基于OSG的鐵路三維實(shí)時(shí)交互式可視化技術(shù)研究

張 昊 蒲 浩 胡光常 劉江濤

(1.中南大學(xué)土建學(xué)院,湖南長沙 410075;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川成都 610031)

鐵路方案展示、評審、信息化管理、環(huán)境評估、安全審計(jì)等工作,需要構(gòu)建大場景鐵路三維仿真平臺(tái)。目前鐵路三維可視化多采用以下方法:

(1)文獻(xiàn)[1]利用CAD建立三維模型,利用3DS MAX等圖形處理軟件對模型進(jìn)行后期處理,完成鐵路的三維可視化。該方法在3DSMAX等圖形處理軟件下的手工操作還比較多,費(fèi)時(shí)費(fèi)力;一旦設(shè)計(jì)有了任何調(diào)整和修改,花很多時(shí)間和精力建立的鐵路三維模型就只能作廢,要重新建模,重新進(jìn)行后期處理。

(2)文獻(xiàn)[2]利用OpenGL技術(shù)搭建鐵路三維場景。該方法可以快速高效的實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)真實(shí)感的鐵路三維場景的繪制和交互式漫游。但OpenGL作為底層渲染API,主要致力于圖形硬件特性的抽象實(shí)現(xiàn),對于數(shù)據(jù)的空間組織能力在本質(zhì)上還是顯得過于簡單和弱小。因此該方法較適于局部鐵路三維場景的展示。

因此,大規(guī)模鐵路三維場景可視化技術(shù)值得研究。本文基于OSG開發(fā)了鐵路三維實(shí)時(shí)交互式可視化平臺(tái)。該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)大范圍鐵路三維場景的快速構(gòu)建,具有交互式漫游,場景編輯,信息查詢等功能。

1 基于OSG的鐵路三維場景組織結(jié)構(gòu)

OSG(Open Scene Graph)是一個(gè)跨平臺(tái)的開源場景圖形程序開發(fā)接口(API),內(nèi)核 API封裝了全部的OpenGL函數(shù)功能,包含OpenGL最新擴(kuò)展,實(shí)時(shí)渲染最優(yōu)化。用于實(shí)時(shí)視景仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、圖形特效、可視化計(jì)算等方面的研究。廣泛支持目前流行的2D、3D數(shù)據(jù)格式。

OSG采用包圍體層次(Bounding Volume Hierarchy)來實(shí)現(xiàn)場景圖形管理,并采用樹狀結(jié)構(gòu)保存信息。這種場景圖形BVH樹不僅可以正確地表達(dá)場景圖形的信息組成,還可以加速場景對象的裁剪、相交測試、碰撞檢測等一系列操作。此外,OSG場景樹中定義了的大量功能節(jié)點(diǎn),如空間變換節(jié)點(diǎn)(Transform),細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)(LOD)、開關(guān)節(jié)點(diǎn)(Switch)、動(dòng)態(tài)調(diào)度節(jié)點(diǎn)(PagedLod)等。開發(fā)者可以根據(jù)三維場景中各種模型的特點(diǎn)選擇不同的功能節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)場景的有效組織。基于此,本文采用樹形結(jié)構(gòu)組織鐵路三維場景,如圖1所示。

圖1 鐵路三維場景結(jié)構(gòu)

2 鐵路場景三維建模

2.1 地形建模

如何快速建立大規(guī)模地形模型并實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的有效組織和管理,是實(shí)現(xiàn)鐵路場景三維可視化的基礎(chǔ)。鐵路線路往往長達(dá)數(shù)百甚至上千公里,沿線地形數(shù)據(jù)動(dòng)輒數(shù)GB甚至幾十GB。顯然一次性將數(shù)GB甚至更多的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存在當(dāng)前技術(shù)條件下是不現(xiàn)實(shí)的。需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分頁處理,根據(jù)視點(diǎn)位置動(dòng)態(tài)加載適當(dāng)精細(xì)層次的地形,在不影響仿真效果的前提下減小載入內(nèi)存中的數(shù)據(jù)量。

(1)建立地形分頁數(shù)據(jù)庫

建立地形數(shù)據(jù)庫需要高程和影像數(shù)據(jù),高程數(shù)據(jù)一般源自航測或外業(yè)勘測地形數(shù)據(jù);影像數(shù)據(jù)可采用航拍或衛(wèi)星遙感影像,也可采用虛擬紋理。構(gòu)建地形數(shù)據(jù)庫前需統(tǒng)一影像文件和高程文件的坐標(biāo)系統(tǒng),對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)校正等處理。按照四叉樹結(jié)構(gòu)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分塊處理,建立多分辨率金字塔結(jié)構(gòu)的地形分頁數(shù)據(jù)庫。每一層由若干地形塊組成,每個(gè)地形塊對應(yīng)一個(gè)文件。層級越高,則分辨率越高,每個(gè)地形塊區(qū)域的范圍也越小,即:第N層分辨率為第N+1層的1/2,而每個(gè)地形塊的面積則為第N+1層的4倍。為便于組織管理,按照層數(shù)和地形塊在該層中的行列數(shù)命名文件,如圖2所示。

圖2 地形四叉樹分塊示意

(2)地形數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度

應(yīng)用OSG提供的DatabasePager類實(shí)現(xiàn)海量地形數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度。DatabasePager主要處理對象為PagedLOD節(jié)點(diǎn)。PagedLOD節(jié)點(diǎn)按照可視范圍,將多個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)置為復(fù)雜模型的多個(gè)細(xì)節(jié)層次。當(dāng)某些子節(jié)點(diǎn)對場景繪制長期沒有助益時(shí),DatabasePager可以將這些子節(jié)點(diǎn)自動(dòng)卸載,釋放空間;反之,也可以即時(shí)加載某些不存在內(nèi)存中的子節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)場景的動(dòng)態(tài)調(diào)度。將地形分頁數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)地形塊作為Paged-Lod節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)加載到場景中,并根據(jù)地形塊所處的不同層級設(shè)置該其可見范圍。隨著視點(diǎn)的變化DatabasePager會(huì)自動(dòng)加載當(dāng)前視域內(nèi)的地形分頁文件,并卸載長期不可見的地形數(shù)據(jù),釋放內(nèi)存。利用該方法動(dòng)態(tài)調(diào)度地形分頁數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形的流暢漫游,滿足三維可視化的需要。圖3為某鐵路沿線地形截圖。

圖3 地形場景

2.2 鐵路建模

鐵路三維模型主要包括路基、橋隧站、附屬設(shè)施。

(1)路基

根據(jù)橫斷面設(shè)計(jì)信息,把路基按填挖高為零的斷面、橋梁起終斷面、隧道進(jìn)出口斷面分為若干段落,在段落內(nèi)按一定間隔提取橫斷面,將這些橫斷面逐個(gè)相連,得到該路基段落的三維模型。模型面片組織方式為:依次取橫斷面上特征點(diǎn),采用 OSG繪圖基元QUAD_STRIP繪制四邊形條帶,紋理的包裝模式采用重復(fù)貼圖(REPEAT)。

(2)橋隧站

鐵路橋梁按橋型主要分為:簡支梁橋、連續(xù)梁橋、拱橋、桁架橋和斜拉橋等。簡支梁橋和連續(xù)梁橋的建模較為簡單,建立梁身模型時(shí),可依次找出具有代表性的橫斷面,將斷面逐個(gè)相連得到。建立橋梁墩臺(tái)模型時(shí),首先根據(jù)線路平縱橫數(shù)據(jù)及橋梁孔跨信息計(jì)算墩臺(tái)位置,再根據(jù)墩臺(tái)形狀構(gòu)建模型。拱橋建模時(shí),根據(jù)線路平縱橫數(shù)據(jù)以及拱軸線設(shè)計(jì)參數(shù),按一定間隔計(jì)算橋梁橫截面特征點(diǎn)坐標(biāo),前后截面對應(yīng)點(diǎn)相連得到。桁架橋和斜拉橋結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,本文綜合運(yùn)用透明貼圖技術(shù)、布告板(Billboard)技術(shù)等建立桁架橋和斜拉橋模型。圖4為中承式拱橋、下承式桁架橋、連續(xù)梁橋和斜拉橋的模型效果。

圖4 橋梁模型效果

建立隧道模型時(shí),按一定間隔計(jì)算橫斷面特征點(diǎn)坐標(biāo),前后斷面相連得到。車站站臺(tái)模型可采用類似方法構(gòu)建,站房模型可采用3dsmax等軟件建模后導(dǎo)入。

(3)附屬設(shè)施

附屬設(shè)施主要包括標(biāo)志標(biāo)牌,接觸網(wǎng)等。標(biāo)志標(biāo)牌主要包括橋梁標(biāo)牌、隧道標(biāo)牌、車站標(biāo)牌等。接觸網(wǎng)模型主要包括接觸網(wǎng)支柱、接觸懸掛、電力線等。這些附屬設(shè)施往往數(shù)量巨大,位置不同形狀相同,如果將每個(gè)附屬設(shè)施模型都創(chuàng)建實(shí)例載入內(nèi)存,將大大增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。對于這類模型只需創(chuàng)建唯一的實(shí)例,利用矩陣變換節(jié)點(diǎn)(MatrixTransform)或位置變換節(jié)點(diǎn)(Position Attitude Transform)對其旋轉(zhuǎn)平移,在不同位置多次繪制,達(dá)到所需要的效果。從而大大地節(jié)約內(nèi)存空間,有效的減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

2.3 地形模型和鐵路模型的融合

地形模型和鐵路模型的融合是搭建鐵路三維場景的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。針對地形分頁數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn),本文采用以下算法:檢索地形分頁數(shù)據(jù)庫,找出與路基邊界有疊加區(qū)域的地形文件,計(jì)算地形與路基重疊區(qū)域的邊界線,利用該地形文件三維點(diǎn)構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng),并將重疊區(qū)域邊界線作為約束邊界嵌入Delaunay三角網(wǎng),最后剔除約束邊界內(nèi)部的三角形,實(shí)現(xiàn)線路模型與地形模型的融合。

(1)生成路基邊界

以橋隧起終斷面為分界斷面把線路分為若干個(gè)段落,每個(gè)段落內(nèi),按一定間距取橫斷面最外側(cè)點(diǎn),構(gòu)建路基邊界多邊形,得到全線路基邊界多邊形數(shù)組。為便于后期計(jì)算,邊界點(diǎn)采用逆時(shí)針或順時(shí)針順序有序排列。

(2)計(jì)算地形與路基重疊區(qū)域邊界線

地形分頁數(shù)據(jù)庫中每個(gè)文件記錄一定矩形區(qū)域內(nèi)的地形數(shù)據(jù)。讀取分頁數(shù)據(jù)文件,獲取該文件所對應(yīng)地形區(qū)域的邊界。遍歷路基邊界多邊形數(shù)組,與地形邊界求交,計(jì)算重疊區(qū)域邊界線。路基多邊形與地形邊界均為空間多邊形,首先向XY平面投影,將空間多邊形求交轉(zhuǎn)化為平面多邊形求交,然后根據(jù)邊界線頂點(diǎn)性質(zhì)的不同,計(jì)算其高程值。如圖5所示,重疊區(qū)域邊界線頂點(diǎn)包括:A、a、3、4、5、6、b。其中 A 為地形邊界頂點(diǎn)在XY平面上的投影點(diǎn),高程取自地形邊界頂點(diǎn);3～6點(diǎn)為路基邊界頂點(diǎn)在XY平面上的投影點(diǎn),高程取自路基邊界頂點(diǎn);a、b為路基邊界線與地形邊界線交點(diǎn),其高程由臨近路基邊界頂點(diǎn)高程值線性插值計(jì)算得到,圖中a、b點(diǎn)高程分別由2、3和6、7點(diǎn)插值得到。

圖5 重疊區(qū)域示意

(3)構(gòu)建約束Delaunay三角網(wǎng)并移除重疊區(qū)域。

利用以上計(jì)算結(jié)果,應(yīng)用OSG中的Delaunay Triangulator類,完成對地形的修改。主要函數(shù):構(gòu)建三角網(wǎng):triangulate;添加約束邊界:addInputConstraint;移除約束邊界內(nèi)部三角形:remove Internal Triangles。

該算法核心在于對地形數(shù)據(jù)庫中與路基有疊加的地形塊重新構(gòu)網(wǎng),其他大部分區(qū)域無需修改。通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證,該算法可以快速完成對地形數(shù)據(jù)庫的修改,地形模型和鐵路模型融合效果良好,如圖6所示。

圖6 融合前后對比

3 場景交互

場景交互是三維可視化平臺(tái)必不可少的功能。OSG提供了平臺(tái)無關(guān)性的GUI事件驅(qū)動(dòng)支持,GUIEvent Handler類向開發(fā)者提供窗體系統(tǒng)的GUI事件接口。基于此,主要實(shí)現(xiàn)以下交互功能。

3.1 交互漫游

響應(yīng)鼠標(biāo)或鍵盤消息,實(shí)時(shí)修正場景相機(jī)觀察矩陣(View Matrix),對場景進(jìn)行平移,旋轉(zhuǎn),縮放等操作,實(shí)現(xiàn)全方位不同角度瀏覽場景。也可指定漫游起終點(diǎn)里程及漫游速度,系統(tǒng)根據(jù)線路數(shù)據(jù)插值計(jì)算漫游路徑,實(shí)時(shí)設(shè)置相機(jī)相機(jī)觀察矩陣,模擬行車效果。

3.2 場景編輯

場景編輯主要包括地形編輯和橋梁編輯。地形數(shù)據(jù)中有時(shí)會(huì)存在高程異常點(diǎn),造成地形模型存在不合理區(qū)域,影響三維可視化的整體效果?？刹捎玫匦尉庉嫻δ?拾取高程異常點(diǎn),修改高程值,消除其對三維場景的影響。橋梁編輯功能是指用戶可以拾取某座橋梁,更改其橋型孔跨尺寸等,系統(tǒng)根據(jù)更新后的數(shù)據(jù)構(gòu)建新的橋梁模型。

4 應(yīng)用與結(jié)論

基于上述原理和方法,本文采用Open Scene Graph-2.6.0在Microsoft Visual Studio2005環(huán)境下開發(fā)了鐵路三維實(shí)時(shí)交互式可視化平臺(tái)。該平臺(tái)已成功用于成渝城際高速鐵路項(xiàng)目(如圖7所示)。

圖7 運(yùn)行界面截圖

本文基于OSG三維渲染引擎,在對大場景地形建模、鐵路建模以及地形模型與鐵路模型融合等關(guān)鍵問題深入研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了鐵路大場景實(shí)時(shí)交互式可視化平臺(tái)。該平臺(tái)可以快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模鐵路三維場景的構(gòu)建,并具有交互式漫游,場景編輯,信息查詢等功能,場景瀏覽順暢,真實(shí)感較強(qiáng)。使用者即可以從全局的角度查看線路總體走向,也可專注于局部,瀏覽場景細(xì)部。該平臺(tái)即可以用于方案比選,便于決策者快速直觀的對方案作出評判,也可以用于項(xiàng)目三維展示或信息化管理,具有廣泛的應(yīng)用前景。

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