關(guān)于VRML在山區(qū)地形模型建立中的運(yùn)用研究

魏富盛楊 偉

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

關(guān)于VRML在山區(qū)地形模型建立中的運(yùn)用研究

魏富盛1楊 偉1

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

運(yùn)用基于網(wǎng)絡(luò)的三維建模語言VRML，以數(shù)字測(cè)圖的結(jié)果為基礎(chǔ)，建立虛擬的山區(qū)三維地形模型，通過對(duì)測(cè)區(qū)的三維展示、信息查詢和車輛行駛仿真模擬，提前找到容易引起安全隱患的節(jié)點(diǎn)，為山區(qū)公路的設(shè)計(jì)及修改打下基礎(chǔ)。本文得到以下成果:1、基于VRML建立三維地形模型的方法流程2、對(duì)生成的地形模型進(jìn)行后期渲染處理的方法3、將建立的三維地形模型實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的鏈接和進(jìn)行虛擬仿真行駛、信息查詢的方法。

VRML ； 地形模型 ； 公路設(shè)計(jì) ； 虛擬現(xiàn)實(shí) ； 仿真模擬

0 引言

VRML是英文Virtual Reality Modeling Language——虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的縮寫。它具有開發(fā)功能突出，場(chǎng)景真實(shí)感強(qiáng)等特點(diǎn)，仿真和渲染的實(shí)時(shí)性可使瀏覽者切身感受虛擬三維環(huán)境的變化。山區(qū)因?yàn)槠涞匦蔚奶厥鈴?fù)雜性，歷來為公路修筑的一大難點(diǎn)，為克服山區(qū)地形復(fù)雜，選線難度大這一難點(diǎn)，建立虛擬的三維地形模型并對(duì)設(shè)計(jì)公路提前進(jìn)行仿真行駛成為最好的解決方法。測(cè)繪工程、攝影測(cè)量與遙感等技術(shù)的快速發(fā)展為三維地形模型的建立提供了坐標(biāo)幾何與紋理的數(shù)據(jù)源。隨著 GIS與可視化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，三維空間信息可視化已經(jīng)成為GIS的一個(gè)重要研究方向，是目前3DGIS的熱點(diǎn)研究方向。

1 運(yùn)用VRML創(chuàng)建三維地形模型的方法流程研究

1.1 建模數(shù)據(jù)的獲取

建立三維地形模型，首先要通過野外實(shí)測(cè)，直接從地圖上或通過攝影遙感測(cè)量等技術(shù)獲取高程數(shù)據(jù)。然后將測(cè)區(qū)劃分為相應(yīng)的柵格區(qū)域，數(shù)據(jù)分布在不同柵格的密度是指采樣數(shù)據(jù)的密集程度，與研究區(qū)域的地貌類型和地形復(fù)雜程度相關(guān)。相鄰兩采樣點(diǎn)之間的距離通常稱為采樣間隔（或采樣距離）。如果采樣間隔隨距離變化，那么就用平均值來代替。

1.2 模型定義

一個(gè)通用的VRML文件結(jié)構(gòu)由文件頭、原型、造型和腳本和路由四部分組成，其中唯一必須的是VRML文件頭，一個(gè)VRML文件還包括下列條目：注釋、節(jié)點(diǎn)域和域值、定義的節(jié)點(diǎn)名、使用的節(jié)點(diǎn)名。一個(gè)VRML模型由幾何形體或?qū)傩詷?gòu)造來定義它的3D結(jié)構(gòu)，使其具有一個(gè)基于材質(zhì)、地形、地貌和顏色的外觀，材料和顏色等又構(gòu)成它的表面紋理，如土質(zhì)、石質(zhì)、沙丘和植被等。在VRML中，這些造型屬性、幾何結(jié)構(gòu)和外觀，都由其相關(guān)節(jié)點(diǎn)的域值設(shè)定。

1.3 造型編組

造型可以被組織在一起來創(chuàng)建更大、更復(fù)雜的造型。如樹木和山丘造型可以通過Group節(jié)點(diǎn)被組織在一起成為森林。我們也可以將多個(gè)小屋造型組織在一起創(chuàng)建一個(gè)美麗的莊園造型，并且多個(gè)莊園造型組合在一起可以組成一個(gè)區(qū)域環(huán)境等。將建立的造型組織在一起的節(jié)點(diǎn)稱為父節(jié)點(diǎn)，組成的造型稱為子節(jié)點(diǎn)，一個(gè)組可以有任意多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，甚至也可以用其他組作為子節(jié)點(diǎn)。

1.4 綁定指令和路由

為了使虛擬空間具有動(dòng)感，方便進(jìn)行虛擬仿真瀏覽，構(gòu)造地形模型時(shí)可以包含綁定若干指令。VRML綁定包括：在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間綁定路徑或者路由，一旦在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建了一個(gè)路由，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以順著路由傳遞信息給第二個(gè)節(jié)點(diǎn)。這樣的消息稱為事件，包含一個(gè)值，類似于節(jié)點(diǎn)內(nèi)的域值。典型的事件值包括浮點(diǎn)數(shù)、顏色值或三維坐標(biāo)值。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接受到一個(gè)事件時(shí)，它將根據(jù)節(jié)點(diǎn)的特征，運(yùn)行節(jié)點(diǎn)定義的功能。通過綁定多個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以創(chuàng)建復(fù)雜的路線，能夠傳遞事件來使虛擬地形環(huán)境充滿動(dòng)感。

2 三維地形模型渲染方法研究

當(dāng)三維地形模型初步建立好后，還需要通過進(jìn)一步的渲染和效果設(shè)置才具有真實(shí)的虛擬仿真效果，后期渲染可以通過材料控制外觀，對(duì)海拔柵格著色，映射紋理，設(shè)置材料的反光性，背景設(shè)置等方式進(jìn)行。

造型的外部特征通過說明材料的相關(guān)屬性來設(shè)定。使用Appearance和Material節(jié)點(diǎn)，能控制造型的顏色，發(fā)光顏色和透明度。也可以用Material節(jié)點(diǎn)設(shè)置造型的透明性因子，而用Color節(jié)點(diǎn)控制造型的顏色。用Material節(jié)點(diǎn)以及它的相關(guān)域，可以控制顏色來體現(xiàn)造型的層次，構(gòu)成閃光造型，模擬塑料、金屬以及其他閃光造型等。

采用紋理控制，你可以在一個(gè)造型上設(shè)置其紋理，并可以擴(kuò)大、縮小并選擇該紋理，也可以在一個(gè)造型的表面上多次放置一個(gè)紋理圖像。例如，可以采用一個(gè)小磚塊的紋理圖像，并不斷重復(fù)該紋理，就可以形成地形表面。

VRML中的背景特征使可以控制三維模型中天空和地面等的顏色，指定一組全景圖像放置在的VRML世界的上下方或四周。從概念上而言，VRML中的天空是一個(gè)無限大的球體繞在空間四周。采用Background節(jié)點(diǎn)，可以為天空球體指定其他顏色。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單地天空，可以將整個(gè)天空指定為一種顏色。如果要生成更真實(shí)、水平著色的效果，可以對(duì)天空球體采用梯度著色。

3基于VRML的三維地形建模示例

3.1 節(jié)點(diǎn)示例

創(chuàng)建地形模型常用ElevationGrid來為一個(gè)區(qū)域建立表面。這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以定義地域柵格的X維和Z維，并且為柵格中的每個(gè)柵格點(diǎn)建立Y方向的高度。X和Z方向的柵格點(diǎn)的數(shù)量可以分別用xDimension和zDimension域建立，其域值指定了柵格行和列之間的空間。height域的值指定了每一個(gè)柵格點(diǎn)的海拔高度。建立海拔柵格的一個(gè)方法是，先以一個(gè)平坦的柵格作為起始，選擇其中若干個(gè)柵格點(diǎn)并且改變它的高度，升高其高度就形成了高山的頂峰，或者降低其高度就形成了海洋或峽谷，繼續(xù)這個(gè)過程，就可以創(chuàng)建一個(gè)崎嶇不平的區(qū)域。

3.2 具體模型的建立

運(yùn)用獲取的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，結(jié)合上面介紹的ElevationGrid等節(jié)點(diǎn)語法及綁定的相關(guān)文件路由，就可以建立三維地形模型；再根據(jù)相應(yīng)的渲染方法對(duì)建立的三維地形模型貼上高分辨率影像圖，進(jìn)行相關(guān)后期渲染處理，就可形成具體的三維地形模型。

3.3 虛擬仿真瀏覽

當(dāng)三維地形模型初步建好后，運(yùn)用相關(guān)節(jié)點(diǎn)功能，與將建立好的汽車模型、公路設(shè)計(jì)模型、三維地形模型等進(jìn)行鏈接，使用戶置身于真實(shí)三維空間的感受，同時(shí)仿真和渲染的實(shí)時(shí)性導(dǎo)致了虛擬場(chǎng)景中人機(jī)的可交互性，使瀏覽者駕車可以在場(chǎng)景中切身感受虛擬環(huán)境，對(duì)公路線型的舒適性和合理性作出評(píng)價(jià)，然后按照設(shè)計(jì)要求對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4結(jié) 語

本文介紹了將VRML虛擬語言建立三維地形模型的方法步驟，通過提前對(duì)山區(qū)設(shè)計(jì)路線進(jìn)行虛擬仿真行駛，對(duì)收集的車輛運(yùn)行狀況等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，從而對(duì)山區(qū)公路設(shè)計(jì)的合理性、舒適性、安全性的進(jìn)行分析，提前找到公路設(shè)計(jì)中存在的不合理地方并進(jìn)行調(diào)整更改，從而為我國山區(qū)公路的建設(shè)起到積極的推動(dòng)作用 。相信隨著VRML在虛擬現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展完善，VRML語言將更多地運(yùn)用到山區(qū)三維地形模型建立、山區(qū)公路設(shè)計(jì)、公路數(shù)字化管理、城市地理信息系統(tǒng)建立中。

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