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虛擬城市的開發(fā)技術(shù)探討工學(xué)論文
摘要：本文介紹了虛擬城市的原理及其開發(fā)技術(shù)，闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)基本手段和過程，并進(jìn)一步敘述了優(yōu)化應(yīng)用的常用技巧。
關(guān)鍵詞：虛擬城市，VRML, LOD
長期以來，城市規(guī)劃人員的一個(gè)重要的工作就是進(jìn)行各種設(shè)計(jì)或規(guī)劃圖的繪制，但是這些圖紙并不能給人們提供一個(gè)直觀的、富有真實(shí)感的場景。后來，人們雖然也使用紙板或木料來制作三維模型，以實(shí)現(xiàn)城市景觀的三維可視化。但其制作的工作量巨大、費(fèi)用昂貴、須具備較高的制作技巧，而且僅能從外圍觀看，無法進(jìn)入，修改也很困難。鑒于以上原因，在計(jì)算機(jī)上建立三維虛擬城市成為必然。虛擬城市的建立能夠全方位地、直觀地給人們提供有關(guān)城市的各種具有真實(shí)感的場景信息，并可以以第一人稱的身份進(jìn)入城市，感受到與實(shí)地觀察相似的真實(shí)感。虛擬城市的各種模型易于修改，而且可以實(shí)現(xiàn)城市信息的查詢與分析功能。這些都是傳統(tǒng)的方法所無法比擬的。本文用制作實(shí)例的方式探討了虛擬城市的開發(fā)技術(shù)。
1． 虛擬城市開發(fā)的基本原理
要建立虛擬城市，首先要建立三維城市模型。三維城市空間中的典型實(shí)體對象一般具有以下幾種：城市中的各種建筑物、街道、綠地、公共場所、城市地形、樹木等。除此以外，還有一些輔助性的設(shè)施，如消防栓、變電站、噴泉、公園的長椅等。這些模型的制作可以采用編程的方法或者現(xiàn)有的三維模型制作軟件來完成。所謂編程的方法是在程序中利用三維空間中的坐標(biāo)點(diǎn)和圖形繪制函數(shù)來實(shí)現(xiàn)模型的建立，由于城市模型的造型十分復(fù)雜，因而很難確定模型的具體幾何數(shù)據(jù)，此方法多用來制作地形模型，對于其他模型的制作則很少采用。制作城市模型的最好的方法是使用現(xiàn)有的成熟的三維設(shè)計(jì)軟件，如：3DSMAX、TRUESPACE等。
虛擬城市除了能實(shí)現(xiàn)城市信息的三維可視化外，其另一個(gè)重要的功能就是能實(shí)現(xiàn)城市專題信息的查詢功能，甚至實(shí)現(xiàn)一定的分析功能�？梢詫⑻摂M城市定義為以下公式：
虛擬城市=三維城市模型+專題信息+查詢功能+分析功能
要實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬城市系統(tǒng)可考慮以下兩種方案：
一種方案是利用高級語言和三維圖形開發(fā)庫的方法，常用的開發(fā)語言是C++，常用的圖形開發(fā)庫是OpenGL3D或者 Directx3D。此方法的特點(diǎn)是開發(fā)的靈活性強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)功能復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是開發(fā)者須熟練掌握編程技術(shù)，并且具備較高的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識。另外，還要學(xué)習(xí)OpenGL3D或者 Directx3D的復(fù)雜開發(fā)技術(shù)。此方案的實(shí)現(xiàn)難度大，一般用戶根本無法勝任。其實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)也很難滿足網(wǎng)上使用的要求。
第二種方案是使用專用的三維虛擬開發(fā)工具，目前廣泛使用的是VRML語言。VRML（虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言）是一種描述交互式三維世界和對象的文件格式。VRML允許描述對象并把對象組合到虛擬場景中，可以實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)，可模擬動畫、具有動力學(xué)特性的物體。VRML能構(gòu)造一個(gè)全交互的世界，其中的對象能對外部事件做出響應(yīng)，并可在其中任意穿行。另外，其重要特性是支持虛擬場景的網(wǎng)上發(fā)布，并可實(shí)現(xiàn)多用戶的實(shí)時(shí)參與。VRML比高級語言容易掌握，并且無須再去了解OpenGL3D或者 Directx3D之類的三維圖形開發(fā)庫，這對于普通用戶來說無疑是一個(gè)福音。若配以Java程序的支持，也可實(shí)現(xiàn)功能較強(qiáng)大的系統(tǒng)。
綜合以上兩種方法，對于功能不太復(fù)雜的應(yīng)用，采用后一種方法較為合適。下面我們將就后一種方案詳細(xì)介紹虛擬城市開發(fā)的技術(shù)細(xì)節(jié)。
2． 虛擬城市的開發(fā)技術(shù)
2．1．三維城市模型的建立
虛擬場景的建立和建筑CAD中的場景的建立有著很大的區(qū)別，它首先強(qiáng)調(diào)的是模型的簡單化，這是由虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)性要求決定的。在響應(yīng)速度和場景的真實(shí)性發(fā)生沖突時(shí)，應(yīng)犧牲一定的真實(shí)性，只要能在視覺上達(dá)到基本真實(shí)即可。因此，常用一些簡單的框架來代替復(fù)雜模型，但為了保證一定的真實(shí)性，可采用貼圖的方式來彌補(bǔ)視覺上的不足。貼圖有以下兩種制作方法：一種是使用繪畫軟件進(jìn)行手工繪制、另一種是對建筑物的各個(gè)觀察面進(jìn)行拍照，然后用掃描儀掃描成相關(guān)貼圖材質(zhì)。第一種方法的顏色可限定在256色內(nèi)，其壓縮的比例較大，貼圖文件較小，生成的場景文件也較小，適合網(wǎng)上傳遞和實(shí)時(shí)性的要求。后一種方法視覺效果好，但文件的壓縮比例較小，貼圖文件較大，生成的場景大，在網(wǎng)上傳遞和實(shí)時(shí)性方面不如前一種方法好。無論用哪一種方法都需考慮貼圖的分辨率和尺寸，為了便于下載和渲染，在質(zhì)量和大小允許的情況下，一幅貼圖限為320*240（或240*320）像素、分辨率為72dpi，用JPEG壓縮（采用最高壓縮比）后約為20K字節(jié)。
根據(jù)以上所述的貼圖制作方法，虛擬場景中的對象模型可分為以下幾類：
(a)由簡單幾何體組成的簡單模型：該類模型常用作遠(yuǎn)處建筑物的替身，在LOD方法中采用；
(b) 賦予手繪貼圖的模型；
(c) 賦予照片材質(zhì)的模型；
(d) 賦予手繪和照片混合材質(zhì)的模型；
(e) 具有全部細(xì)節(jié)的精致模型；
2．1．虛擬城市交互查詢功能的建立
為虛擬城市模型加入交互和查詢功能可采用兩種方法：通過編程加入相應(yīng)的交互和查詢功能、利用VRML的輔助工具來完成交互和查詢功能的加入。后一種方法比較適合普通的用戶。
Kinetix制作了特殊的VRML輸出嵌入程序，可以輸出場景，包括幾何、材質(zhì)、動畫制作等，嵌入程序也可制作特殊的VRML輔助工具來規(guī)定場景的交互元素。運(yùn)行VRML嵌入 程序VRMLOUT.EXE即可安裝VRML嵌入程序。
通過VRML嵌入程序，可設(shè)置以下輔助工具：
Anchor:可將某一實(shí)體作為熱點(diǎn)，當(dāng)被點(diǎn)擊時(shí)，取出網(wǎng)上所指定的文件。若為VRML場景文件，則該場景被下載顯示。若為其他類型文件，由瀏覽器決定如何處理；
TouchSensor:對從指定設(shè)備的輸入產(chǎn)生相應(yīng)的事件，這些事件表示用戶是否指向特定幾何體，同時(shí)也表示用戶何時(shí)何處按下定位設(shè)備的按鈕；
ProxSensor:接近感知器，指定當(dāng)用戶進(jìn)入、離開或在立方體的區(qū)域內(nèi)移動時(shí)產(chǎn)生的事件；
TimeSensor:在時(shí)間變化是發(fā)出事件，可用來控制動畫，也可用于某一時(shí)刻進(jìn)行某項(xiàng)活動，或于某一時(shí)間間隔中產(chǎn)生事件；
NavInfo:描述有關(guān)觀察者和觀察模式的物理特性；
Background:設(shè)定場景的背景；
Fog:設(shè)置霧化的效果；
Sound:設(shè)定聲音片段的有效范圍，以產(chǎn)生隨距離改變的音響效果；
Billboard:是某一對象隨用戶一起旋轉(zhuǎn)，以使之始終面向用戶；
LOD:允許瀏覽器在物體表示的不同層次細(xì)節(jié)間自動切換；
Inline:可在文件中引入外部文件的場景，避免重復(fù)制作。
通過以上輔助工具，就可制作出虛擬城市場景及其交互和查詢功能。
2．3．若干開發(fā)技巧介紹
2.3.1 減少文件大小的方法
(1) 使用實(shí)例：對于在場景中多次使用的對象，可在該對象首次使用時(shí)用DEF給物體命名，以后僅需通過名字即可引用該物體。
(2) 使用原型：原型物體是指那些使用頻繁且改動不大的物體。使用它可減少文件的大小。由于使用了DEF/USE方法，物體一旦定義，只要指定發(fā)生變化的公共接口即可。另外，原型顯示出場景層次中哪一部分可修改，瀏覽器可自由地優(yōu)化那些不修改的部分。
(3) 壓縮文件：在發(fā)布文件前，使用gzip工具壓縮VRML文件和相關(guān)的HTML文件，大約可是文件減小10~100倍。
2.3.2 提高渲染速度的技巧
(1) 簡化場景：簡化場景有以下方法：
·減少多邊形的數(shù)目，這可極大地提高執(zhí)行的性能；
·使用紋理代替多邊形造型，既可美化場景又可提高性能；
·使用灰度圖的紋理；
·盡量少用光源，這將有效地提高渲染的速度；
·使用布告板節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)允許在場景中使用二維圖象來模擬三維造型并旋轉(zhuǎn)，從而始終面對觀察者。此法既減小了文件又不影響真實(shí)效果，可用來制作樹木、電線桿、路牌、消防栓等輔助性對象；
(2)場景分割:將大的場景分為多個(gè)相對獨(dú)立的小場景，通過Anchor節(jié)點(diǎn)為場景中邏輯上分離的部分建立連接關(guān)系；
(3)自適應(yīng)LOD節(jié)點(diǎn)：若在LOD的range域中未明確指定具體值，瀏覽器會在給定時(shí)刻決定哪一層物體需要顯示。該節(jié)點(diǎn)允許根據(jù)硬件平臺的能力調(diào)整場景的細(xì)節(jié)程度。在建立一條街道時(shí)，由于街道兩邊有許多精細(xì)的建筑物，要對它們進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染是不可能的，但又不能不可見，僅需讓用戶能以一定的速度前進(jìn)即可。在此，可為每個(gè)建筑物建立兩個(gè)LOD節(jié)點(diǎn)，一個(gè)是沒有明確范圍的外部LOD，另一個(gè)是具有near和far范圍的內(nèi)部LOD節(jié)點(diǎn)。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)能按建筑物與攝像機(jī)的距離調(diào)整層次，外部"自適應(yīng)LOD"節(jié)點(diǎn)允許瀏覽器調(diào)整必要的多個(gè)建筑物以趕上場景的動態(tài)變化。
(4) 碰撞檢測要花費(fèi)大量的處理時(shí)間，為提高對復(fù)雜物體的碰撞檢測速度，可在Collision節(jié)點(diǎn)的proxy（替身）域指定某一更為簡單的幾何體作為該形體的替身，它與被替代的原形體占用大致相同的空間。這樣，可大大減少檢測時(shí)間。
3． 結(jié)束語
以上介紹了虛擬城市的基本原理和制作技巧，對于進(jìn)行其他領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用制作同樣有效，僅為場景中實(shí)體的不同。用VRML制作虛擬現(xiàn)實(shí)入門容易，但要達(dá)到很高的視覺效果和運(yùn)行速度并非易事，須對VRML和圖形學(xué)進(jìn)行深入了解才可勝任。我們用它制作了虛擬校園，其運(yùn)行效果較為滿意�？梢韵嘈牛S著VRML的不斷發(fā)展，我們將可用它制作出功能更加強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
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[2] 施演，周葆芳，趙志勇. VRML2.0使用速成. 清華大學(xué)出版社
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