顏軍

摘 要： 傳統(tǒng)通過二維圖像描述環(huán)境藝術(shù)地理環(huán)境，獲取的環(huán)境信息缺乏直觀性和互動性。因此研究環(huán)境藝術(shù)的三維虛擬重現(xiàn)，通過Creator建模軟件塑造虛擬環(huán)境中不同實體模型和地形模型。采集環(huán)境原始數(shù)據(jù)后，進行環(huán)境數(shù)據(jù)的邊緣處理，產(chǎn)生三維環(huán)境設(shè)計系統(tǒng)。采用大地形環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理模型實現(xiàn)環(huán)境中數(shù)據(jù)庫的管理。在環(huán)境的三維虛擬重現(xiàn)過程中，通過Vega驅(qū)動軟件塑造環(huán)境的三維場景，采用Vega中Marine環(huán)境模塊實現(xiàn)動態(tài)、靜態(tài)環(huán)境仿真以及模擬效果。實驗結(jié)果說明，所提方法重現(xiàn)的環(huán)境更為逼真、直觀，可實現(xiàn)交互式操作，取得了令人滿意的效果。

關(guān)鍵詞： 環(huán)境藝術(shù)； 地理環(huán)境； 三維； 虛擬重現(xiàn)技術(shù)； 虛擬現(xiàn)實； 設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)建

中圖分類號： TN99?34； P208 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）07?0062?05

Construction of environmental art design system based on

computer virtual reality technology

YAN Jun

（School of Art and Design， Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333000， China）

Abstract： The environment information captured by geographical environment of traditional environmental art using two?dimensional images description lacks of intuition and interaction. Therefore， the 3D virtual reproduction of environmental art is studied， and different entity models and terrain models in virtual environment are modeled by Creator modeling software. After collecting the original data of the environment， the edge processing is carried out for the environment data to produce a three?dimensional environment design system. The database management model of large terrain environment is used to manage the database in the environment. In the process of 3D virtual reproduction of environment， the 3D scene of the environment is modeled by Vega driver software， and the Marine environment module in Vega is used to realize the simulation of the static and dynamic environments and simulate its results. The experimental results show that the environment reproduced by the method is more realistic and intuitive， and the method can realize the interactive operation， and get the satisfactory results.

Keywords： environmental art； geographical environment； 3D； virtual reproduction technology； virtual reality； design system construction

0 引 言

我國的領(lǐng)土環(huán)境復(fù)雜多變，在陸地、空中、水面以及水下構(gòu)成多維空間環(huán)境[1]。從二維圖中獲取環(huán)境地理信息數(shù)據(jù)庫，依據(jù)這些地理信息實現(xiàn)環(huán)境的仿真設(shè)計，在環(huán)境虛擬戰(zhàn)場、環(huán)境資源開發(fā)、環(huán)境氣象數(shù)據(jù)預(yù)報等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

傳統(tǒng)通過二維圖描述環(huán)境，獲取的環(huán)境地理信息缺乏直觀性和互動性[2]。因此將二維電子圖三維化，同時在三維圖中融入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，完成環(huán)境的三維虛擬重現(xiàn)成為人們分析的重點。

1 環(huán)境的三維虛擬重現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 三維環(huán)境地形的生成

1.1.1 獲取環(huán)境地形模型原始數(shù)據(jù)

采用Creator建模軟件塑造環(huán)境中各實體模型和環(huán)境地形模型。該軟件采用建模功能模塊Terrain對相應(yīng)格式的*.ded文件實施自主建模[3]，并對模型的紋理和顏色進行處理，構(gòu)建環(huán)境特征物的模型，通過GeoFeature模塊獲取DFD格式的環(huán)境地形模型數(shù)據(jù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)的邊緣處理

來自二維電子環(huán)境圖內(nèi)的高程數(shù)據(jù)雜亂無章，此時需要修正初始圖數(shù)據(jù)，得到相同區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)補充方法作為距離加權(quán)內(nèi)插法[4]，對各不確定點數(shù)值實施預(yù)測，通過近鄰的已知點數(shù)值實施加權(quán)計算，獲取不確定點的數(shù)值，基于距離獲取所給的權(quán)重：

式中：[W（di）]為權(quán)函數(shù)；[zi]表示第[i]個已知點的數(shù)量；[di]為[i]點與不確定點間的距離。臨近離散點同不確定點間的分布情況不同，對[f（x，y）]產(chǎn)生不同的干擾作用。[W（di）=1d2i]是最佳結(jié)果，[di]的平方的反比決定了[W（di）]值的高低。

采集二維圖高程點的經(jīng)緯度信息，對經(jīng)緯度實施Deluanya剖分后獲取網(wǎng)格化結(jié)果，用圖1描述，其中深顏色范圍是數(shù)據(jù)密集范圍[5]，也是環(huán)境地形波動明顯的范圍。得到環(huán)境地形三維三角剖分圖。補齊高程點后經(jīng)緯度信息的網(wǎng)格化結(jié)果，用圖2描述。將補齊后的環(huán)境地理數(shù)據(jù)變換成Creator支撐的DED格式，完成規(guī)范化數(shù)據(jù)和曲線擬合，呈現(xiàn)經(jīng)緯度值。

1.1.3 DED文件的獲取

Creator建模軟件的地形建模模塊無法分析環(huán)境圖數(shù)據(jù)格式，使得基于從電子環(huán)境圖內(nèi)采集的水深以及高程點信息不能塑造環(huán)境模型。因此構(gòu)建環(huán)境的三維模型前，需要將環(huán)境地理信息庫中的數(shù)據(jù)變換成Creator可分析的DED格式以及DFD格式。

采用Matlab運算軟件對采集的環(huán)境數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)格式變換，將環(huán)境數(shù)據(jù)存儲到BIN文件內(nèi)，通過3dem數(shù)據(jù)格式變換工具對BIN文件實施處理，獲取USGSDEM格式的文件。再采用Create安裝目錄C：＼MulitGen＼Creator內(nèi)的可執(zhí)行程序redausgs，實現(xiàn)DEM格式到DED格式的變換。在運行命令行目錄內(nèi)能夠得到DED格式文件CI068.ded，該文件中保存著3 229個數(shù)據(jù)點，依據(jù)這些數(shù)據(jù)點完成環(huán)境地形的三維建模。

1.2 三維環(huán)境地形模型的生成

通過Creator的地形建模模塊能夠塑造環(huán)境地形模型數(shù)據(jù)庫?；诃h(huán)境地形模型數(shù)據(jù)庫內(nèi)除地形數(shù)據(jù)外的全部擁有地理信息和屬性信息的特征數(shù)據(jù)，塑造環(huán)境三維地形數(shù)據(jù)庫，進而創(chuàng)建虛擬環(huán)境地形，確保地形逼近實際環(huán)境，同時涵蓋地理紋理特征。采用Creator地形建模模塊中的Polymesh地形變換算法，依據(jù)初始數(shù)字高程數(shù)據(jù)地形文件獲取高程信息以及環(huán)境地形的頂點坐標(biāo)，獲取環(huán)境地形模型數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫內(nèi)的矩形網(wǎng)格由均勻的三角形組成。Polymesh地形變換算法對原始網(wǎng)格地形數(shù)據(jù)庫內(nèi)每[n]個高程點實施采樣，[n]點同網(wǎng)格的疏密程度相關(guān)。

在塑造環(huán)境三維地形過程中，應(yīng)設(shè)置地圖投影種類，采用Creator中的Flat Earth投影措施，將經(jīng)度和緯度分別作為[X]坐標(biāo)和[Y]坐標(biāo)進行操作，獲取矩形的環(huán)境地形模型數(shù)據(jù)庫，采用WGS84坐標(biāo)系，同時保留海岸線。將地球中心當(dāng)成數(shù)據(jù)庫原點，通過批量操作手段，獲取Open Flight格式的塊地形文件。

1.3 大地形環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理

大地形數(shù)據(jù)庫管理LADBM模塊對大范圍地理區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)庫實施管理，其擁有可擴展的數(shù)據(jù)庫以及層次操作，可對視景應(yīng)用程序進行高層次的調(diào)控。避免進行動態(tài)漫游過程中被泊染的視景元素的位置產(chǎn)生間斷問題，形成抖動或跳變。因此，為了確保數(shù)據(jù)精度，視景系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫原點實施重置，在觀測者周圍采用大地坐標(biāo)系原點，確保準(zhǔn)確的位置描述。大規(guī)模數(shù)據(jù)庫管理模塊通過雙精度內(nèi)核能夠?qū)Ω信d趣的地面坐標(biāo)原點實施調(diào)整和移動，確保觀測者處于待顯示的數(shù)據(jù)庫周圍。

1.3.1 大地形環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理的基本原理

Vega系統(tǒng)通過區(qū)域類、Area of Interest類、LADBM附加類得到高級數(shù)據(jù)庫管理采用的LADBM[6]。其中區(qū)域類對數(shù)據(jù)庫層級實施擴充。Area of Interst類可形成并控制區(qū)域列表。LADBM類對LADBM在Vega中的操作流程實施控制。區(qū)域可對環(huán)境數(shù)據(jù)庫元素進行組織和匯總管理，基于空間邊緣組織數(shù)據(jù)庫使得LADBM模塊判斷何種數(shù)據(jù)元素能夠在場景中實現(xiàn)觀測，確保在篩選和渲染前過濾掉不顯示的元素，提高運算效率。

1.3.2 大地形環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理的實現(xiàn)過程

1） 三維環(huán)境地形的分塊。對環(huán)境地形模型進行矩形分割，完成環(huán)境三維地形的分塊處理。將單個環(huán)境地圖實施6×8的地形分塊[7]。通過Creator模塊中地形產(chǎn)生模塊Terrain，基于數(shù)字高程數(shù)據(jù)文件C1068.ded對地形網(wǎng)格形成算法、地表顏色和紋理以及地形分塊大小實施設(shè)置[8]。

2） 區(qū)域（Region）和AOI的設(shè)置。采用最小經(jīng)緯度是（E119°26′23.220 6″，N23°28′0.363 3″），最大經(jīng)緯度是（E119°45′35.514 3″，N23°47′13.453 3″）的矩形范圍中包括16塊相同的小矩形塊，這些數(shù)據(jù)是相對于 （E119°11′59.000 2″，N23°03′59.000 7″）位置[9]，各地形塊的文件名描述了40大塊地形分割過程中，不同小地形塊間的相對位置關(guān)系。

針對各塊地形塑造一個區(qū)域，共塑造16塊區(qū)域。當(dāng)前的Vega能夠完成球形AOI的Volume設(shè)置，設(shè)置AOI的Volume半徑是地形分塊的對角線的一半[10?11]。設(shè)置原點的坐標(biāo)是0，區(qū)域Volume的大小取決于地形分塊大小。設(shè)置各塊地形的大小是8 280 m×8 786 m，通過折中的方法設(shè)置Volume半徑是8 433。區(qū)域原點為Volume的位置，將三維地形模型融入該區(qū)域過程中，地形模型的位置相對于區(qū)域原點部署到[（xi，yi，0，0，0，0）]位置。[（xi，yi）]值是該地形模型對應(yīng)區(qū)域原點的經(jīng)緯度。

3） 大地形環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理的軟件實現(xiàn)。將一個AOI[12]，16個小球用于描述同16塊區(qū)域關(guān)聯(lián)的碰撞體（Volume），1個大球用于描述同AOI關(guān)聯(lián)的碰撞體 （Volmue）。基于仿真系統(tǒng)的需求，采用編程手段設(shè)置各碰撞體的位置和半徑大小。在該仿真系統(tǒng)內(nèi)，將AOI同觀測者進行關(guān)聯(lián)，如果觀測者在場景中漫游，則AOI同觀測者同步移動。如果AOI的Volume同場景內(nèi)新的Rgeoin以及Voutme關(guān)聯(lián)，則新Rgeoin內(nèi)的物體在場景中進行渲染，完成對環(huán)境地理場景中大規(guī)模模型數(shù)據(jù)庫的動態(tài)控制。

1.4 環(huán)境的三維虛擬重現(xiàn)方法實現(xiàn)

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)塑造逼真的環(huán)境，從中能夠觀測到環(huán)境地形、海浪、雨、霧等信息，其中的地形環(huán)境包括靜態(tài)三維實體模型和動態(tài)三維實體模型。靜態(tài)實體模型以及動態(tài)實體模型主要是環(huán)境地表的礁石、燈塔、飛機以及艦艇等。視景系統(tǒng)通過計算機實施生成技術(shù)，采用Windows 2000開發(fā)平臺，Visual C++開發(fā)工具[13?14]，采用Creator建模軟件以及Vega驅(qū)動軟件實現(xiàn)環(huán)境的三維虛擬重現(xiàn)。Vega是用于虛擬現(xiàn)實、實時視景仿真的一種可視化軟件工具，由圖形環(huán)境界面、C語言應(yīng)用程序接口API、實用庫函數(shù)等構(gòu)成。三維場景渲染實現(xiàn)了環(huán)境水面以及海底效果模擬、光模擬、水面效果模擬和艦艇模擬等。

1.4.1 塑造三維環(huán)境場景

塑造完環(huán)境相關(guān)的靜態(tài)實體、動態(tài)實體的幾何模型以及運動模型后，能夠獲取環(huán)境的三維場景。環(huán)境視景中常見的三維對象是艦艇以及海底地形，網(wǎng)格構(gòu)成了三維物體，這些網(wǎng)格包括多個多邊形。采用三維圖像開發(fā)工具MulitGneCreator塑造艦艇、海底地形等模型，形成.ftl文件。

1.4.2 世界坐標(biāo)系變換

在運用Creator軟件構(gòu)建環(huán)境三維模型中，全部頂點都需要進行世界坐標(biāo)變換處理。若艦艇的幾何中心是原點，艦艇右部、上部以及下部方向是X軸、Y軸以及[Z]軸，將艦艇模型進行世界變換的過程中，應(yīng)先對模型坐標(biāo)系統(tǒng)對應(yīng)于世界坐標(biāo)系的初始值實施設(shè)置，并對模型坐標(biāo)實施平移等處理，最終獲取艦艇各頂點在世界坐標(biāo)系中的位置。

1.4.3 Marine環(huán)境模塊設(shè)計

Vega軟件模塊通過Marine環(huán)境模塊對環(huán)境狀態(tài)實施模擬，基于視窗NT以及Unix操作系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境仿真應(yīng)用，采用Lynx圖形界面實現(xiàn)不同環(huán)境仿真效果的規(guī)劃。Vega Marine模塊具有較多的航海特效，如海浪、云霧等。Vega Marine模塊的各Ocean由靜態(tài)和動態(tài)構(gòu)成，將Observer同靜態(tài)環(huán)境間的海域設(shè)置成動態(tài)的，能夠?qū)＠诉M行模擬。三維動態(tài)環(huán)境由規(guī)則網(wǎng)格構(gòu)成，則在各幀內(nèi)三維動態(tài)環(huán)境的運算量同行以及列的乘積具有正比例關(guān)系。

模擬海浪效果，Vega環(huán)境模塊采用連接點位置波動的波浪模型產(chǎn)生動態(tài)環(huán)境，基于6種環(huán)境狀態(tài)模擬不同的海浪。其中海浪虛擬重現(xiàn)過程為：

通過10條正弦曲線和非諧波頻率塑造實際的波浪，則采用式（2）獲取波浪高度：

式中：海面控制點坐標(biāo)是[（x，y，z）；]海面平均潮高是[Htide；]單元規(guī)則波的波動幅度是[Ai；]波數(shù)是[ki=ω2ig，]重力加速度是[g=9.81；]單元規(guī)則波的傳遞方向是[θi；]單元規(guī)則波的角頻率以及相位分別是[ωi]以及[φi]。

對需要仿真的環(huán)境范圍的浪級實施設(shè)置，運算獲取浪級的波周期以及有義波高度，基于得到的值，采用波譜公式對[ω]實施離散化處理，獲取[ωi]和某單元波的波譜值[S（ωi）]，得到單元波的波幅是[Ai=2S（ωi）Δω]。任意選擇相位[φi，]基于離散獲取的單元波的線性疊加獲取對應(yīng)波譜的等級。

在Creator中塑造環(huán)境物體的三角面片從高空看有紋理效果，而從下方看不到紋理效果。因此將500×500的方形平面部署到[（x，y，0）]位置，平面正面朝下。[（x，y）]是觀測者的經(jīng)緯度坐標(biāo)，確保在任意物體漫游位置能觀測到環(huán)境虛擬效果。

2 實驗結(jié)果與分析

實驗采用本文方法環(huán)境虛擬現(xiàn)實演示系統(tǒng)?；诙S電子環(huán)境圖塑造圖3a）中的三維電子環(huán)境圖模型的近地圖，分析該圖能夠清晰觀測到環(huán)境地形信息的高層和地貌。圖3b）是融入艦艇模型實施交互式操作的情況，圖3c）是融入潛艇模型的海底虛擬環(huán)境。能夠看出本文方法重現(xiàn)的環(huán)境更為逼真、直觀，能夠?qū)嵤┙换ナ讲僮?，可廣泛應(yīng)用在環(huán)境虛擬戰(zhàn)場、環(huán)境資源開發(fā)等領(lǐng)域中。

實驗采用本文三維虛擬重現(xiàn)技術(shù)獲取的某海域海底地形三維可視化效果用圖4描述，通過ArcGIS 10.1生成暈渲圖，獲取的海底地形暈渲可視化效果用圖5描述，能夠看出本文方法獲取的海底地形三維虛擬重現(xiàn)結(jié)果逼真、準(zhǔn)確。

3 結(jié) 論

本文研究了環(huán)境的三維虛擬重現(xiàn)過程，獲取了更為逼真和直觀的環(huán)境三維虛擬效果，在環(huán)境虛擬戰(zhàn)場、環(huán)境資源開發(fā)、環(huán)境氣象數(shù)據(jù)預(yù)報等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

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