柯 健，李亞琴，任 平

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程系，江蘇 蘇州 215104)

虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高度逼真地模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬.在虛擬現(xiàn)實(shí)中對(duì)自然景觀(地形、植物、云、海等)的模擬是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的研究難點(diǎn)，其中的地形是對(duì)真實(shí)世界的反映，包括平原、山脈、丘陵、河流和懸崖等.

地形的生成有符合分形布朗運(yùn)動(dòng)[1-2]的空間曲面的分形合成方法，分形技術(shù)關(guān)注物體的隨機(jī)性、奇異性和復(fù)雜性，通過(guò)變換和迭代的過(guò)程得到不規(guī)則幾何形態(tài).常用分形技術(shù)包括泊松階躍法、逆傅里葉變換法、隨機(jī)中點(diǎn)位移法等[3].但使用分形技術(shù)生成的地形具有不可預(yù)測(cè)性，不能事先知道生成地形的形狀，這種方法適用于不需要真實(shí)還原的場(chǎng)景.而基于真實(shí)地形數(shù)據(jù)的地形生成可以生成具有真實(shí)感的地形圖，根據(jù)真實(shí)地形數(shù)據(jù)的地形生成大多采用數(shù)字地形模型(digital terrain model，DTM)或者數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)[4]，DTM是地形表現(xiàn)形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述.DTM中地形屬性為高程時(shí)稱(chēng)為DEM，DTM數(shù)據(jù)由在規(guī)則網(wǎng)格地形圖上采樣所得高程值構(gòu)成，并與飛機(jī)或衛(wèi)星上所拍攝的遙感紋理圖像數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng).對(duì)于大范圍的地形區(qū)域，使用DTM或DEM實(shí)現(xiàn)地形渲染，雖然精度高，但因數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，即使在高性能的圖形硬件平臺(tái)上要進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，也很難實(shí)現(xiàn).

本文利用高度圖和DEM數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了具有真實(shí)感地形的生成.

1 高度圖

高度圖(height map)是根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)地形生成的，不是由三角平面模擬的，但在三維世界里常使用三角形代替地形的表面，高度圖是一張灰度圖，其與位圖不同的是，它把像素的顏色值映射為地形的高度值，存儲(chǔ)地形的高度數(shù)據(jù)，每個(gè)像素表示一個(gè)0～255之間的高度值，0表示地平面，255表示地形最高點(diǎn).

高度圖可以從真實(shí)的遙感圖像和航空照片處理得到，或者通過(guò)Photoshop圖像軟件繪制得到.高度圖如圖1所示.

2 地形的生成

基于高度圖生成地形的關(guān)鍵在于將高度圖的像素值轉(zhuǎn)換成地形的高程數(shù)據(jù)，一種可行的方法是在高度圖的像素值與地形高程數(shù)據(jù)之間建立起線性映射關(guān)系.對(duì)于高度圖，先從水平、垂直方向劃分為間距相等的網(wǎng)格，例如高度圖像素為193×193，分塊為3，則劃分成的網(wǎng)格為65×65，再找到網(wǎng)格交點(diǎn)處像素的最大和最小灰度值，然后根據(jù)DEM數(shù)據(jù)獲得該地形的最大、最小高度，得到地形高度所在的區(qū)間，從而建立起高度圖像素的灰度值與地形高程之間的映射關(guān)系.為了表達(dá)一切盡可能的地形高度值，可以用浮點(diǎn)表示，對(duì)該區(qū)間的高度值進(jìn)行適當(dāng)放大或縮小.

圖1 高度圖

下面為基于高度圖對(duì)地形生成的實(shí)現(xiàn).

一些主要數(shù)據(jù)變量如下:

image:指定高度圖的圖像文件.必須是一個(gè)像素?cái)?shù)為2n+1的正方形，高度圖越大，地形就越詳細(xì)，但是所耗費(fèi)的資源也就越多.

terrainWidth，terrainHeight:地形有terrainWidth×terrainHeight個(gè)頂點(diǎn)，必須與高度圖的像素?cái)?shù)相同，terrainWidth和terrainHeight數(shù)值是2n+1.

tileSize:每個(gè)地形塊的大小，地形塊有tileSize ×tileSize個(gè)頂點(diǎn).這個(gè)數(shù)值必須小于terrainWidth，terrainHeight.tileSize的值也必須滿(mǎn)足2n+1.

numTilesCol:地形塊的列數(shù)，它的值滿(mǎn)足(terrainWidth-1) / (tileSize-1).

numTilesRow:地形塊的行數(shù)，它的值滿(mǎn)足(terrainHeight-1) / (tileSize-1).

info:為地形信息TerrainInfo類(lèi)的對(duì)象.

TileTerrainInfo:為地形塊TileTerrainInfo類(lèi)的對(duì)象.

Tiles:為地形網(wǎng)格TileGrid類(lèi)的對(duì)象.

地形生成的流程如下:

1) 讀取高度圖，根據(jù)高度圖的像素個(gè)數(shù)得到地形的頂點(diǎn)數(shù).

image.load("heightmap.png"，"heightmap");

2) 計(jì)算高度圖每個(gè)像素的顏色值，得到地形在該點(diǎn)處的高度值并存儲(chǔ)到數(shù)組中.

3) 根據(jù)指定地形塊的大小，計(jì)算地形塊的列數(shù)和行數(shù).

4) 對(duì)于每個(gè)地形塊創(chuàng)建一個(gè)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)，并把它渲染顯示.

根據(jù)圖1生成的部分地形見(jiàn)圖2.

3 結(jié) 論

本文對(duì)三維地形的生成進(jìn)行了深入的研究，分析了基于分形布朗運(yùn)動(dòng)分形技術(shù)的地形生成和基于數(shù)字地形模型的地形生成，并利用高度圖的灰度級(jí)特性，在高度圖的像素與DEM數(shù)據(jù)之間建立映射關(guān)系，通過(guò)這種映射關(guān)系，可以創(chuàng)建出光滑的地形，并可根據(jù)高度值生成能表現(xiàn)多種地表特征的紋理，從而得到效果逼真的地形景觀.另外在游戲或者虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，基于高度圖的實(shí)時(shí)地形渲染，可以快速檢測(cè)到用戶(hù)的操作以及場(chǎng)景中物體與地形之間發(fā)生的碰撞，從而計(jì)算出相應(yīng)的碰撞反應(yīng)，并更新顯示碰撞結(jié)果.

圖2 地形圖

[1] 李耀輝，周麗莉. 虛擬現(xiàn)實(shí)中三維仿真地形的生成[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(4):280-282.

[2] 夏偉杰，周建江. 典型地形SAR回波模擬與SAR圖像仿真[J]. 遙感學(xué)報(bào)，2009，13(3):404-408.

[3] 吳鳳娟，刁永鋒. Diamond-Square細(xì)分算法的三維地形交互生成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2008(5):66-68.

[4] 曾維，韓占校，朱學(xué)芳. LOD算法在3D地表模擬中的應(yīng)用研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(1):292-294.