基于osgEarth的駕考場地三維可視化系統(tǒng)研究與設計

邱國鵬，陳立龍

(三明學院 海峽動漫學院，福建 三明 365004)

現(xiàn)階段，年輕人學車越來越普遍，駕駛技能儼然已經(jīng)成為了一種必備技能。現(xiàn)階段的駕考有三個較為凸顯的特點，第一，考驗場數(shù)量有限，一個市轄區(qū)內(nèi)，可能只有一個考驗場，因為考驗場是考試場地，所以基本上學員都要到考驗場練習，也因為考驗場的唯一性，所以對于一些較為偏遠的而言，提高了他們的學習成本，同時也勢必造成考驗場擁堵不堪；第二，隨著駕考改革各項政策的實施，國家對交通安全監(jiān)管力度的加大，考駕照將會越來越難；第三，考驗場本身也處于動態(tài)的建設與發(fā)展之中?；诖耍瑢τ趯W員而言，場地之前的學習就顯得尤為重要。

每個駕校都會針對場地考（科二）和道路考（科三）推出了一些教學資料，但基本上都是靜態(tài)圖片或者360度全景圖，少部分也有動畫、視頻或者單機版的駕考模擬軟件。其中平面圖片具有成本低、查看方便的特點，但是不夠直觀，也不利于后期維護；360度全景度也是只能讓學員了解到一個大概的地形，也不能與要點進行很好的結(jié)合；動畫、視頻或者單機版的駕考模擬軟件同樣不利于后期維護。為了消除這些不足，本文旨在設計和研究一個基于osgEarth框架的三維可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)直觀高效、可高度自定義。

1 osgEarth概述與路線繪制算法分析

1.1 osgEarth簡介

OpenSceneGraph（簡稱OSG）是一個基于OpenGL技術(shù)開發(fā)的三維場景圖渲染與調(diào)度引擎，是一套基于C++平臺的應用程序接口（API），它讓程序員能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。作為中間件為應用軟件提供了各種高級渲染特性、IO，以及空間結(jié)構(gòu)組織函數(shù)。

osgEarth又是基于OSG框架開發(fā)的一個專注于數(shù)字地球、具有GIS功能的OSG擴展。具有如下一些特性：實時生成地形（紋理與高程），根據(jù)紋理和高程實時生成；支持矢量圖渲染，靈活繪制矢量圖；支持數(shù)字城市開發(fā)；支持地形調(diào)度，地形預生成的功能；提供了豐富的工具，比如緩存、osgEarth-Manipulator等；存儲空間要求較小，因為都存在服務器。

目前基于osgEarth的應用研究也層出不窮，有在軍事上的應用，比如構(gòu)建虛擬三維空戰(zhàn)場景[1]和無人直升機任務規(guī)劃系統(tǒng)[2]等，也有在工程中的應用，比如三維輸水管模擬系統(tǒng)[3]、地形建模[4]、燕塞湖水壩風險評估[5]、3D城市場景建設[6-7]以及數(shù)字地球等[8]，還有一些導航上的應用[9-10]。

1.2 路線繪制算法分析

根據(jù)給定（選?。┑囊唤M關(guān)鍵坐標點（經(jīng)緯度值）所繪制出的平滑曲線（駕考路線圖）。本文的方法為Bezier段之間進行拼接。其算法核心必須計算出Bezier曲線的控制點，實現(xiàn)的方法如下：

設在平面上已知有 n+1個數(shù)據(jù)點 Pi（xi，yi），i=1,2，…，n。 要求在相鄰的每兩個點 Pi與 Pi+1之間，用一條3次Bezier曲線連接。

3次Bezier由4個點確定：Pi是它的起點，Pi+1是它的終點，在起點和終點之間，另外還有兩個控制點，依次記為Ai和Bi，現(xiàn)在需要確定這兩個控制點。

把過Pi點的切線方向，取為與線段Pi-1Pi+1平行的方向，那么，控制點Ai的坐標就可以表示為：

控制點Bi的坐標就可以表示為：

其中a,b是兩個可以任意給定的正數(shù)，比如說，可以取a=b=1/4，這時，控制點的坐標可以用下列公式求出：

例：設Pi-1,Pi,Pi+1,Pi+2這4點的坐標為：

按照上面給出的公式，可以求得控制點Ai的坐標為：

控制點Bi的坐標為

連接Pi與Pi+1的3次Bezier曲線的參數(shù)方程為：

對這種曲線的最初一段和最后一段，不能用上述公式計算，因為公式中要用到(x-1,y-1)和(xn+1,yn+1)，這兩個點其實是不存在的。使用如下處理方法：

用(x0,y0)的值作為(x-1,y-1)的值，用(xn,yn)的值作為(xn+1,yn+1)的值。也就是說，在連接P0與P1的最初一段Bezier曲線中，控制點A0的坐標為：

在連接Pn-1與Pn的最后一段Bezier曲線中，控制點Bn-1的坐標為：

圖1所示為根據(jù)算法，使用一組模擬點畫出的一條平滑的曲線。

圖1 根據(jù)一組模擬點畫出的平滑曲線

2 系統(tǒng)設計

2.1 開發(fā)運行環(huán)境與系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于WIN7操作系統(tǒng)、NVIDIA顯示卡、Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)的單文檔應用程序，界面采用Visual Studio 2010的Office風格。使用osgdem地形生成工具。

系統(tǒng)基于底層的渲染引擎開發(fā)，并集成第三方庫文件。數(shù)據(jù)庫包含數(shù)據(jù)傳輸驅(qū)動、數(shù)據(jù)解析驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲驅(qū)動，專業(yè)空間轉(zhuǎn)化庫包含空間坐標轉(zhuǎn)換庫、空間數(shù)據(jù)校驗庫等，渲染庫包含了底層的OpenGL渲染庫、平臺相關(guān)的渲染窗口系統(tǒng)庫和跨平臺支持庫。系統(tǒng)架構(gòu)見圖2所示。

圖2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.2 場地高清影像獲取、處理與高精度地形生成

為了在駕考場地區(qū)域的實際的經(jīng)緯度位置上疊加一塊高精度的影像與高程，需要獲取該區(qū)域的高清影像與高精度高程，并對這些地形數(shù)據(jù)進行預處理。

2.2.1 30 m精度高程獲取

從ASTER GDEM下載30 m精度 （一個像素代表30 m*30 m區(qū)域）高程紋理，通過輸入經(jīng)緯度坐標的方式指定下載區(qū)域。通過ERDAS IMAGINE 9.2對下載的高程文件進行精度校驗。即便高程不是很精確，最終可以對高程進行插值模擬。

2.2.2 高精度紋理的獲取

影像紋理的清晰度比高程來得更重要一些，因為紋理的精度，直接決定了最終效果的精細程度，而且紋理不能進行插值。本文使用arceyes（阿凱日）的谷歌衛(wèi)星地圖下載器下載紋理，支持多級紋理下載，而且在導出拼接時，可自動將低級別的紋理填充到高級別上。

2.2.3 地形數(shù)據(jù)預處理

切割：本系統(tǒng)不需要全球高程，所以使用gdalwarp（投影轉(zhuǎn)換與投影設置工具）進行切割，切割命令如下所示：

gdalwarp-rsc-t srs"+prj=latlong"-te 108 34 109 35 srtm30plus_stripped.tif 10934.tif

紋理坐標校正與轉(zhuǎn)換：①如果紋理本身沒有坐標系統(tǒng)，則需要為紋理加入坐標系統(tǒng)。本文使用Global Mapper v12.01進行紋理圖像的地球參考坐標設定（影像校正），只需確定文件四個角點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。②如果紋理坐標系統(tǒng)是UTM平面的坐標系統(tǒng)，則需要轉(zhuǎn)換為地心坐標系統(tǒng)。坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和插值可以使用ERDAS IMAGINE 9.2進行重新投影，本文使用立方卷積的方式進行插值。

拼接：本文使用ERDAS IMAGINE的馬賽克工具進行拼接。

2.3 earth文件編寫

osgEarth通過讀取earth文件來識別需要完成的各項功能，文件由一個主標簽map，包含highfield高程、image紋理以及定義緩存的cache的3個常用標簽及其屬性進行配置。earth文件定義如圖3。

圖3 earth文件編寫

基于osgEarth搭建的數(shù)字地球具有動態(tài)生成、負擔大、調(diào)度慢等特性，解決調(diào)度慢的方法是使用緩存機制來解決問題。在服務器端或者客戶端，使用osgearth_cache工具預先生成地形緩存，客戶端啟動時加載的速度會有顯著提升。使用的命令為：osgearth_cache--seed china-simple.earth--max-level 3。

2.4 高清影像增補

地球基礎(chǔ)框架中的影像層級較少，影像比較模糊，使用如下步驟在地球上增補高清影像：①從Google獲取紋理；②使用osgdem進行紋理校正（重投影），生成中間文件（因為從Google導出的紋理的坐標不能直接使用）；③osgEarth加載中間文件；④使用composite標簽進行紋理復合，因為頂層的image標簽數(shù)量有限制，但是composite沒有限制，再者也為了避免直接使用兩個image標簽會導致兩張紋理中間有縫隙的問題。

2.5 駕校與考試項目名稱分級顯示

使用PagedLOD來動態(tài)加載地標，在場景中需要渲染模型時，才進行加載和讀取到程序中來，在不需要顯示時，及時移出內(nèi)存。按需讀取，這樣可以節(jié)省內(nèi)存開銷，而且初始加載時系統(tǒng)性能也不會受到影響。

以三明駕考考驗場為例，共有3個考試場地，包括理論考試區(qū)域（科目一駕駛員理論考試和科目三的安全文明駕駛常識部分）、場地駕駛技能考試（科目二）區(qū)域、道路駕駛技能考試（科目三）區(qū)域，將從考試區(qū)域數(shù)據(jù)庫（見表1）中按照區(qū)域、項目的名稱分別導出成一個ive文件，并輸出到對應文件夾。離得近的時候進行動態(tài)地標調(diào)度。

表1 地名表Region

2.6 shape文件處理

shape文件是一種矢量文件，用來顯示公路、邊界區(qū)、建筑物外表等。本文使用ArcView GIS 3.3編輯shape文件。

2.7 地表增加三維數(shù)字城市

首先在3ds max中將數(shù)字城市模型（考試樓，標識牌等）建好，通過3dvri for max插件導出城市模型，其導出的文件格式為ive。在數(shù)字地球中增加城市，默認會在原點，需要將物體移動到地表的對應點上（為了能夠把地表覆蓋住，需要將高度設置高一些），然后處理物體的朝向。

2.8 考驗場路線繪制與跟蹤漫游

設置路徑的方式是以經(jīng)緯度、高度的方式設定，最后再將絕對坐標點轉(zhuǎn)換成世界坐標點。

路線中關(guān)鍵點信息由坐標（經(jīng)度x、緯度y、高度z）與速度（v）兩部分組成，根據(jù)關(guān)鍵點信息獲取到路線，最后設定跟蹤。表2為考驗場項目數(shù)據(jù)庫表。

關(guān)鍵點數(shù)據(jù)庫表設計見表3所示。

表2 考驗場項目表Item

表3 考驗場路線關(guān)鍵點Location

路徑漫游中，物體在關(guān)鍵點n處的朝向，根據(jù)的n點和n-1點的連線進行計算。

根據(jù)公式(1)和(2)，在Canvas中繪制路線的偽代碼見如下：

Begin

輸入 坐標點數(shù)組points

輸入 線條樣式，線條顏色，線條寬度

For i from 0 to point.length step 1

If i==0則 moveTo第0個坐標點

否則 輸入points，i-1，得到控制點P

輸入P.pA.x,P.pA.y,P.pB.x,P.pB.y,point[i].x,point[i].y

繪制

End

3 測試與結(jié)果

首次運行需要幾分鐘時間，因為需要根據(jù)影像和高程文件動態(tài)生成地形，并且會在指定路徑下生成緩存文件，后續(xù)打開將會非?？臁?/p>

圖4為增補的高清考驗場地形，增加系列控制點之后，根據(jù)算法所繪制出的模擬的考驗場路線（可視化漫游路徑）圖見圖5所示，生成的平滑的Bezier曲線，達到了我們預期的目的。

圖4 增補的高清考驗場地形

圖5 考驗場路線

4 結(jié)語

本文研究與設計了一個基于osgEarth的三維可視化駕考場地展示系統(tǒng)，可自定義矢量信息、提供高度自定義路線曲線種類、路線動態(tài)設定與調(diào)整，根據(jù)給定的系列控制點繪制出平滑的貝塞爾曲線，用以模擬駕考路線，該系統(tǒng)用能夠既有利于學員更加直觀地熟悉考試場地，也有利于管理員對系統(tǒng)內(nèi)容的后期維護。系統(tǒng)還處于初步的設計研發(fā)階段，除了全局鳥瞰模式之外，計劃下一步增加多視角、按照選擇路線自動飛行漫游模式等功能。

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