趙建榮，江 浩

（第二炮兵工程大學(xué)，西安710025）

基于Creator的地形建模和仿真研究

趙建榮，江 浩

（第二炮兵工程大學(xué)，西安710025）

主要介紹了一種使用地形數(shù)據(jù)和相關(guān)地形信息，通過(guò)Multigen Creator軟件生成地形場(chǎng)景的方法。并對(duì)Creator軟件、地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及地形模型生成與仿真等都做了詳細(xì)講述，最后使用Vega Prime和VC＋＋6.0等工具建立了視景仿真環(huán)境并進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，地形顯示畫(huà)面運(yùn)行平穩(wěn)，可視化顯示視覺(jué)效果較好。

地形建模；數(shù)字高程數(shù)據(jù)；Multigen Creator軟件；視覺(jué)效果；仿真

1 引 言

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展使虛擬三維視景仿真技術(shù)得到了飛躍式的發(fā)展，在軍事訓(xùn)練、人員培訓(xùn)、工業(yè)生產(chǎn)和災(zāi)難預(yù)警等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。極大地推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，特別是在國(guó)防軍事領(lǐng)域，軍事斗爭(zhēng)、裝備試驗(yàn)和軍事訓(xùn)練的需要，促使戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真更貼近實(shí)戰(zhàn)，其重要性日益凸顯［1］。

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息主要包括河流、樹(shù)木、樹(shù)林、高山、峽谷及人造建筑物，模型能夠表現(xiàn)出高分辨率的細(xì)節(jié)信息和貼近真實(shí)的模型對(duì)象。而進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模與仿真時(shí)，需要使用者能夠恰當(dāng)處理海量數(shù)據(jù)信息，減少模型渲染過(guò)程產(chǎn)生的巨大計(jì)算量［2］。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)地形建模及其仿真技術(shù)已做了卓有成效的探索，通過(guò)使用LOD技術(shù)、選擇地圖投影模型、采用不同的地形轉(zhuǎn)換算法等方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、圖像顯示技術(shù)，使得進(jìn)行地形仿真建模和仿真研究成為一種比較成熟的工程手段［3－5］。

以Vega prime視景軟件、Mutigen Creator三維建模軟件、Global Mapper軟件為基礎(chǔ)工具，使用國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上公開(kāi)的地形數(shù)據(jù)及其航拍照片，采用LOD控制、紋理貼圖等方法，完成了某省幾十萬(wàn)平方公里區(qū)域的地形建模和仿真研究。仿真效果良好，紋理和地形匹配程度高，能夠滿足軍事訓(xùn)練和仿真作戰(zhàn)的需求。

2 地形可視化仿真建模

地形可視化仿真技術(shù)是一個(gè)繁雜的系統(tǒng)工程，無(wú)論從最初的仿真對(duì)象選定、圖形圖像處理能力評(píng)估到最終仿真系統(tǒng)的生產(chǎn)，這其中要經(jīng)歷相當(dāng)多的中間過(guò)程，如地形原始數(shù)據(jù)收集、梳理和修改，不同數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換、處理，三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、優(yōu)化，仿真系統(tǒng)的創(chuàng)建、調(diào)試和調(diào)整。

而在這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程中，最重要的任務(wù)是建立三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)。通俗一點(diǎn)講，三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)包含了許多多邊形的、能夠近似展示局部地球表面特征信息的“地圖”。實(shí)際工程中常常主要使用數(shù)字地面模型或數(shù)字高程模型（DEM），并采用高分辨率的航空攝影照片或衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，以及數(shù)字正攝影（DOM）的方法建立視覺(jué)效果真實(shí)的三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)［6］。

所謂的數(shù)字正影像（Digital Orthophoto Map，DOM）是使用數(shù)字高程模型對(duì)航空攝影照片或衛(wèi)星遙感照片，進(jìn)行逐像元輻射校正、微分糾正和鑲嵌的平面圖。DOM具有地圖幾何精度和影像特征，精度高、信息量大、創(chuàng)建周期短等特點(diǎn)，已普遍作為背景控制信息，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、災(zāi)害防治和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃等領(lǐng)域［7］。

2.1 獲得地形數(shù)據(jù)

創(chuàng)建地形數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，首先要收集地形數(shù)據(jù)庫(kù)所必需的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行必要的格式轉(zhuǎn)化，滿足仿真系統(tǒng)需求。目前獲得高程數(shù)據(jù)的方法很多，優(yōu)缺點(diǎn)各異。使用直接測(cè)量的方法能夠獲得與實(shí)際地形較為吻合、準(zhǔn)確度高的高程信息，但是這種方法也存在創(chuàng)建周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)投入巨大的缺點(diǎn)。

因此，對(duì)于一般的用戶受到經(jīng)費(fèi)和研究時(shí)間等因素的限制，不需要使用極高辨識(shí)度的地形信息，可以通過(guò)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)開(kāi)放的地理信息資源庫(kù)獲取用戶所需的地形高程信息數(shù)據(jù)，來(lái)滿足基本需要。例如，在http：／／data.geocomm.com／、http：／／datamirror.csdb.cn／（國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)）可以免費(fèi)下載ASTER GDEM全球30m分辨率的數(shù)字高程地形數(shù)據(jù)［8－9］。

2.2 高程數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

用戶通過(guò)國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)免費(fèi)下載全球30m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，其生成數(shù)據(jù)格式為.img格式。而Creator軟件不能直接打開(kāi).img格式的數(shù)據(jù)文件，需要使用Global Mapper軟件的格式轉(zhuǎn)換功能將該文件轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)據(jù)文件。

進(jìn)入Global Mapper軟件轉(zhuǎn)換生成的DEM數(shù)據(jù)文件目錄，鍵盤敲擊cmd命令：

Readusgs文件名稱.dem轉(zhuǎn)換后文件名.ded

使用Creator軟件自帶的DED文件生成器可以將DEM高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DED格式文件。諸如USGSSTOPO30、USGS STDS DEM等格式文件也能夠被DED文件生成器讀取并轉(zhuǎn)換。具體轉(zhuǎn)換步驟為：使用命令窗口執(zhí)行完該條命令數(shù)秒后，會(huì)自動(dòng)生成能夠被Creator軟件識(shí)別的.DED格式文件［10］。

2.3 選擇地形轉(zhuǎn)換算法

Creator提供了Ploymesh轉(zhuǎn)換算法、Delaunay轉(zhuǎn)換算法、Terrain Culture Triangulation（TCT）轉(zhuǎn)換算法和Continuous Adaptive Terrain（CAT）轉(zhuǎn)換算法四種不同類型的三角形化算法，用來(lái)將數(shù)字高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地形模型數(shù)據(jù)［11］。比較每一種地形轉(zhuǎn)換算法可知算法特征也很鮮明，其優(yōu)缺點(diǎn)差異較大。

在轉(zhuǎn)換中僅有一部分?jǐn)?shù)字高程數(shù)據(jù)被直接轉(zhuǎn)換為地形數(shù)據(jù)，參數(shù)的不同也會(huì)影響地形模型的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換后的顯示效果。在工程實(shí)際中需要綜合考慮系統(tǒng)性能、兼容性、三角帶化能力以及多邊形數(shù)量等多種影響因素來(lái)選擇適合的地形轉(zhuǎn)換算法。

3 地形紋理制作與添加

3.1 地形紋理制作

紋理是指那些被映射在三維模型表面的二維圖像，在不增加多邊形數(shù)量的前提下使用紋理能夠使模型獲得真實(shí)的視覺(jué)效果。而地形紋理是指包含地形坐標(biāo)信息的特殊紋理，利用所包含的地形坐標(biāo)信息，地形紋理能夠很好地匹配地形模型的多邊形。

制作地形紋理時(shí)通常使用衛(wèi)星圖片或航空?qǐng)D片等素材。其中衛(wèi)星圖片具有較好的辨識(shí)度，能夠直接反應(yīng)真實(shí)的地貌特征，不需處理。而互聯(lián)網(wǎng)上常見(jiàn)的衛(wèi)星圖片清晰度有限，需要經(jīng)過(guò)專門處理。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上公開(kāi)的衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)資源庫(kù)能夠獲得并下載地球任意地理位置的圖像，且分辨率極高?？梢酝ㄟ^(guò)將較大面積的地形利用經(jīng)緯度劃分為若干個(gè)小地形，并分別制作地形紋理，再將小地形紋理“拼接”起來(lái)完成地形紋理制作［12］。

3.2 LOD控制

根據(jù)系統(tǒng)仿真需求可以建立不同的細(xì)節(jié)層次，這有效提高了多邊形利用率，很好地解決了仿真渲染效果和實(shí)時(shí)性問(wèn)題，使系統(tǒng)獲得了更好的顯示效果。在可視化仿真過(guò)程中，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)距離模型的遠(yuǎn)近來(lái)選擇使用不同細(xì)節(jié)程度的模型對(duì)象。視點(diǎn)距離越近，使用越復(fù)雜的LOD細(xì)節(jié)，反之亦然。

但復(fù)雜程度越高的LOD就會(huì)產(chǎn)生更多數(shù)量的多邊形和三角形，在系統(tǒng)仿真時(shí)會(huì)生成大量的處理數(shù)據(jù)，大大增加了系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，會(huì)出現(xiàn)顯示效果降低的現(xiàn)象。

4 模型優(yōu)化與校正

地形模型由于其所含信息量大，在轉(zhuǎn)換、生成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些顯示失真、錯(cuò)位，從而在進(jìn)行場(chǎng)景仿真時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)跳幀、無(wú)法正常工作等現(xiàn)象。用戶可以通過(guò)Creator軟件對(duì)地形模型進(jìn)行優(yōu)化處理，以提高仿真渲染的逼真效果和實(shí)時(shí)性。

故需要使用Creator軟件中工具箱的特定功能來(lái)修改和編輯地形特征數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)等具體操作，使特征數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確地映射在地形模型的具體位置上。

5 應(yīng)用實(shí)例

三維地形建模的一般過(guò)程，如圖1所示。

將用Creator軟件工具制作場(chǎng)景中模型以及CTS生成的地景數(shù)據(jù)庫(kù)加載到Vega Prime中，使用大地形管理模塊（LADBM）進(jìn)行管理，可采用Vega prime的GUI和VC2003.NET聯(lián)合進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成場(chǎng)景的仿真實(shí)驗(yàn)。線程是進(jìn)程內(nèi)部的一個(gè)基本執(zhí)行路徑，可視為可執(zhí)行代碼的最小單元。它具有共享內(nèi)存單元的特點(diǎn)，能夠提高顯示效果。因此，使用Vega Prime實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景管理調(diào)用是基于線程。

圖1 三維地形建模過(guò)程

仿真系統(tǒng)的硬件平臺(tái)環(huán)境為使用英特爾雙核處理器，CPU 2.5GHz，內(nèi)存為4G，顯卡為NVIDIA GeForce GT 650M，顯存2G，顯示分辨率為1600× 900。在渲染漫游過(guò)程中禎畫(huà)面比較流暢，基本上滿足了仿真要求。

具體運(yùn)行效果如圖2所示。

圖2 仿真運(yùn)行效果圖

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，可視化視景仿真技術(shù)日臻完善，已被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域。特別是在國(guó)防和軍事領(lǐng)域，地形仿真發(fā)揮了重要作用，將有更為廣泛的運(yùn)用。

結(jié)合某省三維地形的應(yīng)用實(shí)例，討論了地形建模和可視化仿真的過(guò)程和關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)地形仿真三維模擬環(huán)境特點(diǎn)，使用了一些卓有成效的優(yōu)化技術(shù)和校正方法，具有一定的應(yīng)用和參考價(jià)值。

［1］王揚(yáng)，郭晨，章曉明.現(xiàn)代仿真器技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012－12－01.

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Study on Terrain Modeling and Simulation Based on Creator

ZHAO Jian－rong，JIANG Hao
（The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China）

Based on Creator software，the method，using terrain data and related information to simulate terrain scene，is researched.This paper mainly introduces Creator software，terrain date transformation and the whole process of terrain modeling and simulation.Finally，it establishes and develops the visual simulation environment on the basis of Vega Prime and VC＋＋6.0.The result of the experiment shows that it operates smoothly and has superior visual effect.

Terrain modeling；DEM；Multigen Creator software；Visual effect；Simulation

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.014

TP391.9

：A

：1002－2279（2014）06－0047－03

趙建榮（1991－），男，甘肅武威人，在讀碩士研究生，主研方向：虛擬現(xiàn)實(shí)、視景仿真研究。

2014－03－11