李朝新，張俊平，吳利青

(山西省地圖院，山西 太原 030002)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的GIS立體顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李朝新，張俊平，吳利青

(山西省地圖院，山西 太原 030002)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，通過視、聽、觸覺等作用，使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真技術(shù)，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征。本文主要闡述了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與地理信息技術(shù)相結(jié)合，建設(shè)GIS立體顯示系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；GIS三維模型；3D立體顯示；人機(jī)交互

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是根據(jù)現(xiàn)實(shí)或想象利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造一個多維空間的虛擬場景，提供用戶關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等的感官模擬，讓用戶身臨其境[1]，并以用戶的視點(diǎn)變化與虛擬場景時時進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了對真實(shí)世界的模擬[2]。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)立體成像算法，優(yōu)化GIS三維模型立體成像，建成可動態(tài)交互的實(shí)時3D生成系統(tǒng)，系統(tǒng)不但具備自主漫游、定位等虛擬現(xiàn)實(shí)基本功能，還可以實(shí)時生成3D效果，更具交互性和實(shí)用性。系統(tǒng)可以使用3D電視、投影機(jī)等多種顯示終端進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)大場景三維數(shù)據(jù)的高效可視化；可以采用遙控器、健身自行車等多種控制方式進(jìn)行控制交互，為用戶提供現(xiàn)實(shí)性更強(qiáng)的立體感受和視覺上的沖擊。

與GIS二維顯示相比，本系統(tǒng)能顯示深度信息，因而能更全面地認(rèn)識事物的形狀和運(yùn)動情形，使用戶獲得身臨其境的感受；與GIS三維顯示相比，增強(qiáng)了虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感，具有現(xiàn)實(shí)性更強(qiáng)的交互方式和交互體驗(yàn)。本文以長治市城南生態(tài)苑為建設(shè)對象，對引用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)GIS立體顯示系統(tǒng)作了初步探討。

一、建設(shè)目標(biāo)

引用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)GIS立體顯示系統(tǒng)，完成以下建設(shè)目標(biāo)：①采用地形、水系和道路等地理信息數(shù)據(jù)，與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合構(gòu)建場景模型，實(shí)現(xiàn)三維模型與地理信息數(shù)據(jù)的一體化管理；②基于Unity3D引擎，優(yōu)化了立體顯示算法，實(shí)時生成互動立體圖像對，實(shí)現(xiàn)三維場景同步立體顯示；③采用健身自行車運(yùn)動傳感器，通過控制視點(diǎn)位置和視線方向，實(shí)現(xiàn)立體場景漫游的實(shí)時交互；④采用場景優(yōu)化和腳本優(yōu)化兩種方式進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，使系統(tǒng)運(yùn)行流暢、反應(yīng)靈敏。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)分為3部分：數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1) 數(shù)據(jù)層。包含三維模型與專題數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫、DOM影像數(shù)據(jù)和DEM高程數(shù)據(jù)。

2) 邏輯層。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯是通過在Unity3D引擎中編寫腳本代碼控制實(shí)現(xiàn)的。腳本功能分為以下幾類：行為控制腳本，用于控制攝像機(jī)在三維場景中的運(yùn)動；UI控制腳本，用于繪制各種UI界面；立體顯示算法腳本，用于生成具有視差的左右立體圖像對；終端控制模塊，能夠驅(qū)動健身自行車等終端設(shè)備。

3) 應(yīng)用層。為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，包含三維仿真、立體顯示及人機(jī)交互。

2. 系統(tǒng)功能

GIS立體顯示系統(tǒng)建設(shè)模塊主要包括漫游瀏覽、特色視點(diǎn)、精品路線、3D立體顯示、健身車互動等幾個模塊，如圖2所示。

圖2 GIS立體顯示系統(tǒng)建設(shè)模塊

(1) 漫游瀏覽模塊

實(shí)現(xiàn)自主式三維虛擬場景漫游瀏覽功能，如前進(jìn)、后退、平移、旋轉(zhuǎn)等。系統(tǒng)采用鼠標(biāo)和觸控一體化的設(shè)計(jì)方式，滿足用戶采取多種交互方式任意瀏覽目標(biāo)區(qū)域三維場景的需要。

(2) 特色視點(diǎn)模塊

實(shí)現(xiàn)三維場景內(nèi)主要景點(diǎn)的自動定位功能，選擇感興趣的視點(diǎn)，則系統(tǒng)自動定位到此景點(diǎn)。系統(tǒng)后臺連接屬性數(shù)據(jù)庫，并與三維模型掛接，若需進(jìn)一步了解詳情，單擊即可彈出信息框，顯示其詳細(xì)信息。

(3) 精品路線模塊

根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定了若干條不同觀看角度，不同偏重內(nèi)容的瀏覽路徑，沿著事先規(guī)定的路徑，選擇任一線路，即可模擬沿所選線路進(jìn)行漫游。

(4) 3D立體顯示模塊

切換至3D立體顯示模式下，系統(tǒng)采用場(幅)分隔法實(shí)現(xiàn)人工立體顯示。顯示終端分為主動快門式和被動偏振光式兩種。顯示終端為3D電視機(jī)時，帶上主動快門式眼鏡后，即可觀看3D立體效果；顯示終端為雙投影機(jī)時，帶上偏振光眼鏡后，即可觀看3D立體效果。

(5) 健身車互動模塊

在健身車互動模式下，用戶可在自行車上通過車頭控制方向，系統(tǒng)根據(jù)腳踏的速度快慢控制前進(jìn)的速度；系統(tǒng)配置了碰撞檢測系統(tǒng)，遇到建筑物、樹木等會進(jìn)行判斷，不會穿越地物[3]，使得自行車能夠在正常路面上行進(jìn)。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1. 系統(tǒng)平臺與開發(fā)軟件

Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的三維游戲平臺，能夠處理大量的三維模型[4],并具有跨平臺多系統(tǒng)(iOS、MAC、Windows、Android、Web)支持功能[5]，可方便人們通過網(wǎng)頁、手機(jī)APP、電腦客戶端等多種途徑瀏覽本系統(tǒng)，以上功能為系統(tǒng)構(gòu)建提供技術(shù)支撐。在Unity3D中，當(dāng)前主要使用JavaScript，C#及Boo Script類型的腳本進(jìn)行二次開發(fā)。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率，以其強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)雅的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語言[6]。因此本系統(tǒng)選用應(yīng)用廣泛的C#進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)。

2. 三維場景搭建

三維場景主要通過地形等大的地理要素和三維模型數(shù)據(jù)來表現(xiàn)[7]。地形采用數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，并在其上疊加數(shù)字正射影像(DOM)數(shù)據(jù)。將構(gòu)建的DEM和配準(zhǔn)后的DOM通過Globemapper軟件和ArcGIS軟件處理為三維模型和紋理貼圖數(shù)據(jù)在Unity3D中使用，以此解決Unity3D對空間數(shù)據(jù)的不兼容問題。三維模型數(shù)據(jù)包含建筑、道路、路面、綠化、小品等。將三維模型數(shù)據(jù)庫中的3dsMax模型導(dǎo)出為FBX格式，再導(dǎo)入Unity3D工程文件的Assets目錄下使用[8-9]。然后設(shè)置環(huán)境部分，包括天空、燈光等。最終對場景整體進(jìn)行陰影烘焙處理和水面效果的渲染處理。

3. 數(shù)據(jù)載入及屬性顯示

利用3ds Max建模軟件按要素分類分別建立地物模型，創(chuàng)建幾何圖形文件，建立要素屬性值表文件，并對各屬性記錄賦對應(yīng)模型索引值，在Unity3D工程文件下建立工程信息樹，通過模型索引，鏈接對應(yīng)的屬性信息。顯示模型屬性的部分代碼如下：

public stringqueryName(string dest)

{ …

Listquerys=dbManager.Query(

"SELECT " +"name1 " +"FROM " +"cnstyshuxingbiao " +"where name=′" + dest + "′ " +"ORDER BY " +"name1 ");

return querys[0].name1.ToString() ;

… }

4. 立體顯示

系統(tǒng)根據(jù)人眼立體視覺原理，利用雙目視差實(shí)現(xiàn)立體成像。先采用立體顯示算法實(shí)時生成水平方向在不同視線參數(shù)時的左右立體圖像對，再利用硬件(立體顯示終端)實(shí)現(xiàn)左右眼分像，使左眼只觀看左圖像，右眼只觀看右圖像，從而使場景展現(xiàn)出立體感[10]。

(1) 立體顯示算法

要實(shí)現(xiàn)三維場景的立體顯示，首先必須得到符合三維特征的立體圖像對。方法是先在三維場景中設(shè)置左右相機(jī)，相當(dāng)于一雙虛擬眼睛，通過這雙眼睛來觀察設(shè)計(jì)三維場景，再按照傳統(tǒng)的單目三維圖形生成方法分別生成左右圖像。即計(jì)算左右相機(jī)的視線向量，取得左右眼的圖像，由于左右圖像的相關(guān)性很強(qiáng)，物體在左右圖像上通常只有一個視差d，而其色彩與亮度值相差很小，可以利用這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)立體圖像對生成的快速算法，如圖3所示。

圖3

(x,y,z)=(x′,y′,f)L/d

式中，(x′,y′)是左像平面中Pl的平面坐標(biāo)，因此視差d與z滿足

d=(L·f)/z

根據(jù)形成人工立體視覺所具備的條件，得到視差

d=x1-xr=(L·f)/z

(1)

即

(2)

式中，L為左右焦點(diǎn)之間的間距；f為焦距；d為兩眼的視差。

系統(tǒng)按照以上算法，根據(jù)左右相機(jī)不同的視線向量，計(jì)算生成右眼圖的同時，利用式(2)計(jì)算左眼圖，以生成具有視差的左右立體圖像對，如圖4所示。

圖4

(2) 立體顯示終端

立體顯示終端主要分主動快門式(3D電視機(jī))和被動偏振光式(雙投影機(jī))兩種方式。本系統(tǒng)采用3D電視機(jī)作為立體顯示終端，立體顯示方法為：3D電視機(jī)具有將左、右眼畫面快速交替顯示的功能。3D液晶眼鏡接收到發(fā)射器的同步信號，左、右液晶快門交替開關(guān)，開關(guān)的頻率與屏幕上圖像的替換頻率相同。在120 Hz的刷新頻率下，能夠得到較平穩(wěn)的圖像。利用人眼的視覺延遲就可以獲得立體視覺。本系統(tǒng)中所開發(fā)的立體顯示功能的摘要代碼如下：

void Update ()

{ …

DoAutoEyeParameters();

if(stereoMode!=StereoModes.Disabled&&rightCamera)

{ …

if (!m_stereo.isStereoEnabled() ‖ m_stereo.convergency!=Stereoskopix.ConvergencyMode.Parallel)

{

m_stereo.DisableStereo();

m_stereo.convergency=

Stereoskopix.ConvergencyMode.Parallel;

m_stereo.EnableStereo(leftCamera, rightCamera, null, null);

}

m_stereo.stereoMode=

Stereoskopix.StereoMode.ActiveStereo;

m_stereo.parallaxDistance=parallaxDistance;

m_stereo.interaxial=eyeDistance;

}

… }

5. 人機(jī)交互控制

系統(tǒng)采用遙控器、健身自行車等設(shè)備作為人機(jī)交互控制方式，實(shí)時更改視點(diǎn)的位置和視線的方向，以實(shí)現(xiàn)對立體場景漫游的實(shí)時交互控制。

(1) 遙控器控制方式

系統(tǒng)邏輯層中的終端控制模塊中設(shè)置一系列針對鍵盤操作的指令，將遙控器的控制按鈕映射鍵盤指令，即可實(shí)現(xiàn)遙控器對系統(tǒng)的操作。

(2) 健身自行車控制方式

系統(tǒng)建設(shè)了專門針對健身自行車的邏輯層控制插件，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，這一層的模塊會自動處理健身自行車發(fā)送過來的事件，把健身自行車的操作事件轉(zhuǎn)換成一些定義好的事件轉(zhuǎn)發(fā)給Unity3D，Unity3D腳本中定義響應(yīng)函數(shù)中添加事件的處理代碼，從而實(shí)現(xiàn)健身自行車的接入。本系統(tǒng)中所開發(fā)的連接智能健身車功能的代碼如下：

void Update()

{ …

float translation=speed;

float rotation=Input.GetAxis("Horizontal2") * rotationSpeed;

if((Input.GetKeyDown(KeyCode.Alpha1)‖Input.GetKeyDown(KeyCode.Keypad1))) speed=5;

…

translation *=Time.deltaTime;

rotation *=Time.deltaTime;

transform.Rotate(0, rotation, 0);

… }

6. 系統(tǒng)優(yōu)化

由于三維數(shù)據(jù)量巨大，為使系統(tǒng)具有良好的性能及運(yùn)行速度，從兩方面進(jìn)行優(yōu)化：場景優(yōu)化和腳本優(yōu)化。場景優(yōu)化主要包括：合理控制模型面數(shù)和塌陷模型、貼圖材質(zhì)優(yōu)化、燈光優(yōu)化、視錐體剔除技術(shù)和遮擋剔除技術(shù)等。腳本優(yōu)化主要包括精簡代碼、提升代碼的執(zhí)行效率、減少不必要的循環(huán)、盡量使用靜態(tài)變量代替動態(tài)變量、負(fù)責(zé)交互的腳本僅在需要時執(zhí)行等。

四、結(jié)束語

3D互動GIS立體顯示系統(tǒng)集成采用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不但具有空間定位、屬性查詢等GIS系統(tǒng)優(yōu)勢，而且實(shí)現(xiàn)了動態(tài)3D場景展示和健身自行車互動，給用戶帶來身臨其境的真實(shí)感與現(xiàn)場感，可以應(yīng)用于規(guī)劃、房地產(chǎn)、場館的展覽展示、數(shù)字健身、建筑設(shè)計(jì)、教育、廣告媒體等行業(yè)。提升了地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)水平。

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DesignandImplementationofGISStereoDisplaySystemBasedonVirtualRealityTechnology

LI Chaoxin，ZHANG Junping，WU Liqing

李朝新,張俊平,吳利青.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的GIS立體顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪通報，2016(9)：119-122.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0309.

P208

B

0494-0911(2016)09-0119-04

2016-07-03

李朝新(1971—)，男，高級工程師，主要從事測繪工程與地理信息工作。E-mail：13934507348@163.com