趙迪 陳哲夫 莫操湖 金古月

摘要：空間地形數據三維可視化進程的關鍵在于適合3D模型的構建。本文主要討論虛擬現實建模語言（VRML）在空間地形數據三維可視化進程中的應用，該語言可以基于Web使客戶端/服務器系統(tǒng)遠程訪問海量地形數據實現交互式3D地形渲染可視化，是一種3D虛擬世界描述的Web標準，同時也闡述了VRML在構建、訪問和可視化3D地形模型中的優(yōu)缺點。

關鍵詞：VRML;3D模型;地形渲染;交互式

1引言

許多應用程序，例如3D地理信息系統(tǒng)（GIS）、天氣模擬和飛行模擬等，其演示目標是提供使用客戶端/服務器系統(tǒng)遠程訪問海量地形數據的實時交互式渲染[1]。對于感興趣區(qū)域，可能需要調用非常大存儲區(qū)域的數據集，但用戶可能僅需要完整地形模型的相對較小區(qū)域。

為了能夠實現遠程存儲的3D地形模型的實時交互式可視化，可以使用專用渲染服務器和定制客戶端程序的方法解決[2]。這樣，渲染由服務器程序完成，結果通過網絡發(fā)送，以便在客戶端的用戶界面中及時展示。但是，由于服務器需要大量的計算資源，因此只能同時服務于少量獨立客戶端，因此對于許多應用不可行。

還有另外一種方法可以以專有的3D圖形格式創(chuàng)建數據，用于通用3D可視化程序，例如SGI的OpenInventor或者3D GIS程序[3]，可以從標準FTP或Web服務器下載數據，然后將其加載到可視化程序中。在這種情況下，渲染在客戶端完成，相比服務器端渲染具有更強的可伸縮性。

本文主要探討后一種方法，但沒有使用專有的3D可視化程序和數據格式，而是研究虛擬現實建模語言（VRML）的使用。

2基礎知識

2.1 地形模型

通常，三維地形模型由兩個基本部分組成：數字高程模型（DEM）和衛(wèi)星圖像、航空照片等地理空間數據。DEM是特定網格包含的高度值矩陣。通過連接DEM中的點，可以生成基于多邊形的地形3D。然后在DEM上覆蓋2D圖像以創(chuàng)建由紋理映射多邊形組成的3D地形模型，其中“紋理”指的是對多邊形著色的一組像素[4]。

紋理映射的替代方法是將顏色與多邊形的每個頂點相關聯，然后使用插值算法為多邊形著色。但是，紋理映射需要減少要渲染多邊形數量的同時保持表面圖像的分辨率。為了減少足夠的計算資源以實現實時渲染，應該最小化多邊形的數量以支持多分辨率地形模型表示，具體為允許渲染引擎使用較低分辨率模型。此外，對于通過廣域網訪問的地形模型，客戶端可以根據實際可用帶寬選擇不同分辨率。

本文采用數據集選用西洞庭湖附近一個30米分辨率的Landsat衛(wèi)星圖像和一個100米分辨率的DEM，圖像數據約為3000x3000像素。由于地形模型覆蓋較大區(qū)域，因此通常通過平鋪將其分塊，每個小塊足夠小以便進行可視化處理。論文主要設計了一種基于小波算法的網格優(yōu)化算法，以最小化模擬地形的多邊形數量。該算法通過對高度值指定誤差容限以生成不規(guī)則網格，然后使用Delauney三角網創(chuàng)建一組多邊形。由此產生的不規(guī)則網格DEM更加稀疏，地形更加平坦或者平滑，并且在海拔變化快的區(qū)域更加密集。即使在最低分辨率下，渲染圖像仍然能夠顯示地形的主要特征。

2.2 VRML

VRML是一種用于編碼3D虛擬世界的Web標準，因此可以使用標準Web服務器和瀏覽器遠程訪問，并使用查看器在客戶端上以交互方式進行可視化。VRML 1.0標準提供的功能主要包括：（1）基本形狀，使用IndexedFaceSet節(jié)點對多邊形對象進行編碼;（2）幾何，LOD允許在對象的描述中使用不同級別的細節(jié)，其中包含多邊形對象的頂點集;（3）材料，可以為每個頂點或多邊形分配顏色，可以將紋理粘貼到多邊形;（4）網絡訪問功能，能夠訪問其他Web資源，可以將超鏈接嵌入到網頁中。

VRML 1.0是一種實現3D模型的便捷方式，但有以下幾個缺點：（1）只允許靜態(tài)定義，與Web趨勢不相容，相比之下，Java和Javascript的成功表明了這一點，它們允許更靈活和動態(tài)的Web界面。此外，世界的靜態(tài)定義意味著客戶必須存儲和處理與整個世界大小成比例的信息，則迫使作者根據客戶端機器的有限內存和CPU頻率，對使用者可以遍歷的VRML世界大小設置上限。另一個問題是VRML對象浪費大量帶寬。VRML 1.0專注于3D圖形對象的規(guī)范，很少考慮最小化下載的時間問題。這兩種現象在表示大規(guī)模地形模型時尤其突出。

3基于VRML技術的地形3D可視化

實際使用中，VRML瀏覽器并未針對地形渲染進行優(yōu)化，因此必須向瀏覽器提供提示信息，以便在何時何地可以節(jié)省渲染工作。精心構建的VRML文件可以增強瀏覽器的渲染性能，可以通過提供多個細節(jié)級別以及何時顯示詳細程度的說明實現。通過設計的網格優(yōu)化算法，可以較快生成多分辨率地形模型。因此，基于觀看參數，瀏覽器可以通過最小化地形模型渲染中多邊形的數量來提供更好幀速率的高質量圖像。那么，地形模型必須首先拆分為可管理的切片，可以將其視為獨立的VRML世界。

地形模型的VRML文件具有許多內置VRML功能，例如紋理貼圖和細節(jié)層次（LOD）。LOD節(jié)點用于通過在每個VRML世界中提供額外的內部平鋪來進一步細分地形模型。此平鋪的目的是允許為每個LOD節(jié)點提供不同分辨率的多個數據集就，這樣VRML瀏覽器就可以用適當的分辨率渲染每個LOD節(jié)點，使得遠離用戶的節(jié)點以較低的分辨率渲染，從而減少渲染工作量。使用LOD節(jié)點的另外一個優(yōu)點是啟動瀏覽器時只需下載遠端LOD節(jié)點的較低分辨率數據，從而大大減少啟動時間。當用戶在地形上移動時，可以根據需要下載更高分辨率的數據。

每個LOD節(jié)點包含四個子節(jié)點，用于四種不同的地形數據集分辨率。使用用戶指定的誤差容限A創(chuàng)建第一組，則分別以2A、4A和8A的容錯級別計算第二，第三和第四數據集。然后，使用WWWInline節(jié)點指定每個LOD節(jié)點中四個分辨率級別中的每一個數據，每個節(jié)點具有用于特定區(qū)域和分辨率的自包含VRML文件的URL。由于使用CGI程序動態(tài)生成VRML文件，因此URL不指向VRML文件，而指向CGI程序以檢索相應的VRML地形數據，以及有關邊界大小和位置的信息，瀏覽器決定WWWInline節(jié)點是否可見。

當VRML瀏覽器激活其中一個WWWInline節(jié)點時，Web服務器會生成一個CGI程序，以動態(tài)生成指定的VRML地形數據，地形數據作為小波系數存儲在數據庫中。CGI程序通過SQL命令訪問該數據，并選擇小波系數的子集將其傳遞到重建算法以創(chuàng)建稀疏DEM，生成的多邊形信息在VRML文件中進行重新編碼，然后生成文件被發(fā)送到客戶端進行演示。

4實施問題和結果

VRML瀏覽器旨在為用戶提供交互式3D環(huán)境。如果瀏覽器在高端圖形工作站上執(zhí)行，可以始終在屏幕上維護詳細且完全紋理映射的地形模型。但是，為了使瀏覽器在具有較低功能的客戶端上渲染復雜場景時保持其交互響應和合理的幀速，則必須使用計算要求較低的技術來渲染圖像。例如，為了避免CPU密集型紋理映射，當用戶在地形上移動時，瀏覽器可以通過使用Gouraud著色或者線框表示來渲染圖像。當用戶停止移動時，將在屏幕上呈現完全紋理映射的模型。但是，除了紋理貼圖外，大部分VRML瀏覽器只能進行單色而不是彩色Gouraud著色，除非在VRML文件中提供彩色頂點，此種現象大約增加VRML文件大小的25%。

另一個問題是雖然VRML規(guī)范建議使用GNU壓縮工具gzip來減少數據大小，但目前還沒有找到一個可以接受來自WWWInline節(jié)點內CGI程序的壓縮VRML數據瀏覽器，這是使用CGI程序即時創(chuàng)建VRML數據的一個主要缺點，因為它會導致演示過程中的長時間延遲。如果所有VRML地形模型數據在客戶端本地可用，并且客戶端具有良好的圖形功能，則交互式探索的渲染性能和幀速使用VRML瀏覽器的地形模型效果良好，其中的關鍵問題是：當必須通過網絡下載數據時是否具有較高的延遲和低帶寬。

在VRML 2.0版本中，使用Java腳本可以動態(tài)下載VRML世界，從而消除VRML 1.0的靜態(tài)限制，以適應客戶端可用的帶寬和計算能力。為了減少VRML世界中多邊形的數量，可以只使用用戶可見區(qū)域的圖塊以及一些其他用于緩沖的圖塊，這樣可以移除超出一定距離的分塊來模擬地球曲率的影響。為了隱藏訪問新分塊所需的延遲，可以使用緩沖區(qū)并嘗試預測用戶的動作。緩沖區(qū)可以降低由前向和后向運動引起的場景圖調整頻率，使得客戶端有時間在用戶飛過該區(qū)域前準備新的瓦片。通過使用腳本，還可以在客戶端動態(tài)調整VRML數據，可以克服匹配不同分辨率LOD節(jié)點的邊緣問題，大大減少需要下載的數據量。

5結論

通過實驗表明，仔細選擇VRML文件的結構，包括使用傾斜技術分割大數據集、優(yōu)化不規(guī)則網格和紋理映射以減少多邊形的數量、LOD和WWWInline節(jié)點提供較低分辨率的數據集以及JPEG VRML文件的紋理貼圖和gzip壓縮的JPEG壓縮，都可以使用VRML 標準創(chuàng)建地形模型，可用于適度的地形區(qū)域。

VRML 標準還可以為更大區(qū)域的地形模型可視化提供更好的性能。使用傳感器和Java腳本可以更有效地利用可用帶寬，通過更有效的數據預讀取來隱藏延遲并動態(tài)加載新的地形模型，以便于動態(tài)調整數據可視化的分辨率，為用戶提供具有不同渲染幀速的網絡帶寬。

未來工作的另一種可能性是使用Java，特別是用于3D建模的新Java3D類庫，優(yōu)勢在于可以使開發(fā)人員更自由地控制3D世界，而使用VRML的優(yōu)勢在于觀眾已經存在。理想情況下，VRML和Java3D的結合將提供可以通過添加Java3D模塊實現用戶自由定制的查看器。

參考文獻：

[1]王梅艷. 虛擬現實技術的歷史與未來[J]. 中國現代教育裝備， 2007， 1： 108-110.

[2]丁劍， 魏昕等. 基于Web的虛擬現實的研究與應用[J]. 電腦知識與技術， 2009， 5（33）： 88-90.

[3]張巖. VRML技術應用于虛擬仿真場景中的研究. 黑龍江科技信息， 2014， 27： 186-187.

[4]王鋼. 使用VRML技術構建虛擬現代客廳. 科技信息， 2013， 22： 233-234.

作者簡介：趙迪（1980- ） ，男，博士/講師，研究方向為GIS空間數據庫、空間數據三維可視化。

通訊作者：陳哲夫，主要研究方向是地形數據可視化。