhuǎn)換帶來困難。n 場景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為VRML文本后數(shù)據(jù)量增加，網(wǎng)絡(luò)帶寬要求甚高。 我們采用基于ActiveX的嵌入式構(gòu)件網(wǎng)絡(luò)模型（圖4），為面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)專門設(shè)計一個客戶端WWW構(gòu)件，允許標準的WWW瀏覽器交互瀏覽。ActiveX構(gòu)件與WWW瀏覽器相互通訊，在WWW瀏覽

15、器的子窗口中實現(xiàn)場景繪制和交互。具體流程如下： （1）用戶請求被WWW服務(wù)器接收。 （2）場景監(jiān)控進程截獲并分析用戶請求，如果是場景請求，則將請求解釋后遞交場景服務(wù)器。 （3）場景服務(wù)器接到請求后喚醒場景提取進程。 （4）場景提取進程提取用戶所需場景，必要時（Cache命不中）更新場景緩存。 （5）場景緩存將場景數(shù)據(jù)發(fā)送至瀏覽器端的ActiveX構(gòu)件。HTML文本場景監(jiān)控進程WWW服務(wù)器HTML解釋ActiveX構(gòu)件WWW瀏覽器HTML場景數(shù)據(jù)場景服務(wù)器場景提取進程用戶請求用戶請求場景數(shù)據(jù)場景緩存123456 （6）ActiveX構(gòu)件負責繪制場景。 圖4 基于ActiveX的嵌入式構(gòu)件網(wǎng)絡(luò)模型

16、4. 虛擬地球系統(tǒng)VES 在面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了一個原型系統(tǒng) 虛擬地球系統(tǒng)VES（Virtual Earth System）。VES包括VES Author、VES Control和VES Server。n VES Author是一個基于Windows NT/Windows 9X的標準Win32應用程序，負責創(chuàng)建繪制場景、增刪場景層、調(diào)節(jié)層間關(guān)系、以及性能優(yōu)化等。VES Author場景引擎基于OpenGL1.1。n VES Control是遵循ActiveX標準的可重用構(gòu)件，既可方便地嵌入到WWW瀏覽器中，又可作為應用構(gòu)件嵌入到應用程序中。VES Con

17、trol實現(xiàn)場景繪制、Zoom、Walk Through、Fly Through、碰撞檢測等復雜交互。n VES Server是運行于WWW服務(wù)器端的Daemon程序。VES Server捕獲VES請求，根據(jù)請求提取相應場景提交客戶端，它采用Microsoft ISAPI技術(shù)，能很好地與VES Control通信。 我們應用VES原型系統(tǒng)實現(xiàn)了以下兩個實例：n 虛擬永定河（89.4×112.8=10,084.32 平方公里，圖5）?；诒本┑貐^(qū)永定河流域地形數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影象，在Internet上建立一個虛擬永定河瀏覽系統(tǒng)，用戶可以通過WWW瀏覽器交互瀏覽永定河。n 虛擬喜馬拉雅山（東經(jīng)

18、86°，北緯28°）。該數(shù)據(jù)遵循美國國防部地圖繪制司制定的30弧秒DEM數(shù)據(jù)格式DTED(Digital Terrain Elevation Data)。圖5 運行在客戶端瀏覽器中的虛擬永定河5. 總結(jié) 本文探討了面向數(shù)字地球的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)。多層場景引擎采用層機制實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)集成、場景繪制與交互。視點相關(guān)動態(tài)多分辨率地形模型以四叉樹表示多分辨率地形，并結(jié)合多分辨率紋理映射技術(shù)，既保留視點相關(guān)細節(jié)，又顯著提高了繪制速度。網(wǎng)絡(luò)模型采用ActiveX嵌入式構(gòu)件方案，更好地支持網(wǎng)上實時瀏覽。我們在以上研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了一個原型系統(tǒng)VES，實現(xiàn)了虛擬永定河和虛擬喜馬拉雅

19、山兩個實例。參考文獻1 Al Gore. The Digital Earth¾Understanding our planet in the 21st CenturyR. 1998.2 Peter Berger,et al. Towards a Virtual Reality Interface for Landscape VisualizationDB. edu/conf/SANTA_FE_CD-ROM/sf_papers/berger/paper.htm. 1994.3 et al. OTAW94ViRGIS(Virtual Reality based Geographic In

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24、ng-wu, WANG Guo-ping, DONG Shi-haiGraphics Laboratory, Department of Computer Science & Technology, Peking University, Beijing, 100871Abstract: This paper addresses several key issues for digital earth oriented virtual reality system, with Multi-Layer Scene Engine (MLSE), View-Dependent Dynamic

25、Multiresolution Terrain Model (VDDMTM), ActiveX component based network model discussed. By means of scene layer, MLSE enables multi-variates integration, scene rendering and user interaction. Quad-tree structure is used for multi-resolution terrain representation. View-dependent terrain simplification and multi-resolution texture mapping ar