肖巍，馮時，王選遙

（1.長春師范大學 教育學院，長春 130032；2.吉林大學 計算機科學與技術(shù)學院，長春 130012）

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)作為一門新興的綜合性信息技術(shù)，在很多領(lǐng)域都發(fā)揮著不可或缺的作用［1］。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在文化、旅游方面是國家近些年提倡的“藝術(shù)與科技結(jié)合”的主要表現(xiàn)手段之一［2］。長白山是東北文化旅游最強IP之一，借助科技手段打造長白山虛擬現(xiàn)實文化旅游藝術(shù)體驗平臺，既可實現(xiàn)長白山自然、人文以及歷史景觀的數(shù)字化游覽，又可以作為宣傳推廣東北文化旅游的數(shù)字化工具，無論從文化傳播推廣上還是促進旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展上都具有非常重要的意義。

1 虛擬現(xiàn)實體驗平臺介紹

長白山虛擬現(xiàn)實體驗平臺主要使用虛擬現(xiàn)實互動技術(shù)，在顯示層面使用基于次世代游戲引擎標準的貼圖和模型生成技術(shù)，目的是從視覺效果上最大程度還原長白山旅游景區(qū)的自然風景效果。虛擬現(xiàn)實需要借助引擎實現(xiàn)最終顯示結(jié)果，制作流程上采取次世代游戲的方法實現(xiàn)：制作腳本-執(zhí)行腳本-質(zhì)量監(jiān)控機制（技術(shù)標準）-人員落實-項目時間表-小規(guī)模反饋與修正-大規(guī)模制作。該虛擬現(xiàn)實體驗館由音樂（音效）、視覺顯示、實時互動三個并聯(lián)部分構(gòu)成，在初期實施過程中，分別實現(xiàn)，互不干擾，各部分趨于完成時將三部分整合到一起進行調(diào)整。

虛擬現(xiàn)實體驗平臺在構(gòu)建自然環(huán)境的過程中，主要使用寫實性的視覺呈現(xiàn)方法，視覺還原部分使用基于三維掃描技術(shù)的互動式建模方法（Interactive Modeling Method Based on Scanning Tech）,簡 稱IMM-BST［3］。該方法綜合了掃描模型生成法和三維游戲的手動模型生成法，是現(xiàn)有各種建模方法中的首選。首先，對全景地貌，使用航拍技術(shù)配合地質(zhì)等高線方法生成置換/高度貼圖（Displacement Map），再使用換算方法將貼圖的黑-灰-白像素以低-中-高（閾值）的形式賦予多邊形模型，模型上的網(wǎng)格頂點與黑灰白像素一一匹配對應(yīng)，而生成全面廣袤的地形。其次，對于植被與動物，采取手動建模+數(shù)字化貼圖的形式制作。最后，把制作好的地形和植被與動物以“模板素材”的方式輸入到引擎中，在引擎中進一步構(gòu)建長白山風光，直到最終封包、發(fā)布。

2 地形制作方法

長白山北區(qū)地形較為復(fù)雜，在靠近山脈處多為玄武巖等材質(zhì)，北坡景區(qū)主要集中于長白山北麓的谷地中，自北向南逐步升高，上升趨勢較緩。但在長白山北坡瀑布處有明顯的高低落差。地形景區(qū)分布從北向南海拔依次為：地下森林、綠淵潭、小天池、長白山溫泉、盤山公路、長白山北坡瀑布、天池。

虛擬現(xiàn)實的地形構(gòu)建是整個平臺項目實施的關(guān)鍵，本文使用現(xiàn)實衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作長白山區(qū)的高度圖，并最終在虛幻4引擎中實現(xiàn)用戶體驗效果。整體地形的制作步驟：搜集資料，整理高程圖（提取灰度圖作為置換貼圖的基礎(chǔ)）——配合等高線圖進行局部修正——進行實地勘察——在虛幻中將高度圖生成地形——對比圖片、影片構(gòu)建地形。

2.1 地形數(shù)據(jù)處理

地形是自然界最復(fù)雜的景物之一，在虛擬現(xiàn)實中，三維真實感地形的繪制一直是國內(nèi)外圖形學，CG娛樂產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點［4］。地形的模擬可以分為兩類：真實地形與模擬地形［5］。真實地形是現(xiàn)實世界中真實地形的再現(xiàn)，具有非常高的真實度，必須采用真實世界中的具體數(shù)據(jù)來構(gòu)造，這時多采用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）［6］，其本質(zhì)是在對數(shù)字地面模型的一種地形分量進行考慮。

本平臺項目主要考察長白山地區(qū)的景區(qū)旅游資源，因此對于現(xiàn)實場景的還原度就是本項目的制作標準。地形數(shù)據(jù)的搜集分為宏觀衛(wèi)星數(shù)據(jù)搜集（GIS圖形搜集+等高線位圖、多地圖對比）和微觀實地踏查數(shù)據(jù)。項目所需長白山全景高程DEM圖片，順時針分為ABCD4個點，A點坐標為北緯42°04′53.71 ″；東經(jīng)127°07′51.63 ″，B點坐標為北緯42°04 ′53.71 ″，東經(jīng)127°07′24.64″，C點坐標為北緯41°58′40.71″，東經(jīng)127°59′51.63″，D點坐標為北緯41°58′40.71”東經(jīng)127°07 ′24.64 ″，該坐標可把長白山脈及北麓所有景區(qū)收入其中。

對于DEM數(shù)據(jù)的拼接，三維地形表面工具可在不規(guī)則空間點的基礎(chǔ)上產(chǎn)生三維地形表面［7］，它要求所輸入的數(shù)據(jù)必須具有X、Y、Z值，即經(jīng)度、緯度和海拔高度，應(yīng)用TIN插值方法，所輸出的是一個連續(xù)的柵格圖像文件（ERDASIMAGINE系統(tǒng)的DEM文件），每一個已知Z值的空間點在輸出的地形表面上保持Z值不變，而沒有Z值的空間點，其輸出表面的Z值是基于其周圍的已知點插值計算獲得的。將數(shù)據(jù)補充方法作為距離加權(quán)內(nèi)插法，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)等于1/di2是最佳結(jié)果，di的平方的反比決定了W(di) 值的高低［8］。

ARCGIS作為一個可伸縮的平臺，為個人用戶也為群體用戶提供GIS的功能，使用該平臺可得到應(yīng)用于虛幻4引擎的高度圖，置換地形數(shù)據(jù)。本文使用國家綜合地球觀測數(shù)據(jù)共享平臺一號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，使用ArcObjects組件式GIS開發(fā)技術(shù)，通過ARCGIS整合GIS數(shù)據(jù)，在軟件內(nèi)部最終轉(zhuǎn)換DEM高程圖為灰度位圖?；叶葓D的精度只對于山峰等凸起處的顯示起主要作用，對于谷底置換的高度不佳。為此，就需要等高線圖比較和根據(jù)實地探查再進行修正。

虛擬現(xiàn)實體驗平臺是基于正常人視角的漫游項目，需要反復(fù)多次去長白山調(diào)研，拍攝大量照片和素材作為后期制作參照。為了進一步提升地形精度，制作團隊分別于春、夏兩季4次上山采集。春季采集地形可在無積雪和樹葉遮擋的情況下拍攝山體起伏照片，夏季采集地形可記錄植被密度，查看實際環(huán)境中的遮擋關(guān)系，為劃分關(guān)卡做基礎(chǔ)。

長白山區(qū)的地理位置和地形較為敏感，無法通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得全部旅游地形信息，實地考察地形可為后期數(shù)字化地形構(gòu)建的提供重要參考依據(jù)。因此，團隊使用經(jīng)緯儀交匯法、測距導線法，配合GPS測量手動繪制地形圖，得到實地數(shù)據(jù)。

為了校準數(shù)據(jù)，可將ARCGIS的灰度圖數(shù)據(jù)導入World Creator2軟件，配合實地勘察數(shù)據(jù)手動調(diào)整。World Creator2是基于細分算法的實時地形生成軟件，高度圖在該軟件中作為多邊形調(diào)節(jié)和預(yù)覽。根據(jù)比例尺對地形進行定點調(diào)整，可實時監(jiān)測每個點的高度數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)過程如圖1-圖4所示。圖1是ARCGIS中生成灰度圖所置換的地形高度，為未手動校準的地形，該地塊的海拔高度存在一定誤差，圖2為使用World Creator2手動校準過的地形。

圖1 未手動校準的地形

圖2 使用World Creator2手動校準過的地形

將在World Creator2中調(diào)節(jié)后的多邊形重新輸出為灰度圖導出，重新置換地形高度。對比結(jié)果，圖3為制作的灰度圖在World Creator2中的顯示效果，精度為1∶50 000，圖4為谷歌地球的效果，精度為1∶250 000。

圖3 1∶50 000精度灰度圖

圖4 1∶250 000精度灰度圖

2.2 地形數(shù)據(jù)導入

虛幻4的場景地形并非是簡單的多邊形，其基于多邊形顯現(xiàn)和優(yōu)化原理［9］，但為了達到最佳顯示效率，虛幻引擎對場景地形做了一定的優(yōu)化并制定了一系列規(guī)則。

如果按照1∶1還原地形，同時又為了節(jié)省計算機現(xiàn)實資源，虛幻4使用“Level”把整塊地形劃分為幾部分。對于超大地形來說，用戶在漫游時（指用戶視角身處場景當中，非俯視），目力所及的空間或被山脈遮擋，或被植被遮擋，沒有必要整體顯示全部地形。這樣，虛幻引擎就可以指定隱藏和顯示的部分。如對一塊Landscape_A的正方形場景地形，其占地面積為81平方公里，按照1∶1比例還原。為了節(jié)約加載速度，把其平均分為3×3段，這樣每個地形的邊長就是9公里。整個場景共分為9部分，每一部分可以作為一個獨立顯示的關(guān)卡進行分別加載，那么每一個關(guān)卡就是9平方公里。把關(guān)卡按照引擎可讀取的X，Y方向進行坐標軸分布，分別命名為Landscape_A_X0_Y0，依此類推，直到Landscape_A_X2_Y2。假設(shè)用戶的出生點在Landscape_A_X0_Y0關(guān)卡中，如果該場景中存在山脈、植被、高樓或環(huán)境霧等具有遮擋視線作用的物體存在，那么理論上說，用戶是不可能看到Landscape_A_X2_Y2這么遠的距離。因此，只需加載Landscape_A_X0_Y0和與之臨近的Landscape_A_X0_Y1、Landscape_A_X1_Y1、Landscape_A_X1_Y0。

虛幻4引擎對于外部地形數(shù)據(jù)有著嚴格的要求和標準。對于本項目來講，地形功能下的“Scale”選項下的Z值、“Section Size”、“Section per Component”、“Number of Component”、“總體分辨率”、“總組件”參數(shù)，它們制約了外部導入地形的精度和比例大小，也決定了整體讀取速度和漫游體驗效果。在虛幻4的地形編輯器中，從外部導入的地形依據(jù)節(jié)省顯示資源的原則，需要將之被劃分為幾個Component，即地形組件，其作用是分割整塊地形，便于為關(guān)卡劃分提供便利。如果該場景地形中并無其余“靜態(tài)網(wǎng)格”多邊形組件，則地形是該場景中唯一組件，則地形等于組件；如果將之分為不同組件，則地形關(guān)卡等于每個組件。

用戶還可以對每個地形組件中分段的種類進行進一步細分。引擎提供了1×1和2×2個分段。虛幻4地形的優(yōu)化方法基于LOD技術(shù)。如果把一個場景劃分為4個組件，每個組件下再劃分為4個分段，每個分段中所提供的多邊形支持就可以通過1×1和2×2進行選擇。1×1個分段意思是每個組件的多邊形數(shù)量等于分段的數(shù)量，那么整個地形組件多邊形數(shù)量是16，2×2的意思是每個組件之中最大可被放入4個多邊形，最小可放入1個多邊形，那么整個地形組件多邊形的數(shù)量就是4-16。如果整個場景占地面交較小，為了提升顯示精度，則可以使用1×1，本項目場景較大，為了提升加載速度，使用2×2個動態(tài)分段。

本項目基于實際高度圖進行置換導入，對于外部高度圖，虛幻4引擎要求地形必須為偶數(shù)頂點，按照分段的最小頂點數(shù)量計算，1個分段必須具備9個多邊形，共16個頂點，那么虛幻4引擎最優(yōu)顯示的組件、分段、頂點數(shù)量的最小可識別單位計算方式為：1個地形具有2×2個分段，每個分段有12×12個多邊形，整體有13×13個頂點。那么整體的地形尺寸就可以依據(jù)以下公式類推：

式中，S為虛幻4引擎整體地形頂點數(shù)量，該值可確定整個場景地形大??；Sq為每個分段占有四邊形的數(shù)量；Cs為每個組件的分段數(shù)量；C為組件數(shù)量。

虛幻4引擎按照灰度圖中像素點的灰度值計算生成地形高度Z值。在讀取灰度圖時，虛幻4引擎把灰度共分為512級，即高低落差可置換512個Z方向單位，其中黑色置換為最低點，灰色不置換，白色置換為最高點。若按米為單位換算，則黑色像素所在位置為-256米，白色像素所在位置為256米，灰色像素所在位置不進行高度置換，如圖5所示。如果不改變虛幻4引擎的Z值，則引擎只能置換512米的高度落差。根據(jù)團隊測量，長白山北景區(qū)內(nèi)部最低點與最高點落差為1 500米左右，因此需要在虛幻4引擎中修改Z值，由默認的100改為293，才能與實際測量高度匹配，確保置換地形海拔高度正確。

圖5 灰度圖在虛幻4引擎中的地形高度值置換

2.3 地形關(guān)卡劃分

對于長白山北麓地形，一次性加載全部地形數(shù)據(jù)關(guān)卡會占用大量系統(tǒng)資源，對于普通用戶來說無法達成流暢體驗。為此，本文使用三維游戲的制作方法，將大塊地形劃分為關(guān)卡（Level）分別讀取。關(guān)卡在虛幻4中是一個十分寬泛的功能。用戶可以把任意物體存放在其中，以備隨時調(diào)用。本項目將關(guān)卡類別分為：植被、建筑、DrawCall、流體、地形。

為了緩解制作和讀取壓力，將地形拆分，使用流送方式建立關(guān)卡并分段讀取信息的技術(shù)稱之為World Composition。它旨在簡化大型世界場景的管理。其目的之一是避免使用單一獨立關(guān)卡存儲流送信息，再就是它可以避免在超大地形上處理所有地形數(shù)據(jù)造成的效率低問題。持久關(guān)卡不存儲任何流送信息，而是掃描文件夾并將找到的所有關(guān)卡視為流送關(guān)卡。每個流送關(guān)卡的信息存儲在包頭中，不用把關(guān)卡加載到內(nèi)存中，World Composition就能讀取這些信息。默認情況下，除持續(xù)關(guān)卡之外的所有關(guān)卡都會在World Composition中卸載其中地形按照1：1還原，北麓共占地面積127×127平方公里，劃分為36（6×6）個獨立關(guān)卡，每個關(guān)卡為4 033×4 033個像素點，如圖6所示。

圖6 基于高度圖的長白山北麓地形關(guān)卡劃分

經(jīng)過計算與壓力測試，項目的每個獨立地形關(guān)卡頂點為4 033×4 033，每段有63個多邊形，每個組件中分為2×2個段數(shù)，每個組件的大小是126×126，共分為32×32個組件。這樣就可以把北麓的占地面積小的綠淵潭場景和小天池場景放在一個獨立地形關(guān)卡中，便于后期整體隱藏。

按照地形與像素面積1∶1計算，每個關(guān)卡為4.3×4.3公里。關(guān)卡的占地面積可以容納小型場景，如小天池，綠淵潭。而對于長白山天池等大型場景則需要一次性加載所有關(guān)卡資源，并同時卸載最北側(cè)的3個場景：地下森林、綠淵潭和小天池，它們由于距離過遠，而且為了節(jié)省資源，此時無需顯示。

3 結(jié)語

要得到長白山區(qū)相對更加精確的地形，則可以選擇無人機飛行采集數(shù)據(jù)，之后再精確建模。虛幻4引擎可以做到復(fù)制現(xiàn)實中的一草一木，并使用PBR渲染出圖，理論上說用戶在虛擬世界的體驗已經(jīng)與現(xiàn)實世界無異。但礙于當下的VR外部設(shè)備和顯示技術(shù)，即使按照現(xiàn)實中復(fù)原場景，也無法實現(xiàn)流暢的實時預(yù)覽效果。隨著8K技術(shù)的普及，VR外圍設(shè)備還有一段路要走，穩(wěn)定幀數(shù)、高分辨率和傳輸速率都有待提升［10］。

地形構(gòu)建只是構(gòu)建場景中的第一步，并非場景全部，如要達到基本真實的用戶體驗，還要配合靜態(tài)網(wǎng)格和后期效果處理與優(yōu)化才能得到較好的效果。