采沉區(qū)地形三維可視化人物視角研究

楊少?gòu)?qiáng)，張永彬,汲姣，劉佳麗

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

采沉區(qū)地形三維可視化人物視角研究

楊少?gòu)?qiáng)，張永彬,汲姣，劉佳麗

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

可視化；三維建模；虛擬現(xiàn)實(shí)

為了模擬真實(shí)地形，研究使用3Dmax建模技術(shù)對(duì)地形進(jìn)行模擬建模，同時(shí)利用游戲地圖模擬地形的思路將3Dmax建立的真實(shí)模型導(dǎo)入游戲場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)感官方面的虛擬現(xiàn)實(shí)。這種方式降低了代碼編寫(xiě)強(qiáng)度，借助游戲內(nèi)部的視角配置可以對(duì)地形進(jìn)行全方位瀏覽。試驗(yàn)結(jié)果表明,這種思路效果良好，對(duì)地形可視化提出新的看法。

0 引言

可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果，將隱含的數(shù)據(jù)處理信息以一種人眼可識(shí)別的圖像信息呈現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)外可視化技術(shù)發(fā)展都比較快，其中在地形可視化方面主要還是GIS技術(shù)以及底層開(kāi)發(fā)技術(shù)(例如利用Open GL圖形庫(kù))。在國(guó)外，ESRI公司開(kāi)發(fā)的ArcGIS技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以實(shí)現(xiàn)二維、三維地形可視化分析，傾斜攝影技術(shù)也比較突出。國(guó)內(nèi)比較成熟的技術(shù)包括超圖公司的SuperMap技術(shù)，中地?cái)?shù)碼的MapGIS技術(shù)，靈圖公司的VRMAP技術(shù)是國(guó)際上領(lǐng)先的三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，Discreet公司開(kāi)發(fā)(后被Autodesk公司收購(gòu))的3Dmax軟件致力于三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作。目前三維可視化研究是一個(gè)熱點(diǎn)，尤其在GIS地形方向：吳安湘[1]等人利用VRMAP平臺(tái)以及三維建模軟件3Dmax對(duì)二三維數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形可視化，并進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)。張先為[2]利用OpenGL圖形技術(shù)，采用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型構(gòu)建了三維地形，并進(jìn)行紋理映射，實(shí)現(xiàn)真實(shí)地形可視化。譚冬生[3]等人為了研究滑坡三維可視化計(jì)算，利用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了滑坡動(dòng)態(tài)模擬。曾照華[4]等人在研究人臉標(biāo)準(zhǔn)三維模型過(guò)程中，利用OPenGL技術(shù)導(dǎo)入了3Dmax建模軟件建好的三維模型，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的人臉三維可視化。楊潤(rùn)[5]等人把3Dmax建模技術(shù)和三維GIS技術(shù)相結(jié)合，并利用了各自的建模優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多角度、全方位的虛擬現(xiàn)實(shí)。

1 建模思路與技術(shù)路線

3Dmax技術(shù)在三維建模以及渲染方面優(yōu)勢(shì)比較明顯，主要應(yīng)用于三維游戲、影視以及廣告等方面制作。利用3Dmax技術(shù)對(duì)地形進(jìn)行建模首先要收集目標(biāo)區(qū)域的高程數(shù)據(jù)(DEM)，高程數(shù)據(jù)作為生成地形的最主要數(shù)據(jù)，通過(guò)建?？梢哉宫F(xiàn)地形的高低起伏狀態(tài)；其次是收集目標(biāo)區(qū)的影像數(shù)據(jù)，影像位圖作為地形的貼圖，使得地形顯示比較真實(shí)；最后是收集目標(biāo)區(qū)域的線劃圖(DLG)，可以根據(jù)線劃圖中的數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部的建筑物、道路等建模。

3Dmax建模軟件被廣泛應(yīng)用于大型三維游戲的制作，將模型以場(chǎng)景的形式展示在游戲中，本次研究地形建模后的模型數(shù)據(jù)作為場(chǎng)景數(shù)據(jù)展示在游戲中，以游戲人物的多視角對(duì)地形進(jìn)行全方位可視化模擬。

游戲選擇國(guó)產(chǎn)的真三維游戲“流星蝴蝶劍”，“流星蝴蝶劍”是昱泉國(guó)際公司在2002年發(fā)行的一款游戲，游戲是根據(jù)古龍的同名名著武俠小說(shuō)改編而成，三維效果比較優(yōu)秀，研究目的在于模擬真實(shí)地形，具體技術(shù)路線如圖1所示。

說(shuō)明:

(1)初始數(shù)據(jù)除了收集到的數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)外，模型包圍盒作為場(chǎng)景的范圍限制，必不可少；模型參照物是“流星蝴蝶劍”游戲的一個(gè)模型整體大小位置參照物，關(guān)系到整體模型的比例以及地形模型的顯示。

(2)在格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中首先要注意的是模型必須進(jìn)行貼圖設(shè)計(jì)，另外在導(dǎo)出3DS文件過(guò)程中要保持MAX坐標(biāo)，否則轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，需要為每個(gè)模型添加可編輯網(wǎng)格以及頂點(diǎn)繪制修改器。

(3)在導(dǎo)出游戲場(chǎng)景文件過(guò)程中使用3Dmax中MAX Script編輯器，計(jì)算所有場(chǎng)景模型(按照游戲地圖格式寫(xiě)出相應(yīng)文件)，并導(dǎo)出游戲地圖所需文件。

(4)整理素材(DES、GMB、COB、PST文件以及貼圖文件)，利用"流星蝴蝶劍"地圖調(diào)入工具導(dǎo)入三維場(chǎng)景地圖。

(5)在導(dǎo)入地圖之前，需要為場(chǎng)景添加游戲人物(修改DES文件)，模擬地形瀏覽人員。

2 可視化體系及擬解決問(wèn)題

2.1 可視化體系

真實(shí)地形的可視化需要對(duì)地形周圍所有的地物進(jìn)行建模，針對(duì)煤礦采沉區(qū)最主要的還是地形起伏的變化，其次是建筑物以及道路等實(shí)體，對(duì)采沉區(qū)的可視化研究就要盡可能地做好采沉區(qū)區(qū)域所包含的各類地物，其中可視化體系如圖2所示。

2.2 擬解決技術(shù)問(wèn)題

目前三維可視化發(fā)展比較迅速，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)智慧城市、智慧社區(qū)，把二維屬性信息和三維可視化相結(jié)合效果明顯，國(guó)外的傾斜攝影技術(shù)發(fā)展也比較成熟，通過(guò)對(duì)這幾項(xiàng)技術(shù)的研究與比較，實(shí)現(xiàn)地形真實(shí)可視化需要解決2個(gè)主要問(wèn)題：首先就是貼近現(xiàn)實(shí)，可視化需要展示地物的真實(shí)可視化效果，地物比例要與現(xiàn)實(shí)情況相匹配，做到形象感與真實(shí)感相結(jié)合；其次是可視化視角的確定，可視化視角對(duì)三維地形可視化至關(guān)重要，通過(guò)視角變化可以了解地形變化情況，是可視化實(shí)現(xiàn)的核心內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)方面的虛擬現(xiàn)實(shí)。

研究選取3Dmax軟件建模，在系統(tǒng)真實(shí)性方面選擇2個(gè)主要技術(shù)手段：

(1)地形建模貼圖實(shí)現(xiàn)效果真實(shí)

針對(duì)采沉區(qū)多類地物，系統(tǒng)建模需要針對(duì)每一個(gè)方面進(jìn)行細(xì)致建模，建模過(guò)程中模型貼圖可能出現(xiàn)紊亂，這就需要在建模完成后導(dǎo)出3DS格式文件，并進(jìn)行網(wǎng)格編進(jìn)和頂點(diǎn)繪制修改，如圖3所示。在導(dǎo)出過(guò)程中可能中斷，部分原因是場(chǎng)景中部分模型可能沒(méi)有準(zhǔn)確貼圖；為了解決室外地形的顯示效果，在地形模型外面添加一個(gè)長(zhǎng)方體模型，并為長(zhǎng)方體模型添加相應(yīng)貼圖，顯示天空。

(a) 可編輯網(wǎng)格修改器 (b) 定點(diǎn)繪制修改器

(2)添加參照物實(shí)現(xiàn)地物比例匹配

為了能夠成功做成實(shí)景地物，控制好模型的比例比較關(guān)鍵。在建模過(guò)程中，添加“流星蝴蝶劍”官方參照物，才能夠同視角人物相匹配，使得建好的地形模型符合真實(shí)世界的比例。

地形可視化視角設(shè)計(jì)解決地圖瀏覽問(wèn)題：

游戲地圖的瀏覽需要對(duì)假定人物的設(shè)定，這就需要對(duì)導(dǎo)出的DES格式文件(用記事本打開(kāi))進(jìn)行了解，“流星蝴蝶劍”游戲地圖內(nèi)部地物排列以相對(duì)坐標(biāo)呈現(xiàn)，每一個(gè)模型對(duì)應(yīng)DES文件內(nèi)部的一個(gè)物體模型(Object)，添加瀏覽視角時(shí)需要對(duì)導(dǎo)出的DES文件加以修改，主要是添加地形瀏覽人員以及其初始位置，人物同樣作為一個(gè)模型展示在系統(tǒng)場(chǎng)景內(nèi)部，如圖4所示為添加人物模型簡(jiǎn)碼，其位置作為相對(duì)位置可以改動(dòng)。

圖4 添加人物模型

3 建?？梢暬瘜?shí)例

研究選取了地形起伏比較大的承德市山區(qū)地形作為試驗(yàn)，使用對(duì)應(yīng)的影像作為地形的貼圖文件，本次實(shí)例中并沒(méi)有添加其他地物，通過(guò)前面介紹的技術(shù)路線，對(duì)地形上面天空部分同樣進(jìn)行了貼圖。地形DEM由線劃圖等高線生成，如圖5所示為山底角度可視化效果，地圖是真三維展示，可以控制游戲人物對(duì)三維場(chǎng)景內(nèi)部的任意一個(gè)角落進(jìn)行瀏覽。

4 結(jié)論

(1)以游戲人物作為第一視角對(duì)三維地形可視化瀏覽是可行的，借助“流星蝴蝶劍”的視角配置以及人物設(shè)定，在游戲內(nèi)部進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)效果良好，作為試驗(yàn)研究實(shí)例，并沒(méi)有添加植物、建筑物以及公路等其他模型。

(2)針對(duì)比較復(fù)雜的采沉區(qū)進(jìn)行類似可視化瀏覽，可以減少編程所使用的時(shí)間，但同時(shí)增加了三維建模的工作量，在煤礦采沉區(qū)添加地理實(shí)物進(jìn)行可視化瀏覽是一種可視化思路。

(3)今后的研究重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)快速三維建模，以減少整體的三維可視化實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，在采沉區(qū)范圍內(nèi)應(yīng)該對(duì)重點(diǎn)塌陷積水區(qū)進(jìn)行標(biāo)記以及添加屬性信息，以實(shí)現(xiàn)三維可視化與屬性相結(jié)合。

[1] 吳安湘,林選妙,林志彬.基于VRMap+3D Max的復(fù)雜地形區(qū)域三維集成數(shù)據(jù)模型構(gòu)建[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊,2012(11):183-185.

[2] 張先為.基于OpenGL 的三維地形可視化研究[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2008,10(02):75-76.

[3] 譚冬生,洪政,袁小龍,等.基于OpenGL 的滑坡三維可視化計(jì)算及動(dòng)態(tài)模擬研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2013(08):57-61+114.

[4] 曾照華,張永梅.基于OpenGL 的三維人臉標(biāo)準(zhǔn)模型[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2007(04):34-36.

[5] 楊潤(rùn),劉悅翠.三維GIS 和3DMAX 相結(jié)合制作園林地形場(chǎng)景的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(02):550-553.

3D Visualization of Terrain of Mining Subsidence Area in Character's Point of View

YANG Shao-qiang, ZHANG Yong-bin, JI Jiao, LIU Jia-li

(College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

visualization;3D modeling;virtual reality

In order to simulate the real terrain in reality, the terrain is conducted simulating modeling by using 3Dmax modeling technology, and a real world created by 3Dmax is imported to the game scene by using the idea of the game map, the virtual reality in the aspect of visual sense is realized. In this way, the code writing intensity is reduced away, with the help of visual allocation in the game, the terrain could be browsed in all-around view. The results show that this research idea is effective ,and put forward a new view in the modeling of 3D visualization in mining subsidence area.

2095-2716(2016)02-0100-05

TP391.98

A