虛擬旅游景觀系統(tǒng)研究

1、 第 1期文章編號 :1672-8262(2007 01-25-03 中圖分類號 :P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 虛擬旅游景觀系統(tǒng)研究高玉榮 3, 肖劍平 , 彭清山 , 方鵬 , 劉濤 3 收稿日期 :2006 02 16作者簡介 :高玉榮 (1976 , 女 , 碩士 , 主要從事 GI S 開發(fā) , 空間分析 , VR GI S 研究。(武漢市勘測設(shè)計(jì)研究院 , 湖北 武漢 430022摘 要 :結(jié)合 GI S 技術(shù) 、 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與旅游景觀系統(tǒng) , 討論虛擬旅游景觀系統(tǒng)的特征 , 闡述了建造虛擬景觀的一般過 程和方法 , 論述了虛擬景觀系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)模型 , 以及針對景觀系統(tǒng)的設(shè)置等

2、關(guān)鍵問題和相關(guān)技術(shù) 。 關(guān)鍵詞 :虛擬現(xiàn)實(shí) ; 旅游 ; 景觀系統(tǒng) ; GI S1 前 言隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)和地形可視化技術(shù)的發(fā)展 , GI S 和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) (VR 在各自的領(lǐng)域中都得到長足 的發(fā)展 , 3D GI S 和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到虛擬景觀中 , 增 強(qiáng)了環(huán)境可視化。 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)作為一種嶄新的人機(jī) 交互界面形式 , 能為用戶提供現(xiàn)場感和多感覺通道 , 并 依據(jù)不同的應(yīng)用目的 , 探尋一種最佳的人機(jī)交互方式。旅游觀光過程實(shí)際上是一個動態(tài)的過程 , 游地圖表示法 , , 美感和吸引力 , , 過程。 GI S , 其具有真實(shí)感和 沉浸感 , 它以人的身臨其境為重要特征 , 在系統(tǒng)中

3、觀光 者可以自主地選擇和確定旅游的時間、 地點(diǎn)、 方式和路 線 , 完全不受時間、 空間、 經(jīng)濟(jì)條件、 環(huán)境條件的限制 , 并 且自身和環(huán)境都不受破壞。 總之 , 虛擬景觀系統(tǒng)具有臨 場性、 自主性、 超時空性、 多感受性、 交互性、 經(jīng)濟(jì)性、 安 全性等優(yōu)點(diǎn) , 但同時也具有迷失性、 孤獨(dú)性等缺點(diǎn) 1。王靖濱等2介紹了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng)。朱炳貴 3介紹了旅游地理信息的組成和功能 , 王璐等 4和徐 素 寧 等5探 討 了 虛 擬 旅 游 的 技 術(shù) , Schee andJense 6試圖提出一個系統(tǒng)架起 VR 和 GI S 的橋梁。本文提出了創(chuàng)建虛擬景觀信息系統(tǒng)的方法 , 該系

4、 統(tǒng)以 Creat or 和 VEG A 環(huán)境為依托 , 論述了構(gòu)建虛擬旅 游景觀系統(tǒng)的技術(shù)方法和相關(guān)數(shù)據(jù)模型 , 最終的目的 是方便了用戶獲取圖形 、 地理 、 和景觀數(shù)據(jù)或資料的方 式 , 真正實(shí)現(xiàn)虛擬景觀系統(tǒng)和網(wǎng)上瀏覽 。2 技術(shù)路線虛擬景觀系統(tǒng)利用虛擬環(huán)境的機(jī)制 、 開發(fā)包和軟 件工具來完成 (如圖 1 。 該工程采用分層分步的方式進(jìn)行 , 將用戶界面和景觀信息系統(tǒng)分離 , 不同的層次間 通過 VEG A AP I 進(jìn)行定義來獲取數(shù)據(jù)及導(dǎo)航 。 VEG A AP I 提供對系統(tǒng)中的 VR 組件進(jìn)行獲取和處理的功能 ,以便及時在用戶支配下變換位置及視野 。 用戶代碼控 制層是系統(tǒng)的核心

5、, 它監(jiān)聽用戶在界面及鼠標(biāo)或鍵盤 的操作 , , 它 A I 。渲染引擎是 的 AP I 來進(jìn)行 。Creat or 強(qiáng)大的工具核心為 25種不同的圖像生成器提供自己的建模系統(tǒng)和定制的功能 。其中 OpenFlight 圖像格式提供了先進(jìn)的實(shí)時功能 , 如等級細(xì)節(jié) 、 多邊形刪減 、 邏輯刪減 、 繪制優(yōu)先級 、 分離平面 等 。 在技術(shù)流程的實(shí)現(xiàn)上 , 首先通過 Creat or 的多邊形 建模工具來構(gòu)建旅游景觀的景點(diǎn)設(shè)施 , 利用 Terrain Pr o 構(gòu)建景觀地形 , 再增加紋理 (航片 、 土地利用 、 重點(diǎn)地區(qū) , 然后增加矢量要素 (如道路 , 利用 VEG A 環(huán)境 來進(jìn)行用

6、戶控制 , 最后編寫程序 , 如縮放 、 導(dǎo)航等。圖 1 構(gòu)建虛擬景觀系統(tǒng)的技術(shù)路線3 數(shù)據(jù)模型MultiGen Creat or 的建模環(huán)境提供同時交互的、 多重顯示和用戶定義的三維圖形觀察器和一個有二維層次的結(jié)構(gòu)圖 , 它采用數(shù)據(jù)庫層次結(jié)構(gòu) , 即數(shù)據(jù)庫 組 目標(biāo) 面 節(jié)點(diǎn)屬性的層次結(jié)構(gòu)來描述三維物體 , 允許用戶直 接對層次結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作 , 保證從大型數(shù)據(jù)庫到物52高玉榮等 1虛擬旅游景觀系統(tǒng)研究 2007年體單個頂點(diǎn)的精確控制。 它的邏輯層次結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)層 次、 截取組、 繪制優(yōu)先級、 分離面等功能 , 使得圖像產(chǎn)生器 知道何時及如何繪制三維場景 , 極大地提高了實(shí)時系統(tǒng) 的性能。

7、 如圖 2為層次結(jié)構(gòu)視圖 , 所有的顯示是交互的、 充分關(guān)聯(lián)的 ; 這種靈活的組合加速了數(shù)據(jù)庫的組織、 模型 生成、 修改編輯、賦予屬性和結(jié)構(gòu)關(guān)系的定義。 圖 2 層次結(jié)構(gòu)視圖 通過圖 2可見一個數(shù)據(jù)庫的等級結(jié)構(gòu)由許多節(jié)點(diǎn) 構(gòu)成 , 頂層的唯一節(jié)點(diǎn)被稱為數(shù)據(jù)庫頭節(jié)點(diǎn) 。在其下 的類群節(jié)點(diǎn)由 Gr oup, LOD , S witch, DOF, L ight 等構(gòu)成 , 組節(jié)點(diǎn)用來構(gòu)建等級關(guān)系 , 由許多子群節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié) 點(diǎn)構(gòu)成 , 而目標(biāo)節(jié)點(diǎn)又由許多面所構(gòu)成 , 的位置和類別 , 。面節(jié)點(diǎn)則由許 多點(diǎn)節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成 。 LOD 接點(diǎn) , 定義場景隨視者視點(diǎn)的 變化時模型的復(fù)雜度 。 圖 2中將

8、2個雕塑和 1個燈塔 柱雕形成 1個組 , 而雕塑本身又分基座 、 左雕塑和右雕 塑兩目標(biāo) , 再細(xì)分才是組成目標(biāo)的面和節(jié)點(diǎn) 。通過調(diào)整層次結(jié)構(gòu)視圖可以對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行管 理。 在建模過程中 , 即使是最簡單的模型 , 也應(yīng)該調(diào)整 層次結(jié)構(gòu)視圖 , 從而達(dá)到優(yōu)化的目的。 這種定義方式在 景觀系統(tǒng)和用戶之間架起橋梁 , 使用戶遠(yuǎn)離復(fù)雜的虛擬 環(huán)境的建模內(nèi)幕。 用戶可以選擇建筑物給它具體的位 置和名字 , 并且該結(jié)構(gòu)對擴(kuò)展和刪除模型是很方便的。4 數(shù)據(jù)處理和模型創(chuàng)建該項(xiàng)目的一個重要目的是高精度地形和模型定位數(shù) 據(jù)的獲取 , 同時由于系統(tǒng)是以第一人稱視點(diǎn)來進(jìn)行交互 的 , 需要展現(xiàn)其漫游瀏覽中所看到

9、的所有要素 , 包括景點(diǎn)、 地形、 道路、 建筑物、 樹木、 景區(qū)休憩設(shè)施等等 , 才能有真實(shí) 世界的感覺。 用來描述虛擬景觀內(nèi)的組成和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù) 集包括地形、 建筑物、 道路、 水系、 紋理、 植被樹木、 景點(diǎn)等。為此 , 采用高精度地形圖作為景區(qū)的地形基礎(chǔ) , 疊 加大比例尺地形圖中的道路等相關(guān)要素 , 并對建筑等設(shè) 施進(jìn)行精確三維定位。 地貌用三角網(wǎng)來表示 , 根據(jù)地貌的特征處理山脊、 山谷等以突出地貌特征 , 同時對整個 地貌采用 LOD 技術(shù)。 對建筑和景點(diǎn)的布局位置可以通 過 2m 分辨率的航空影像來精確獲取 , 同時來糾正部分 位置定位的錯誤。 各種紋理通過商業(yè)相機(jī)獲取 , 從不

10、同 的角度和范圍來得到建筑物及景點(diǎn)的照片 , 對照片在 Phot oshop 中進(jìn)行編輯和修改大小、 色彩統(tǒng)一處理等 , 同時根據(jù)不同的精度要求對圖片采用不同的分辨率。該項(xiàng)目的主要目的是創(chuàng)建 “ 虛擬武漢磨山景觀信息 系統(tǒng) ” , 通過該系統(tǒng)用戶可以詳細(xì)瀏覽該景區(qū)及相關(guān)信 息。 該工作初始階段可以 C AD 或其他建模軟件來創(chuàng)建 景區(qū)的多邊形模型 , 包括建筑物、 景點(diǎn)設(shè)施等。 同時獲 取景區(qū)內(nèi)的景點(diǎn)、 建筑等的圖片作為紋理。 該虛擬景觀系統(tǒng)的模型主要由 Creat or, C AD 和 3D MAX 來創(chuàng)建 , 創(chuàng) 建成功后都導(dǎo)入到 Creat or 中 , 該系統(tǒng)總共有 39462個面 多

11、邊形、 65401個地貌三角形和 122個 4173M 的紋理 , 可 以使用 3D 系統(tǒng)中的模 , 也可一次裝載。, 占用一定的空間。圖 3 景觀模型5 碰撞檢測和環(huán)境設(shè)置大規(guī)模場景模擬需要對大量的多邊形進(jìn)行渲染 , 為使該渲染滿足一定的視覺要求 , 需要使用相關(guān)的技 術(shù) , 特別是可視剔除和遮擋技術(shù)7?？梢曊趽跆蕹怯行У販p少選擇紋理增加速度的新方法 , 同時通過視 域的潛在可視集來緩沖下一幀圖像 。 該技術(shù)采用計(jì)算 機(jī)圖形圖像領(lǐng)域的知識 , 不再贅述 。虛擬場景中碰撞 檢測也是一個重要技術(shù) , 通常采用包圍盒光線投射檢 測技術(shù) 。 為了增強(qiáng)虛擬場景漫游的真實(shí)感和逼真度 , 漫游場景中采用

12、了兩種方式的碰撞檢測 :(1 與地形的碰撞檢測 , 漫游時始終隨著地形的 改變而改變視點(diǎn)的高度 ;(2 與建筑物墻面的碰撞檢測 , 當(dāng)碰到墻面時就不能 前進(jìn)。 在 VEG A 中能夠?qū)?MultiGen 建立的模型文件中各 個不同的部分進(jìn)行分類 :地形和靜態(tài)物體 , 再根據(jù)各個分 類中的具體不同 (如地形可分為道路、 草坪和水域 設(shè)置 標(biāo)記。 利用分類標(biāo)記和所建立的碰撞方式檢測對象 , 就 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時漫游時的碰撞檢測 , 達(dá)到逼真體驗(yàn)。為了增加景觀的真實(shí)效果 , 對景區(qū)內(nèi)的景觀根據(jù) 不同的時間和季節(jié)采用不同的光照和陰影技術(shù) , 同時62城 市 勘 測 第 1期可以根據(jù)用戶的喜好和特殊需求 ,

13、 配置不同的天氣情 況 (陰 、 晴 、 霧 、 雨 、 雪等 。 圖 4 不同環(huán)境下的場景 (白天 , 暴風(fēng)雨來臨前 , 霧 6 景觀瀏覽與線路設(shè)計(jì)對已建立的虛擬景觀系統(tǒng) , 可以通過用戶自主導(dǎo)航 來漫游整個場景 , 也可以進(jìn)行路徑漫游。 自主導(dǎo)航是通 過用戶的鼠標(biāo)、 鍵盤或其他工具來進(jìn)行漫游控制 , 可從任 意角度進(jìn)行觀察、 浸入、 實(shí)時交互 , 可在所選擇景點(diǎn)內(nèi)外自 由移動 ; 路徑漫游是模擬人在真實(shí)環(huán)境中的旅游運(yùn)動狀 態(tài)來游覽 , 就是預(yù)先編輯并設(shè)置好漫游路徑來實(shí)現(xiàn)三維 場景中的任意漫游。 關(guān)于漫游路徑的設(shè)置有很多種方 式 , 通常三維景觀系統(tǒng)是基于場景平面圖通過鼠標(biāo)點(diǎn)取 控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)

14、置的方式。 路徑設(shè)置過程如下 :首先在場 景的平面圖顯示的窗口中 , 點(diǎn)取一系列控制點(diǎn) , (面 及飛行速度 (/ 控制點(diǎn)序列。 圖 5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行 :256Mb 的 RAM , P4214G 處理器 , Ge 2force464M 的圖形加速卡 。該配置下每秒 24-68幀之間 , 由于不同的陰影條件和視點(diǎn)高度的不同 , 處理的 多邊形和模型不同 , 造成幀率不同 。如在較高的視點(diǎn) 上 , 進(jìn) 行 的 可 視 剔 除 很 少 , 則 具 有 較 低 的 幀 率 , 為 25FPS; 而在近視點(diǎn)觀看景點(diǎn)時 , 較多的多邊形被剔除 ,幀率較高為 60FPS 。該系統(tǒng)可運(yùn)行在桌面 W

15、I N DOW S 平臺 , 也可用于 CAVE, 用頭盔 、 眼罩等來感受 。7 總 結(jié)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和 GI S 構(gòu)建虛擬景觀系統(tǒng)是一 個多學(xué)科多技術(shù)綜合應(yīng)用的課題 , 它用新的方式展現(xiàn) 景觀旅游 , 增強(qiáng)了旅游景觀的發(fā)布性和影響 。對旅游 景觀系統(tǒng)還需要繼續(xù)采用新技術(shù)和方法來優(yōu)化系統(tǒng)性 能 , 。該系統(tǒng)不是 GI S , , 空間分析功能較 。參考文獻(xiàn)1 裘偉延 . 虛擬旅游的喜與憂 . 旅游科學(xué) , 1999, 3:9-132 王靖濱 , 李明 , 耿衛(wèi)東等 . 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的景觀規(guī)劃系統(tǒng) . 中國圖形圖象學(xué)報(bào) , 2002, 43 朱炳貴 . 旅游地理信息系統(tǒng)的研究 . 國土資

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