一種三維虛擬現(xiàn)實(shí)演示的建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于公路生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維虛擬現(xiàn)實(shí)演示的建立方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 交通運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的"先行官"。目前，我國(guó)公路建 設(shè)正處在前所未有的高速發(fā)展時(shí)期，公路建設(shè)的效益與質(zhì)量問題關(guān)系十分重大。路線設(shè)計(jì) 是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，現(xiàn)代公路路線的最優(yōu)設(shè)計(jì)已突破傳統(tǒng)意義上的概念，不僅要求通 行時(shí)間短、工程費(fèi)用少，而且要與周圍的社會(huì)、人文、自然環(huán)境協(xié)調(diào)，要考慮沿線的經(jīng)濟(jì)、人 文自然景觀、生態(tài)環(huán)境等因素。公路生態(tài)監(jiān)測(cè)是及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地掌握公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò) 程中生態(tài)破壞的實(shí)際情況，為采取有效的生態(tài)保護(hù)與治理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)還可以掌握 生態(tài)恢復(fù)措施的運(yùn)行效果。公路生態(tài)監(jiān)測(cè)是公路環(huán)境保護(hù)管理的基礎(chǔ)，對(duì)保護(hù)公路沿線生 態(tài)環(huán)境，促進(jìn)公路運(yùn)輸事業(yè)可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。
[0003] 地理信息系統(tǒng)（Geographical Information Systems)是一種采集、存儲(chǔ)、管理、分 析、顯示與應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。隨著計(jì)算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展，GIS也從原來(lái)的二維向三維可視化邁進(jìn)。當(dāng)今大量信息是以數(shù)據(jù)為載體存 儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，人們對(duì)這類信息的獲取主要是從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯而得 到，但是獲得的信息缺乏直觀性和可讀性。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的發(fā)展使這個(gè)問題的解決成為 可能，三維GIS也成為近年來(lái)GIS研宄領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
[0004] 虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality)是指利用計(jì)算機(jī)和一系列傳感輔助設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)的使 人能有置身于真正現(xiàn)實(shí)世界中的感覺的環(huán)境，是一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境。通過(guò)傳感設(shè)備， 用戶根據(jù)自身的感覺，使用人的自然技能考察和操作虛擬世界中的物體，獲得相應(yīng)看似真 實(shí)的體驗(yàn)。具體含義為：
[0005] ①虛擬現(xiàn)實(shí)是一種基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的多視點(diǎn)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維環(huán)境，這個(gè)環(huán)境 可以是現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)再現(xiàn)，也可以是超越現(xiàn)實(shí)的虛構(gòu)世界；
[0006] ②操作者可以通過(guò)人的視、聽、觸等多種感官，直接以人的自然技能和思維方式與 所投入的環(huán)境交互；
[0007] ③在操作過(guò)程中，人是以一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源的形式沉浸在虛擬環(huán)境中的行為主體， 而不僅僅是窗口外部的觀察者。
[0008] 由此可見，虛擬現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)為人們提供了一種全新的人機(jī)交互方式。與三維動(dòng)畫 相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有很好的真實(shí)感和沉浸感，能夠做到真正的動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性和交互 性。
[0009] 公路虛擬現(xiàn)實(shí)可以將平、縱、橫設(shè)計(jì)資料結(jié)合起來(lái)，生成道路三維場(chǎng)景，虛擬建成 后的道路景觀，這對(duì)于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量有著重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)公路虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì) 方法是在AutoCAD環(huán)境下做出道路模型后，再利用適當(dāng)?shù)娜S制作軟件，在指定瀏覽路徑 情況下，進(jìn)行渲染著色，制成動(dòng)畫。這是靜態(tài)的三維可視化，只能察看指定渲染路徑的三維 動(dòng)畫效果，并且非常耗時(shí)，難于溶于設(shè)計(jì)過(guò)程中。如果能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的對(duì)道路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行 三維可視化，并且在實(shí)時(shí)瀏覽過(guò)程中，通過(guò)與地形屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互查詢， 就可以實(shí)現(xiàn)在道路設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。
[0010] 隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)在公路虛擬現(xiàn)實(shí)中得到廣泛的 應(yīng)用。
[0011] 國(guó)內(nèi)外公路虛擬現(xiàn)實(shí)研宄概況
[0012] 國(guó)內(nèi)的公路虛擬現(xiàn)實(shí)研宄從CAD的研宄開始。80年代末期至90年代中期，隨著 AutoCAD等圖形支撐軟件的發(fā)展，線路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)也從單純的數(shù)值計(jì)算分析發(fā)展 為圖形交互式自動(dòng)設(shè)計(jì)，開發(fā)出了集地形資料處理、工程費(fèi)計(jì)算、圖形交互設(shè)計(jì)、縱斷面自 動(dòng)設(shè)計(jì)以及繪制線路平、縱斷面圖為一體的一套完整的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。到90年代中 期，國(guó)內(nèi)己經(jīng)能方便地獲得供鐵路或公路路線計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)用的數(shù)字地形信息，現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 計(jì)部門在航測(cè)技術(shù)的研宄與應(yīng)用方面、計(jì)算機(jī)輔助勘測(cè)與設(shè)計(jì)方面、以及計(jì)算機(jī)輔助成圖 方面均做了大量的研宄與開發(fā)工作。
[0013] "九五"期間，交通部組織實(shí)施的國(guó)家"九五"重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目"GPS、航測(cè)遙感、公 路CAD集成技術(shù)"，現(xiàn)已開發(fā)完成。該項(xiàng)目基于國(guó)內(nèi)已有的公路CAD系統(tǒng)的水平和當(dāng)前較高 起點(diǎn)的硬件、軟件平臺(tái)，著重研宄地形數(shù)據(jù)采集（如GPS、航測(cè)及數(shù)字測(cè)圖、遙感、地面速測(cè) 等）、工程數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)的集成化、可視化、智能化、三維設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)仿真、高交互性等先進(jìn)技 術(shù)在公路設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，將我國(guó)的公路CAD基礎(chǔ)理論及實(shí)際應(yīng)用推上了一個(gè)新臺(tái)階， 從而大幅度提高了我國(guó)公路的測(cè)設(shè)水平。中南大學(xué)道路與鐵道工程研宄所結(jié)合湖南省科委 課題"公路數(shù)字地形圖機(jī)助設(shè)計(jì)系統(tǒng)"開發(fā)了道路設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的三維可視化系統(tǒng)，可以 將三維可視化融入設(shè)計(jì)過(guò)程。
[0014] 國(guó)內(nèi)一些單位的道路三維景觀模型的建立和漫游大多采用的方法是將設(shè)計(jì)平臺(tái) (例如AutoCAD)的設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入其他三維動(dòng)畫渲染平臺(tái)（例如3DStudfo MAX)，對(duì)每個(gè) 面進(jìn)行手工增貼紋理，然后設(shè)置燈光和漫游路線，最后進(jìn)行場(chǎng)景渲染生成動(dòng)畫文件并保存。 這種方法針對(duì)三維道路及其地形景觀實(shí)現(xiàn)較為逼真、細(xì)膩的表現(xiàn)結(jié)果，但存在三大局限：
[0015] (1) -條公路或鐵路長(zhǎng)達(dá)上百公里，表面多邊形多達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)，手工貼圖操作的工 作量很大，耗時(shí)耗力，成本昂貴。
[0016] (2)觀察者通過(guò)渲染得到的動(dòng)畫只能沿著固定的一條路線瀏覽，無(wú)法自由地進(jìn)行 交互式漫游；
[0017] (3)無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維的空間查詢、分析和屬性管理。
[0018] 這些缺陷不同程度地制約著公路三維景觀模型在公路設(shè)計(jì)和管理應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā) 揮更加積極的作用。
[0019] 國(guó)外主要是研宄開發(fā)自己的三維道路設(shè)計(jì)平臺(tái)，除了一些通用的設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件如 Autodesk公司的產(chǎn)品AutoCAD和Adobe公司的產(chǎn)品3DS Max之外，還有一些專用的道路設(shè) 計(jì)模塊值得注意，例如Multigen-Paradigm公司的軟件產(chǎn)品Creator推出的道路建模與漫 游模塊Road，它通過(guò)手工輸入道路設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建道路表面幾何模型，具備靈活的紋理映射 工具，加上固有的地形構(gòu)建工具，可以構(gòu)建道路場(chǎng)景的整體景觀模型，并可在Creator平臺(tái) 上對(duì)構(gòu)建的道路場(chǎng)景及時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的駕駛模擬，因而在國(guó)外三維道路景觀模型的建模和瀏 覽方面有廣泛應(yīng)用。
[0020] 但是，針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)道路設(shè)計(jì)行業(yè)中的大量設(shè)計(jì)成果（包括平、縱、橫斷面和矢量 地形）Creator并不能直接支持這些數(shù)據(jù)格式尤其是各個(gè)設(shè)計(jì)單位自己定義的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和 組織的方式，也就不能將道路設(shè)計(jì)的成果導(dǎo)入系統(tǒng)中進(jìn)行自動(dòng)化建模，要想達(dá)到動(dòng)態(tài)可視 化的目的，必須在Creator中按照己有的設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行再一次手工建模，顯然耗時(shí)耗 力，成本昂貴。
[0021] 國(guó)內(nèi)一些生產(chǎn)單位針對(duì)道路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的三維景觀模型的建模和瀏覽方法提出 直接支持道路設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)途徑。主要可分成以下兩類：一類是以交通部公路第一 勘測(cè)設(shè)計(jì)研宄院為代表，它保持原有CAD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和文件組織方式，使用CAD系統(tǒng)的二次開 發(fā)工具對(duì)CAD系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，增加三維道路景觀模型貼圖和動(dòng)態(tài)瀏覽的插件。這種方法的 優(yōu)點(diǎn)是道路二維和三維設(shè)計(jì)和表現(xiàn)真正集成到同一平臺(tái)，能借助商用CAD系統(tǒng)獲得很強(qiáng)的 三維幾何編輯能力，便于道路幾何模型的修改，但由于受到CAD系統(tǒng)本身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的制約 和二次開發(fā)能力的限制，很難生成真實(shí)感較強(qiáng)的景觀模型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)勘測(cè)信息與圖形的關(guān) 聯(lián)查詢、修改，另外還受到CAD數(shù)據(jù)內(nèi)存管理方式的影響，對(duì)于大數(shù)據(jù)量地形和道路模型動(dòng) 態(tài)調(diào)度處理能力很弱；另一類是以中南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院為代表，它設(shè)計(jì)新的三維數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)和道路場(chǎng)景組織方式，開發(fā)獨(dú)立于CAD系統(tǒng)的三維建模、瀏覽和分析應(yīng)用平臺(tái)。它把 勘測(cè)設(shè)計(jì)的成果數(shù)據(jù)看成是外部數(shù)據(jù)源，依據(jù)勘測(cè)設(shè)計(jì)成果DTM、平縱橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行道路 三維景觀模型的建模和瀏覽，包括對(duì)三維道路模型映射紋理從而生成道路的真實(shí)感景觀模 型。
[0022] 第二類研宄代表著未來(lái)的發(fā)展方向，但依然還有幾個(gè)有待完善的技術(shù)問題：
[0023] (1)直接支持道路勘測(cè)設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)的道路及其地形的整體景觀模型的自動(dòng)枚 建；
[0024] (2)海量地形和道路模型數(shù)據(jù)一體化管理與無(wú)縫動(dòng)態(tài)漫游；
[0025] (3)高分辨率遙感影像應(yīng)用于地形景觀的表達(dá)（由于道路專業(yè)背景的限制，行業(yè) 應(yīng)用的地面紋理大多使用人造假紋理），包括對(duì)帶狀地形遙感影像的處理和建庫(kù)方法；
[0026] (4)勘測(cè)信息與道路幾何模型的關(guān)聯(lián)查詢、編輯等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種三維虛擬現(xiàn)實(shí)演示