王飛群，張新家，張慧翔，孫抒涵

（西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安710129）

基于OSG的城市三維綜合網(wǎng)管可視化系統(tǒng)研究

王飛群，張新家，張慧翔，孫抒涵

（西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安710129）

隨著城市的發(fā)展，城市網(wǎng)管也越來(lái)越錯(cuò)綜復(fù)雜，致其規(guī)劃管理混亂。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，基于OSG三維渲染引擎和Blender三維建模工具，對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和三維建模的具體流程進(jìn)行研究，結(jié)合系統(tǒng)開發(fā)及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，建立了城市三維綜合網(wǎng)管可視化系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以對(duì)城市綜合網(wǎng)管進(jìn)行更科學(xué)的規(guī)劃和管理，具有很好的交互性和平臺(tái)無(wú)關(guān)性。

城市綜合網(wǎng)管；三維建模；OSG；可視化系統(tǒng)

城市綜合網(wǎng)管是城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，與城市地下空間的規(guī)劃、開發(fā)、和利用息息相關(guān)。城市綜合管網(wǎng)包括雨水管線，排、給水管線、電力、電信管線、燃?xì)夤芫€等［1］，是一個(gè)城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。城市網(wǎng)管因其種類之多、分布之廣、關(guān)系之復(fù)雜、以及增長(zhǎng)速度之快，已經(jīng)使城市地下網(wǎng)管從單一、明了的形式發(fā)展成為了錯(cuò)綜復(fù)雜、功能繁多的復(fù)雜局面，因城市綜合網(wǎng)管埋設(shè)不清，建設(shè)規(guī)劃不周而導(dǎo)致重復(fù)開挖路面的事情經(jīng)常發(fā)生，施工造成網(wǎng)管損壞的事故也接連不斷。2014年11月25、26日，《焦點(diǎn)訪談》欄目分別以《理不清的地下管線》和《筑牢城市根基》為題，連續(xù)兩天播出拍攝內(nèi)容。被稱作城市“生命線”的地下管線，如今已經(jīng)越來(lái)越多的引起人們的關(guān)注和重視。掌握好城市綜合管網(wǎng)的分布情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地下空間的統(tǒng)一規(guī)劃和科學(xué)管理，必將成為確保城市可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

初期的地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)主要是二維圖形管理，其空間表現(xiàn)能力和空間分析能力都有很大的局限性，缺乏直觀性，無(wú)法表現(xiàn)管線之間的空間關(guān)系［2］。綜合管網(wǎng)覆蓋地區(qū)的地下環(huán)境情況復(fù)雜，各種地下網(wǎng)管縱橫交錯(cuò)，因此綜合網(wǎng)管的垂直數(shù)據(jù)信息就非常重要，顯然，這是二維的網(wǎng)管信息系統(tǒng)做不到的。為了促進(jìn)城市的發(fā)展，保障人民生活，建設(shè)三維的城市綜合網(wǎng)管可視化系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。

針對(duì)以上問(wèn)題，基于OSG和WxWidgets，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了城市綜合網(wǎng)管三維可視化信息系統(tǒng)。利用三維建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)對(duì)城市綜合網(wǎng)管進(jìn)行綜合處理和集成管理，使得綜合網(wǎng)管具有更加直觀、立體的可視化效果。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)需求分析

作為一個(gè)城市綜合網(wǎng)管三維可視化信息系統(tǒng)，其需求主要體現(xiàn)在兩方面：普通用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)，查詢相關(guān)信息；管理員及管網(wǎng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)應(yīng)用程序，對(duì)反映城市綜合網(wǎng)管現(xiàn)狀、規(guī)劃、變遷的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等操作。

為了滿足以上需求，城市綜合網(wǎng)管三維可視化系統(tǒng)的主要有以下特點(diǎn)：1）應(yīng)用程序：首先有一個(gè)可視化的界面框架，方便相關(guān)用戶進(jìn)行工程管理、屬性管理、模型載入等一系列操作；其次，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等工具，進(jìn)行可視化配置，靈活構(gòu)建管網(wǎng)環(huán)境，查詢管網(wǎng)信息。2）瀏覽器：普通用戶通過(guò)瀏覽器端（web端）對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的訪問(wèn)及查看。

1.2系統(tǒng)總體框架

根據(jù)以上系統(tǒng)的需求分析，結(jié)合B/S、C/S等架構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)分為應(yīng)用程序、瀏覽器、服務(wù)器，用戶等幾個(gè)主要部分，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

基于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)框架依照應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)層三層而設(shè)計(jì)，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2　數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)層接收驅(qū)動(dòng)層的請(qǐng)求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和保存操作，為驅(qū)動(dòng)層提供了可供調(diào)用的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。應(yīng)用程序、瀏覽器各項(xiàng)操作的進(jìn)行以及三維場(chǎng)景的渲染，都是對(duì)三維數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)用及訪問(wèn)。因此，為了保證應(yīng)用程序和瀏覽器通過(guò)驅(qū)動(dòng)層調(diào)用的數(shù)據(jù)便于維護(hù)并具有通用性，必須采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述格式。文中應(yīng)用程序端以及瀏覽器端所調(diào)用的三維模型均采用DAE文件格式來(lái)描述，最終將DAE文件存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

DAE（Digital Asset Exchange）是全面的開放三維數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)COLLADA，采用XML語(yǔ)法格式，需要COLLADA庫(kù)的支持。COLLADA是由索尼（Sony）提出的基于XML的一個(gè)開放的、免費(fèi)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。XML是制定用于描述數(shù)據(jù)文檔中數(shù)據(jù)的組織和安排結(jié)構(gòu)的語(yǔ)言，不但結(jié)構(gòu)清晰，而且完全以文本方式存儲(chǔ)，所以通過(guò)任何一種編輯工具都可以對(duì)其進(jìn)行查看和修改，用戶編輯非常方便［3］。正因?yàn)镃OLLADA基于XML技術(shù)，所以這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有著十分優(yōu)秀的移植性，居于不同平臺(tái)的實(shí)時(shí)引擎只要支持這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就可以實(shí)時(shí)表現(xiàn)三維模型。

例如，可以將一個(gè)場(chǎng)景中的相機(jī)描述成如下文件：

此外，城市綜合網(wǎng)管的數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量特別大；存在大量的空間數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)應(yīng)用的范圍非常廣。目前流行的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在直接管理城市綜合網(wǎng)管的空間數(shù)據(jù)方面存在著明顯的不足。在城市三維綜合網(wǎng)管信息系統(tǒng)中，需要管理的數(shù)據(jù)主要包括：空間幾何體數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化的非空間屬性數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化的描述數(shù)據(jù)［4］。我們不采用傳統(tǒng)的某一單一的數(shù)據(jù)模型，而是采用建立在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（RDBMS）基礎(chǔ)上的綜合數(shù)據(jù)模型，采用文件結(jié)合關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理的方式（如圖3所示），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，最后建立三維數(shù)據(jù)庫(kù)，采用的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件為MySQL。

圖3　數(shù)據(jù)庫(kù)管理模型

3　三維建模

三維建模是城市三維綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。實(shí)際的管網(wǎng)及部件類型復(fù)雜多樣，在建模之前，首先要按照性質(zhì)將其分類，如直管（水管等）、閥門、三通等。然后使用開源的第三方建模工具Blender，它自帶基本圖形，如立方體、圓柱體、椎體、球體等建模過(guò)程中需要的幾何圖形，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行一系列的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸、布爾運(yùn)算等操作，可以精確構(gòu)造綜合網(wǎng)管的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行渲染，產(chǎn)生很好的可視化效果。在建模的過(guò)程中，需遵循如下原則［5］：真實(shí)合理性原則；去除模型冗余多邊形原則；主次分明原則；盡量使用簡(jiǎn)單建模方式，避免不兼容原則；精細(xì)程度適度，避免過(guò)分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)原則；盡量以紋理映射方式來(lái)解決模型數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題。

Blender是一款開源的3D制作軟件，它采用模塊化的搭建，對(duì)復(fù)雜的功能也只需進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置，有利于開發(fā)大型項(xiàng)目。并且Blender軟件本身的建模功能十分強(qiáng)大，在模型和 3D引擎的結(jié)合上具有很好的兼容性［6］，同時(shí)，Blender提供了強(qiáng)大的Python API支持，可以使用自動(dòng)化的腳本來(lái)完成幾何建模、貼圖和渲染工作。使用Blender及其部件得到城市綜合管網(wǎng)及其各部件的三維模型的過(guò)程為：首先，計(jì)算管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)，并使用Python語(yǔ)言將其表達(dá)為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的程序模型。其次，使用Blender提供的Python API編寫運(yùn)行腳本。執(zhí)行腳本時(shí)，Blender調(diào)用城市綜合網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，最終生成三維模型。如圖4所示。

圖4　綜合網(wǎng)管三維生成流程

4　系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

4.1應(yīng)用程序

城市三維綜合網(wǎng)管可視化系統(tǒng)在應(yīng)用程序端使用VS2010為開發(fā)平臺(tái)，wxWidgets為 GUI框架，結(jié)合 OSG（OpenSceneGraph）三維渲染引擎開發(fā)完成。OSG使用OpenGL底層渲染API，并由一系列高性能的三維圖形學(xué)功能模塊組成，主要為三維圖形圖像系統(tǒng)的開發(fā)提供場(chǎng)景管理和圖形渲染的功能［7］。OSG是一套基于C++平臺(tái)的開源API［8］，可以更加快速便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺(tái)的交互式圖形程序。OSG將Blender輸出的模型從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取出來(lái)，組織為三維場(chǎng)景空間中的一系列對(duì)象，進(jìn)行場(chǎng)景管理和優(yōu)化渲染。wxWidgets是一個(gè)開源的跨平臺(tái)的C++構(gòu)架庫(kù)（framework），它可以提供GUI和其他工具。將wxWidgets與OSG相結(jié)合，具有很好的平臺(tái)無(wú)關(guān)性。

應(yīng)用程序的主要用戶為開發(fā)設(shè)計(jì)人員，如圖5所示。GUI界面包含系統(tǒng)菜單、屬性窗口、仿真輸出窗口，界面交互非常友好。整個(gè)應(yīng)用程序主要包含以下幾個(gè)功能模塊：

1）三維瀏覽，通過(guò)放大或者縮小場(chǎng)景，用戶可以在仿真輸出窗口中瀏覽管網(wǎng)工程及管網(wǎng)部件的三維視圖，并且可以切換視角。

2）工程管理，使用鼠標(biāo)或者鍵盤對(duì)管網(wǎng)部件進(jìn)行拖拽、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要得到預(yù)期的工程場(chǎng)景。此外，通關(guān)在屬性窗口中設(shè)置部件的屬性，可以改變部件的規(guī)格，比如縮短一個(gè)直管部件的長(zhǎng)度。

3）場(chǎng)景漫游，系統(tǒng)使用OSG軌跡球方式，可以在虛擬的三維管網(wǎng)場(chǎng)景中進(jìn)行觀察。

4）信息查詢，利用OSG及wxWidgets三維交互及拾取功能，用戶點(diǎn)擊管網(wǎng)或者部件，根據(jù)拾取到的信息，程序會(huì)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，將查詢到的所需信息顯示到輸出窗口中。

圖5　應(yīng)用程序效果圖

4.2web端

在web端使用WebGL和HTML5來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用了Three. js的框架來(lái)實(shí)現(xiàn)三維模型的渲染。WebGL是一項(xiàng)新的Web3D圖形標(biāo)準(zhǔn)，使用了 Canvas的 WebGL正好貼合HTML5。WebGL API廣泛應(yīng)用于目前幾乎所有的新型智能手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備，JavaScript是WebGL的唯一入口。

Three.js是一個(gè)開源的javascript框架，掩蓋了3D渲染的細(xì)節(jié)，將WebGL原生API的細(xì)節(jié)抽象畫，將3D場(chǎng)景拆解為網(wǎng)格、材質(zhì)和光源［9］。由于WebGL本身并不提供拾取功能，Three.js封裝了Raycaster類來(lái)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)獲取的物體，使添加旋轉(zhuǎn)，改變視角等交互功能變得輕松。

要渲染物體到網(wǎng)頁(yè)中，需要3個(gè)組建：場(chǎng)景（scene）、相機(jī)（camera）和渲染器（renderer）。創(chuàng)建后才能將物體渲染到網(wǎng)頁(yè)中去，加載一個(gè)簡(jiǎn)單模型的過(guò)程分為4個(gè)主要步驟：

1）服務(wù)器上的模型文件以文本的方式存儲(chǔ)，Three.js支持很多種3D模型格式，在此使用DAE文件來(lái)存儲(chǔ)物體，使用xm l文件來(lái)管理場(chǎng)景中的多個(gè)過(guò)程。

2）瀏覽器下載xml配置文件和DAE模型文件到本地。

3）Javascript解析文件，生成Mesh模型，獲取平移旋轉(zhuǎn)和縮放參數(shù)并添加到場(chǎng)景中。

4）顯示場(chǎng)景，渲染，調(diào)用requestAnimationFrame（）來(lái)實(shí)現(xiàn)更新。

在網(wǎng)頁(yè)上渲染出結(jié)果如圖6所示。

圖6　WebGL渲染三維網(wǎng)管模型

5　結(jié)束語(yǔ)

城市綜合網(wǎng)管作為城市最重要的組成部分之一，建立功能強(qiáng)大、交互性好的三維城市綜合網(wǎng)管可視化系統(tǒng)迫在眉睫。由于OSG、Blender及wxWidgets都具有高性能、跨平臺(tái)、開源免費(fèi)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于該系統(tǒng)的開發(fā)，降低了開發(fā)成本，還具有很好的可移植性、可擴(kuò)展性及平臺(tái)無(wú)關(guān)性。使用該系統(tǒng)可以對(duì)城市綜合網(wǎng)管進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃和管理，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

［1］黨增明.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市地下空間可視化的應(yīng)用［D］.天津：天津城市建設(shè)學(xué)院:2008

［2］陳子輝.虛擬三維地下管網(wǎng)建模技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn) ［D］.天津：天津大學(xué)，2009.

［3］劉瑞恒，張新家，張婷婷.基于設(shè)計(jì)模式的圖形組態(tài)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.微處理機(jī)，2011（1）:67-70.

［4］上海市信息化委員會(huì).城市地理信息系統(tǒng)——原理、應(yīng)用與項(xiàng)目管理［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［5］黃海林.虛擬實(shí)驗(yàn)三維建模技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

［6］張斌，陳春歌.Blender在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013（8）:140-142.

［7］尹志永，王濤，徐瑩，等.基于OSG的城市三維GIS系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.城市勘測(cè)，2015（1）:52-55.

［8］王銳，錢學(xué)雷.OpenSceneGraph三維渲染引擎設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［9］Jos，Dirksen.Three.js開發(fā)指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

Research of 3D general pipeline visualization system in cities based on OSG

WANG Fei-qun，ZHANG Xin-jia，ZHANG Hui-xiang，SUN Shu-han
（School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

With the development of cities，pipelines in the city are getting more complicated，lead to chaos in the management.In order to solve this problem，based on 3D rendering engine and Blender，which is the 3Dmodeling tools，research goes deep into the general design of system and specific process of 3D modeling，combined with the critical techniques in the development and achievement of system，conceive a visualization system of 3D general pipeline in cities. Using this system could achieve more scientific planning and management towards general pipelines in the city，it is platform-independentand hasgreat interactivity.

general pipeline of cities；3Dmodelling；OSG；visualization system

TN919.82

A

1674-6236（2016）19-0025-03

2015-10-20稿件編號(hào)：201510137

西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)意創(chuàng)新種子基金（Z2015130）

王飛群（1991—），女，山西晉城人，碩士。研究方向：三維可視化仿真、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等。