陳璐

（長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434000）

1 關(guān)鍵技術(shù)軟件相關(guān)介紹

1.1 Global Mapper

Global Mapper 是一個(gè)繪圖軟件，主要功能是瀏覽、合成、輸入、輸出最常見的掃描位圖、輪廓線，矢量數(shù)據(jù)集，還可以編輯、轉(zhuǎn)換、打印所有類型的地圖圖形文件，也可以更改數(shù)據(jù)集的投影方法以適應(yīng)不同人員項(xiàng)目的不同坐標(biāo)系。

1.2 SketchUp Pro 建模工具

SketchUp 是一個(gè)功能強(qiáng)大且易于使用的3D 草圖設(shè)計(jì)工具?？焖贅?gòu)建3D 地形模型具有明顯的優(yōu)勢(shì)。SketchUp 得到了設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可和要求：其簡(jiǎn)化的命令，易用性和快速建模可以匹配常見的工作模式。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)了該項(xiàng)目并對(duì)其進(jìn)行了概述之后，可以使用SketchUp 快速實(shí)施自己的設(shè)計(jì)理念并快速創(chuàng)建創(chuàng)意解決方案。

1.3 Unity3D 虛擬現(xiàn)實(shí)引擎

Unity3D 引擎已經(jīng)超越了全球原有的UDK，CryTek 和其他游戲引擎。它支持所有與3D 游戲開發(fā)、AR，Unity3D 是世界各種游戲公司的開發(fā)人員都熱愛使用的一款開發(fā)工具。此外Unity3D 開發(fā)工具的特點(diǎn)不僅在于其卓越的性能，還在于其卓越的開發(fā)效率。同時(shí)，它具有世界上其他開發(fā)工具無法提供的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。

2 構(gòu)建三維地形模型

首先通過SketchUp 中的等高線根據(jù)CAD 中等高線的高度值推拉到相應(yīng)的高度，選中一根等高線使用移動(dòng)工具進(jìn)行等高線Z 軸度量的設(shè)置，可使用移動(dòng)工具快捷鍵M 對(duì)等高線進(jìn)行X、Y、Z 軸的推拉。選中等高線使用快捷鍵M以后我們可以發(fā)現(xiàn)鼠標(biāo)發(fā)生了了標(biāo)志的變化，此時(shí)我們將等高線順著藍(lán)軸Z 軸進(jìn)行移動(dòng)，可根據(jù)海平面的高低決定向Z 軸的正方向還是負(fù)方向進(jìn)行移動(dòng)。

圖1 三維地形圖

為了還原真實(shí)的地形高低，我們根據(jù)CAD 中提供的等高線確切數(shù)值進(jìn)行直接設(shè)置。

使用快捷鍵Ctrl+A 快速選中所有等高線使用沙盒工具中的根據(jù)等高線創(chuàng)建即可自動(dòng)生成地形，生成的地形如圖1。

3 地形紋理貼圖

我們將下載好的衛(wèi)星圖以所有支持的圖像類型為文件類型選擇用作圖像導(dǎo)入SketchUp。在進(jìn)行紋理貼圖時(shí)我們首先要右鍵點(diǎn)擊導(dǎo)入的圖片在陰影功能中選擇投影，其次再打開模型，打開材質(zhì)管理器，選擇樣本原料吸管直接在圖片上吸取，將吸取的材質(zhì)賦予所要的物體就完成了地形的紋理貼圖。

圖2 山體紋理貼圖頂視

4 LOD 技術(shù)原理

細(xì)節(jié)層次（level of detail，簡(jiǎn)稱LOD）是一種典型的三維可視化技術(shù)，根據(jù)人的視覺特征，對(duì)于不同距離的物體或不同視點(diǎn)的物體顯示不同的細(xì)節(jié)。LOD 技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了離散LOD 模型、連續(xù)LOD 模型和多分辨率模型3 個(gè)階段[3]。

為相同場(chǎng)景生成具有不同詳細(xì)程度的LOD 模型，并根據(jù)詳細(xì)程度對(duì)該組中的LOD 模型進(jìn)行分類，并通過計(jì)算機(jī)選擇的序列號(hào)M（1，2，...，N）進(jìn)行標(biāo)識(shí)。同時(shí)，可以通過計(jì)算中心點(diǎn)為目標(biāo)LOD 模型對(duì)應(yīng)的每個(gè)子組，定義目標(biāo)視點(diǎn)與目標(biāo)之間的距離，可以獲得目標(biāo)的視線，為每個(gè)LOD 模型設(shè)置可見性閾值，并且通過閾值將觀看距離分成不同的視線段，將這些視距段標(biāo)記為D（1，2，...，N）。

圖3 不同視距中LOD 模型

圖4 實(shí)現(xiàn)效果圖

5 LOD 模型的選擇

正確選擇細(xì)節(jié)層次模型可以加速場(chǎng)景的生成，而不會(huì)犧牲圖形的細(xì)節(jié)并提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。選擇的方法大致可分為四類：

（1）基于對(duì)象的空間關(guān)系：在某些特殊情況下，觀察者在場(chǎng)景中看不到部分幾何圖形。物體距離觀察者的歐幾里得距離越遠(yuǎn)，可以觀察到的細(xì)節(jié)越少，這意味著較粗糙的細(xì)節(jié)水平被選擇來指示該對(duì)象對(duì)顯示器的保真度沒有很大影響。因此，可以刪除這些細(xì)節(jié)的繪制。

（2）基于人眼的視覺特征：隨著對(duì)象尺寸的減小，人眼識(shí)別對(duì)象的能力降低，因此可以根據(jù)對(duì)象的大小選擇不同的細(xì)節(jié)級(jí)別。另外，當(dāng)物體遠(yuǎn)離視場(chǎng)中心時(shí)，人眼識(shí)別物體的能力下降。視網(wǎng)膜區(qū)分中間物體細(xì)節(jié)的能力很強(qiáng)?；诖?，所顯示的場(chǎng)景可以分為中央部分和周邊部分，具有更精細(xì)的細(xì)節(jié)層次。根據(jù)眼睛的焦距，也可以為焦點(diǎn)區(qū)域前后的物體選擇不同的細(xì)節(jié)等級(jí)。

（3）基于對(duì)象的運(yùn)動(dòng)特性：運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于觀察者的速度決定了人觀察到的清晰程度。

（4）基于幀頻：確保持續(xù)穩(wěn)定的幀速率以獲得良好的交互式性能至關(guān)重要。當(dāng)確定選擇某個(gè)幀速率時(shí)，它必須保持不變并且不能隨著場(chǎng)景的復(fù)雜度而改變。

6 LOD 模型的實(shí)現(xiàn)

6.1 不同細(xì)節(jié)度模型的建立

本文采用基于人眼的視覺特性的LOD 模型的選擇方式，對(duì)三維地形建立三個(gè)不同細(xì)節(jié)度的模型，采用與第三節(jié)相同的方法再建立兩個(gè)相對(duì)較粗糙的模型。在Global Mapper 中我們對(duì)裁剪區(qū)域的高程地圖重新進(jìn)行等高線的生成。對(duì)等高距的設(shè)置在這里我們選擇6m 和8m，對(duì)生成的等高線圖以AutoCAD Drawing(*.DWG、*.DXF)的格式輸出后導(dǎo)入到SketchUp 中，同樣的將SketchUp 中的等高線根據(jù)CAD 中等高線底圖顯示的高度值推拉到相應(yīng)的高度，再使用沙盒工具中的根據(jù)等高線創(chuàng)建工具自動(dòng)生成兩個(gè)不同細(xì)節(jié)度的三維地形。

6.2 將三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity

在SketchUp 導(dǎo)出模型時(shí)要注意選擇參數(shù)，在文件中的導(dǎo)出功能中選擇三維模型選擇以FBX 格式輸出，再導(dǎo)出之前我們要修改一下FBX 導(dǎo)出的幾個(gè)選項(xiàng)：

（1）選中將所有面變?yōu)槿切螛?gòu)成的。

（2）選中將雙面都導(dǎo)出。

（3）選中導(dǎo)出紋理映射。

（4）選中切換YZ 坐標(biāo)（Y 向上）。

（5）單位選擇模型單位。

點(diǎn)擊確定以后導(dǎo)出即可，Unity3D支持模型的直接拖入。高中低模型分別以_LOD0、_LOD1、_LOD2 結(jié)尾，數(shù)字越大，代表模型精度越低！這里名字的設(shè)置方便后續(xù)LOD組件中對(duì)模型的設(shè)置。

6.3 LOD 效果的制作與實(shí)現(xiàn)

通過Unity3D 軟件進(jìn)行LOD 進(jìn)行展示，如圖4。

我們可以發(fā)現(xiàn)隨著攝像機(jī)與模型的距離的增大，即人遠(yuǎn)離模型時(shí)視距的增大，模型的細(xì)節(jié)度逐漸降低，模型逐漸變小；反之隨著攝像機(jī)與模型的距離的減小，即人遠(yuǎn)離模型時(shí)視距的減小，模型的細(xì)節(jié)度逐漸增加，模型逐漸變大。

7 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)選擇區(qū)域高程地圖的剪裁并為生成不同細(xì)節(jié)度三維地形而選擇不同等高距來生成等高線地形圖，我們?cè)赟ketchUp 中建立了高中低三個(gè)細(xì)節(jié)度的三維地形模型，最終我們?cè)赨nity 中成功實(shí)現(xiàn)了LOD 模型的展示。對(duì)于建立三維模型的操作過程流暢，LOD 模型在Unity 中展示效果優(yōu)良。

層次細(xì)節(jié)模型在三維景觀的展示中應(yīng)得到開發(fā)人員的高效利用，其使虛擬現(xiàn)實(shí)景觀的展示效率得到大幅提高，加快了三維場(chǎng)景的繪制速度，降低真實(shí)感的損失，讓虛擬現(xiàn)實(shí)景觀展示效果更加逼真。