基于Terra Vista构建三维虚拟场景研究

夏红梅, 张欣景, 张文娟



基于Terra Vista构建三维虚拟场景研究

夏红梅, 张欣景, 张文娟

1引言

虚拟现实,也称虚拟实境或灵境,是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统,它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境,用户通过使用各种交互设备,同虚拟环境中的实体相互作用后进行交互式视景仿真和信息交流[1]。虚拟现实技术在军事领域有着广阔的应用空间,在军事训练模拟、军事行动实验仿真等活动中应用尤其广泛[2]。

三维虚拟场景基于虚拟现实技术实现,主要包括地形、地物、自然景观与自然现象等因素。三维虚拟场景提供给用户一个可视的虚拟环境,如同真实环境一样,用户可以自由地在场景中漫游,甚至可以配备声音使用户沉浸其中。它可以把抽象、复杂的事物以直观的、用户熟悉的方式表达出来,极大地满足了人们认识客观抽象事物的需求[3]。

近年来,随着虚拟现实技术在各领域越来越广泛的应用,三维虚拟场景作为虚拟现实中不可缺少的组成部分,越来越受到重视,三维虚拟场景方面的研究已经成为虚拟现实中亟需解决的重要课题。

2开发平台简介

(1) Terra Vista简介

构建虚拟场景的软件平台比较多,如Vega Prime、Java3d、Terra Vista等,本文选择基于Terra Vista构建虚拟场景。Terra Vista是三维地形建模中应用最广泛的软件工具之一,是基于Windows平台的实时三维地形数据库生成软件,适合大数据量的地形生成。

该软件的主要特点有:① 强的扩展性,用户可根据具体需要在Terra Vista上挂接特定的外接模块。② 自动生成,在输入数据源及设置好数据库参数后Terra Vista能自动将所需的各种数据元素合成生成3D地型数据库。输出的时实数据立即就能为用户使用,这大大降低了劳动强度及各种相关费用。③ 高级特性,Terra Vista具有实现3D实时数据库所要求的的各种高级特征包括:SmartMeshTM,GeoPaintTM 和优化OpenFlight 的输出。SmartMesh 自动建立iTIN(完整的三角型网格结构)自动作多级(LOD)的匹配,既在距离远时三角形网格数会自动减少,在距离近时会自动增加三角形网格数,既符合人眼的视觉效果又保证每帧的多边型的数量;GeoPaint 保证了视景实时运行时,在高级LOD 到低级LOD过度时的视觉质量不产生剧烈的跳动。④ 易于使用,Terra Vista的多边型计算、参数配置向导和Windows界面非常易于学习和操作,对初学者来说绑定的缺省数据源,自动生成工具都大有益处。对于高级的用户能够直接设置所有适合与仿真的参数和最终控制来定制数据库结构。⑤ 工程的管理,每一项Terra Vista工程装入了所有的地型数据库生成的各个条目。⑥ 大型地型的生成,Terra Vista胜过别人还在于大型地型库的生成,实际已用Terra Vista完成的大型地型库有Nevada飞行实验场、西部欧洲、整个美国的地型等等。

(2) Creator简介

目前三维建模软件有很多,如MAYA,3DSMax,VRML,Multigen Creator等。3DSMax建模精度很高,但是数据量很大;VRML建模方便,数据量小,但对复杂模型的表现功能不强;Creator方便建立模型,数据量小。因此虚拟场景中三维模型选用Creator来建立。地景中的房屋、道路、建筑等显著地标在Creator中创建,然后以三维模型方式导入Terra Vista模型库中。

3数据准备

在用Terra Vista软件构件建立三维虚拟场景之前,先要准备好构建场景所需要的各种数据。所需源数据类型有地形高程数据、遥感影像数据、文化特征数据、三维模型数据等。尽管Terra Vista可以识别几十种格式的数据源,但在建立虚拟场景前,将现有数据转换为Terra Vista可以识别的数据,这仍然是一项十分重要和繁琐的工作。

地形高程文件可以自己制作、也可从国家科学数据平台或者其它网站下载,可以通过Global Mapper、ArcGIS软件转换成我们所需要的格式;遥感影像可以在谷歌地球上下载,高清影像可以在中国天地图上下载或者通过其它渠道购买;文化特征数据可以在ArcGIS中制作成shape格式;三维模型可以用Creator软件构建,所有的这些数据准备好以后,导入Terra Vista生成各类数据库。

3.1地形高程文件

真实地形是现实世界中真实地形的再现,真实度较高,一般采用真实世界中的具体数据来构造,如数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)。DEM制作标准较多,目前还没有统一的标准格式,不同的国家和数据生产单位可能有自己的DEM标准。Terra Vista可支持多种DEM格式,比如常用的美国地理USGS DEM 数据标准、Grid II格式、Geo Tiff 16 bit格式、DTED格式以及Bil、Bmp格式等。

3.2遥感影像数据

遥感影像用于逼真显示地形形态、山川分布、地表植被和河流走向等,也作为细部矢量线平面校准的依据[4]。带有地理参考的影像,如GeoTiff格式的影像内部含有投影信息和地理坐标信息,可以直接与DEM 进行配准从而有效地进行地形的自动生成,还可为细部的矢量线建模提供平面校准信息[5]。在某些情况下,也可直接在Terra Vista或者ArcGIS软件中利用遥感影像补充地物的线画数据。其他数据如jpeg、bmp格式影像数据内部没有地理参考信息,可通过Global Mapper或者ArcGIS进行校准,并输出为Geotiff格式数据,再导入Terra Vista。

3.3文化特征数据

文化特征数据(Cultural Feature Data)有时又称矢量数据或者特征数据,如自然的水体、森林和人工的房屋、道路等[6],是建立具有真实感三维地形必不可少的。它不包含特征的高程信息,但是导入文化特征数据后,Terra Vista就可以根据高程源文件信息推导出文化特征的高程。

3.4三维模型数据

Terra Vista软件中自带有模型库,里面有一些简易的三维模型,在实际的三维虚拟场景中远远不够。要使虚拟场景显得更真实,对虚拟场景中特定的房屋、桥梁、树木、建筑等需要另外制作的显著地标通常采用Creator软件建立三维模型。实拍需建模型的实体照片进行处理得到模型的纹理,导入到Creator中,再采用纹理映射技术,给模型表面贴上纹理,经过光照、材质、阴影计算后得到真实感强的三维模型,实现逼真的视觉效果。

4三维虚拟场景的构建

Terra Vista采用项目管理的方式管理三维地形数据库,新建project(工程)后,将模型(Models)、文化特征(Culture)、遥感影像(Imagery)、高程(Elevation)、纹理(Textures)数据分类载入(import)后,通过编辑(edit)地形数据库参数、文化特征参数,即可生成(generate)虚拟场景,最后发布(publish),如图1所示。整个建模过程是自动且可重复的。整个过程中源数据载入、地形数据库参数和文化特征参数编辑、生成虚拟场景等几个部分是关键。

图1　虚拟场景生成过程图Fig.1　The process of virtual scene generation

4.1数据载入

新建工程后Terra Vista中需要载入的数据有地形高程数据DEM、遥感影像、文化特征数据以及三维模型数据、纹理数据等。数据载入后,Terra Vista将其转换为自己的数据类型。DEM数据转换为.thm格式;遥感影像转换为.ecw图形格式;文化特征数据转换为.vec矢量格式。三维模型和纹理数据在导入后在Terra Vista的模型库和纹理库中可以找到。数据载入时为保持大地形中各种数据的配准关系,需要采用统一的投影方式。Terra Vista提供多种地图投影方式,一般选用WGS84 UTM或者Flat Earth方式。

4.2地形数据库参数

数据载入时需要在Terra Vista中设置地形生成参数,这一步比较重要,关系着生成模型的精确度和生成文件大小,很多指标都在这里面设置。Terra Vista中使用Polygon Calculator工具如图2所示进行原始地形高程及纹理数据的网格划分。网格划分时确定视野范围、多重细节(LOD)数量、网格大小、三角形密度等参数。这些参数决定了建模精细程度和相应的系统开销。FOV参数决定了观察者的可视锥区;LODs参数定义了LOD的个数,并在左侧进行拖动可以定义各个LOD的可视范围;Far Visibility参数定义了最底层LOD的可视范围,在这个范围之外地形不可见;Terra Vista将整个地形划分为若干个小块进行生成(build),每个小块对应着生成的一个flt文件,Block size参数定义了每个小块的大小,所以,size越小,生成的块也就越小,地形也就越精确。

图2　Polygon Calculator工具Fig.2　Tool of Polygon Calculator

4.3文化特征参数编辑

文化特征数据有时又称矢量数据或者特征数据,如森林、自然的水体、道路和建筑物等,是建立具有真实感三维地形必不可少的。它不包含特征的高程信息,但是导入文化特征数据后,Terra Vista就可以根据高程源文件信息推导出文化特征的高程。

Terra Vista支持的矢量数据格式较常用的如USGS数字线画图(Digital Line Graph,DLG)、USGS土地利用和土地覆盖(Land Use Land Coverage,LULC)、NIMA数字特征分析数据(Digital Feature Analysis Data,DFAD)、Vector Product Format(VPF)和ArcView的Shape Files格式[6]。

地物建模在真实大地景仿真中具有非常重要的作用。由于地物类别繁多,每一地物涉及众多属性,故此地物编辑的工作只能手工完,因此文化特征数据编辑是建模中最为繁琐的环节之一。文化特征数据一般有三大类型,面、线和点矢量。每类都有默认属性,根据遥感影像和仿真需要,可以修改其属性。比如一片森林,可以设定其树木的类型和密度。创建好矢量后,直接与3D模型相关联,直接将该块区域生成后观察效果,不能满足要求时再进行修改[7]。

(1) 面状矢量的编辑

面状地物如湖泊、森林、城镇和沙漠地区等一般用面状矢量表示,Terra Vista中用红色的轮廓线显示。选择矢量编辑面板(Vector Editor),点击工具栏中的建立面(Create Areals)工具,选择模板的名字(Template Name)如Trees,在特征方式列表(Feature Model)中选择如高密度树(Tree Scatter-High Density),指定属性后,可以在已配准的影像上勾画出特征的轮廓,右击鼠标结束面状矢量的绘制,生成后即可得到相应的模型。

(2) 线状矢量的编辑

线状地物如河流、公路、铁路和输电线等一般用线状矢量表示,Terra Vista中用蓝色的线显示。在线状地物编辑中,线路上各点高程值采用DEM数据,也可采用自身高程值,其宽度可以在属性中进行设置。选择矢量编辑面板,点击工具栏中的建立线(Create Linears)工具在已配准的影像上绘制线段,选择Template面板,在模板属性(Attribute Template)下拉列表中,选择线矢量的类型如交通(Transportation),在特征方式列表中进行选择如基础道路(Primary Road),设置好后点击应用选择(Apply to Selection),生成后可得到相应模型。

(3) 点状矢量的编辑

点状地物如机场、独立树和建筑物等一般用点状矢量表示,Terra Vista中用紫色的点显示。点状矢量的编辑和面状矢量类似,在矢量编辑面板工具栏中选择建立点(Create Points)工具,选择模板的名字,并在特征方式列表指定特征方式,在视图窗口的影像上绘点,生成后可得到相应的实体模型。

4.4虚拟场景生成

当虚拟场景中的大地形区域比较大时,如果计算机配置不高,可分块编辑,再分块编译检查,最后统一进行整个区域的编译,这样可加快编辑的速度。生成的数据以划分的网格为单元存储在模型文件中,最后通过外部引用节点将各网格文件集成在文件master.fit中。生成好的文件就存放在工作目录下的flight子目录下,在此目录下有所有的地形文件和对应纹理,如果在矢量上添加了.flt格式的模型,此.flt模型文件和纹理也将在目录中出现,在相对应的flt文件里被引用。

5实验验证

在实验环境是一台CPU为Intel(R)Core(TM)2 Duo CPU E7300@2.66GHz、显卡为NVIDIA GeForce GTX660、内存3GB、Windows XP操作系统下,采用Terra Vista6.2软件生成三维虚拟场景。影像数据格式为.tif,主要地区分辨率为0.5m,边远区域分辨率为30m;高程数据格式为DEM,分辨率为30m,Tile Size如表1所示;LOD为3级,Block为2048m;Texture尺寸为256m*256m;图3中黑色网格显示的为数据分块,蓝色的为线矢量数据,红色的为面矢量数据,其它数据不一一介绍,整个地形面积为53KM*26KM,整个三维虚拟场景生成时间约2小时。生成的三维虚拟场景在Vega Prime里预览,实时漫游时刷新率稳定在60帧/s以上,效果如图4所示。

表1地形Tile Size设置

Tab.1Terrain setting of Tile Size

图3　Terra Vista6.2 视图窗口Fig.3　View window of Terra Vista6.2

6结语

本文阐述了在Terra Vista中构建虚拟场景的流程和方法,并进行了验证。基于Terra Vista构建三维虚拟场景,对于传统的平面地形图是很好的补充。三维虚拟场景技术应用广泛,可在如城市规划、军事模拟、游戏、地理等方面等诸多领域发挥重要的作用。

图4　虚拟场景效果图Fig.4　Virtual scene renderings

参考文献:

[1]李强.三维虚拟场景系统研究[D].西安:西安电子科技大学,2008,34(1):270-275.

Li Qiang.Research on three-dimensional virtual scene system[D].XiAn:Xidian University,2008,34(1):270-275.

[2]夏红梅,聂卫国,张欣景.海军两栖作战虚拟仿真实验室建设研究[N].北京:国防大学出版社,2014:332-333.

XIA Hongmei,NIE Weiguo,ZHANG Xinjing.Research in construction of virtual simulation laboratory for navy amphibious warfare[N].Bing Jing:National Defense University press,2014:332-333.

[3]孙轶红,赵增慧.虚拟三维场景与二维电子地图交互系统研究[J].计算机工程,2008(1):270-275.

SUN Yihong,ZHAO Zenghui.Research on dynamic response system between 3D virtual scene and 2D digital map[J].Computer Engineering,2008(1):270-275.

[4]Presagis Inc.Terra Vista 6.2 Tutorial:Getting Started[M].Canada Presagis Inc,2011.

[5]张尚弘,张超,郑钧,等.基于Terra Vista的流域地形三维建模方法[J].水力发电学报,2006,25(3):36-39.

ZHANG Shanghong,ZHANG Chao,ZENG Jun,et al.A 3D watershed terrain modeling method based on software Terra Vist[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2006,25(3):36-39.

[6]Presagis Inc.Terra Vista help[M].Presagis Inc,2011.

[7]田君良,谢云开,唐小贝,等.基于Terra Vista的真实大地景模拟仿真[J].指挥控制与仿真,2013,35(1):83-86.

TIAN Junliang,XIE Yunkai,TANG Xiaobei,et al.Simulation of real large land scene based on Terra Vista[J].Command Control&Simulation,2013,35(1):83-86.

夏红梅女(1981-),湖北麻城人,硕士,主要研究方向为系统建模与仿真、作战模拟等。

张欣景男(1977-),副教授,硕士,中校,主要研究方向为系统建模与仿真、作战模拟等。

(海军陆战学院模拟训练中心,广东 广州510430)

摘要：作为虚拟现实的基础,三维虚拟场景建模与仿真技术受到越来越多的重视,并得到了广泛的应用。本文对基于Terra Vista软件构建三维虚拟场景的方法进行了研究。首先,阐述了Terra Vista在虚拟场景建模方面的强大特性以及Creator在三维建模方面的独特品质。然后,利用准备好的数据,具体说明了在Terra Vista中构建三维虚拟场景的流程。最后,实例验证了基于Terra Vista构建三维虚拟场景的有效性。

关键词：三维虚拟场景; 虚拟现实; Terra Vista; Creator

Research on the Construction of 3D Virtual Scene Based on Terra VistaXIAHongmei,ZHANGXinjing,ZHANGwenjuan

(Training Simulation Center,Naval Marine Academy,Guangzhou 510430)

Abstract：As the basis of virtual reality,three-dimensional modeling and simulation of virtual scenes technology is paid more and more attention and applied to many fields.In this paper,the method of construction of 3D virtual scene based on terra vista is studied.Firstly,the powerful speciality of terra vista about terrain modeling and the unique character of creator on the field of 3D modeling are discussed.Then prepared data specifying the process is employed to build a three-dimensional virtual scene.Finally,examples are used to demonstrate the effectiveness of construction of three-dimensional virtual scene with terra vista.

Key words：three-dimensional virtual scene;virtual reality;Terra Vista;Creator

中图分类号：TP 391

文献标识码：A