移動(dòng)VR洪水災(zāi)害場(chǎng)景構(gòu)建優(yōu)化與交互方法

胡 亞，朱 軍，李維煉，張昀昊，胡明遠(yuǎn)，曹振宇

1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756； 2. 西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611756； 3. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港 999077； 4. 四川省基礎(chǔ)地理信息中心，四川 成都 610041

洪水災(zāi)害是最普遍的自然災(zāi)害，會(huì)造成大量的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失[1-2]。構(gòu)建災(zāi)害虛擬地理環(huán)境對(duì)實(shí)現(xiàn)災(zāi)害知識(shí)的表達(dá)與共享，輔助進(jìn)行洪水災(zāi)害模擬、分析、預(yù)測(cè)與規(guī)劃決策具有十分重要的意義[3-4]。目前，在這方面已開(kāi)展了大量的工作，如基于PC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了洪水災(zāi)害的三維可視化[3-13]；基于PC VR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了洪水災(zāi)害的沉浸體驗(yàn)[14-15]；基于多計(jì)算終端系統(tǒng)，如PC、筆記本、平板電腦、智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)了洪水災(zāi)害的三維模擬與可視化分析[16]。

洪水災(zāi)害發(fā)生時(shí)間與地點(diǎn)通常具有不確定性，同時(shí)其應(yīng)急響應(yīng)要求具有實(shí)時(shí)性或近實(shí)時(shí)性[17]，這對(duì)洪水災(zāi)害場(chǎng)景的沉浸感和移動(dòng)性提出了更高要求，以支持空間異地分布的不同應(yīng)急處置用戶(hù)能夠更快、更好地感知與認(rèn)知災(zāi)害環(huán)境。而現(xiàn)有研究存在以下不足：①移動(dòng)性不足，現(xiàn)有三維可視化大多側(cè)重于PC系統(tǒng)或PC VR系統(tǒng)，移動(dòng)性和便攜性差，導(dǎo)致其應(yīng)用局限于室內(nèi)固定場(chǎng)所，不能及時(shí)地為異地分散的應(yīng)急處置人員提供應(yīng)急處理支持；②沉浸感不足，雖然有少量研究者利用移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行洪水災(zāi)害可視化，但移動(dòng)設(shè)備比如智能手機(jī)的屏幕顯示尺寸較小，沉浸感差，導(dǎo)致用戶(hù)難以高效地感知認(rèn)知洪水災(zāi)害環(huán)境。

隨著移動(dòng)HMD(head mounted display)、智能手機(jī)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，移動(dòng)VR逐漸進(jìn)入人們的生活[18-19]。移動(dòng)VR是指把智能手機(jī)放入移動(dòng)HMD，然后人們通過(guò)頭戴移動(dòng)HMD來(lái)獲得對(duì)虛擬環(huán)境的沉浸感體驗(yàn)。移動(dòng)VR的出現(xiàn)為任何人在任何地方體驗(yàn)沉浸感的虛擬場(chǎng)景提供了可能，其具有移動(dòng)性與沉浸感并存的特點(diǎn)[20]。將移動(dòng)VR與洪水災(zāi)害場(chǎng)景三維可視化相結(jié)合，進(jìn)行基于移動(dòng)VR的洪水災(zāi)害場(chǎng)景三維可視化，有望解決現(xiàn)有的洪水災(zāi)害場(chǎng)景三維可視化中移動(dòng)性和沉浸感不足的問(wèn)題。

洪水災(zāi)害涉及空間范圍大，其場(chǎng)景數(shù)據(jù)包含不同尺度的空間數(shù)據(jù)、專(zhuān)題數(shù)據(jù)和模擬分析數(shù)據(jù)等多種類(lèi)型，數(shù)據(jù)量大；同時(shí)，移動(dòng)VR對(duì)場(chǎng)景繪制幀率要求高，要求超過(guò)30幀，達(dá)到60幀或以上更理想[20-23]。但智能手機(jī)硬件性能較弱且各不相同，常規(guī)單一的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織與調(diào)度方法主要側(cè)重PC端大規(guī)模場(chǎng)景[3-7]或移動(dòng)端簡(jiǎn)單地形場(chǎng)景可視化[24-29]，無(wú)法支持在性能各異的智能手機(jī)上進(jìn)行移動(dòng)VR場(chǎng)景高效渲染。此外，與游戲等領(lǐng)域的移動(dòng)VR交互不同，GIS領(lǐng)域更注重災(zāi)害場(chǎng)景的漫游探索分析。由于要把智能手機(jī)放入移動(dòng)HMD，這限制了常規(guī)的觸摸場(chǎng)景交互，因此，凝視成為移動(dòng)VR中主要的場(chǎng)景交互方式[20,30]。而現(xiàn)有交互研究?jī)H實(shí)現(xiàn)了小范圍場(chǎng)景中的對(duì)象選擇[20,30]，不能支持對(duì)洪水災(zāi)害場(chǎng)景的高效漫游探索與交互分析。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文將重點(diǎn)開(kāi)展基于移動(dòng)VR的洪水災(zāi)害場(chǎng)景構(gòu)建優(yōu)化與交互分析的研究。

1 方 法

1.1 移動(dòng)VR方案

在構(gòu)建洪水災(zāi)害移動(dòng)VR場(chǎng)景時(shí)，需要面對(duì)兩個(gè)難題，第一是洪水災(zāi)害場(chǎng)景構(gòu)建涉及數(shù)據(jù)量大，而智能手機(jī)的存儲(chǔ)空間與處理能力有限；第二是應(yīng)急情景下異地分散用戶(hù)的手機(jī)類(lèi)型與系統(tǒng)平臺(tái)可能各不相同。因此，本文提出了一種免插件B/S架構(gòu)下的移動(dòng)VR場(chǎng)景構(gòu)建方案，如圖1所示。其中，針對(duì)第一個(gè)難題，洪水災(zāi)害場(chǎng)景數(shù)據(jù)的處理、組織與存儲(chǔ)均在服務(wù)器端完成，避免在移動(dòng)端存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)及進(jìn)行密集計(jì)算；針對(duì)第二個(gè)難題，通過(guò)采用免插件的B/S架構(gòu)，用戶(hù)不需要下載與安裝特定的應(yīng)用程序，使用移動(dòng)端自帶的瀏覽器就能進(jìn)行洪水災(zāi)害場(chǎng)景的三維展示與交互探索分析。

1.2 移動(dòng)VR場(chǎng)景構(gòu)建優(yōu)化

1.2.1 多樣化場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織

洪水災(zāi)害三維場(chǎng)景通常包括地形模型、洪水模型、房屋與道路等專(zhuān)題模型。構(gòu)建多細(xì)節(jié)層次(level of detail，LOD)模型是實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景高效繪制的關(guān)鍵所在。相對(duì)PC機(jī)而言，智能手機(jī)性能普遍較差、屏幕較小，因此，傳統(tǒng)面向PC機(jī)的單一場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織方法不再適用。相比PC機(jī)大尺寸顯示屏幕，智能手機(jī)屏幕尺寸較小，在視點(diǎn)相同情況下，采用同樣的屏幕像素控制誤差，智能手機(jī)采用更低級(jí)LOD模型也能達(dá)到較好的視覺(jué)效果；同時(shí)，不同智能手機(jī)的性能差異也很大，也需要更多樣化的場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織，以適應(yīng)不同手機(jī)性能。例如，在構(gòu)建洪水災(zāi)害VR場(chǎng)景地形模型時(shí)，常規(guī)方法是每個(gè)層次影像瓦片模型采用單一瓦片尺寸(如256×256像素)，難以適應(yīng)性能差異化顯著的各用戶(hù)終端，因此，同一層次影像瓦片模型需采用更多瓦片尺寸(如16×16、32×32、64×64、128×128)生成；同理，洪水模型、房屋等專(zhuān)題模型也一樣，需要建立更多細(xì)節(jié)層次模型，以提高對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

圖1 基于B/S架構(gòu)的免插件移動(dòng)VR方案Fig.1 A plugin-free mobile VR scheme based on B/S architecture

1.2.2 場(chǎng)景數(shù)據(jù)量控制策略

提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和場(chǎng)景繪制效率的關(guān)鍵是控制場(chǎng)景的數(shù)據(jù)量。由于智能手機(jī)性能較弱，要保持較高的繪制幀率必須要降低場(chǎng)景的數(shù)據(jù)量。另外，智能手機(jī)屏幕尺寸較小，適當(dāng)減少場(chǎng)景數(shù)據(jù)量也能達(dá)到較好的可視化效果。因此，可以在視點(diǎn)相同的情況下，降低模型的LOD級(jí)別來(lái)減少場(chǎng)景數(shù)據(jù)量。對(duì)于房屋等離散模型來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，直接降低其LOD級(jí)別即可；但對(duì)于連續(xù)地形模型就稍顯復(fù)雜，可通過(guò)降低可加載的最大瓦片層級(jí)和加載更小尺寸的瓦片這2種策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(1) 降低可加載的最大瓦片層級(jí)。對(duì)于某一瓦片尺寸的影像或DEM金字塔模型，假如當(dāng)前加載的最大層級(jí)為L(zhǎng)max(比如17)，可以把允許加載的最大層級(jí)設(shè)置為L(zhǎng)，L=Lmax-i(i=1，2，3，…，i≤Lmax-Lmin)，上式中的Lmin為該瓦片金字塔模型的最低層級(jí)。

(2) 加載更小尺寸的瓦片。假如當(dāng)前加載的影像或DEM金字塔模型的瓦片尺寸為N，加載的最大層級(jí)為M，可以考慮加載尺寸為S的瓦片，S=N/2i(i=1，2，3，…)，同時(shí)允許加載的最大層級(jí)也限定為M。

1.2.3 移動(dòng)VR場(chǎng)景自適應(yīng)調(diào)度

顧及不同智能手機(jī)性能及運(yùn)行環(huán)境的差異性，提出了移動(dòng)VR場(chǎng)景自適應(yīng)調(diào)度方法，以支持在動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下場(chǎng)景的高效繪制。其基本思路為：在智能手機(jī)上進(jìn)行場(chǎng)景繪制幀率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析來(lái)尋求調(diào)度合適的LOD模型，即在幀率較高時(shí)可以提高場(chǎng)景模型LOD級(jí)別來(lái)提升可視化效果，在幀率較低時(shí)可降低LOD級(jí)別來(lái)提高場(chǎng)景繪制效率，達(dá)到可視化效率與可視化效果的平衡。各類(lèi)場(chǎng)景對(duì)象的自適應(yīng)調(diào)度策略如表1 所示。

表1 場(chǎng)景自適應(yīng)調(diào)度策略

1.3 移動(dòng)VR場(chǎng)景交互分析模式

與小范圍移動(dòng)VR場(chǎng)景的對(duì)象選擇、用戶(hù)移動(dòng)等簡(jiǎn)單交互方式不同[19-20,30-31]，洪水災(zāi)害移動(dòng)VR場(chǎng)景還需要高效的漫游探索與交互分析，其交互分析模式設(shè)計(jì)如圖2所示。下面重點(diǎn)對(duì)基于凝視的場(chǎng)景漫游探索、洪水災(zāi)害信息交互查詢(xún)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹。

圖2 移動(dòng)VR中洪水災(zāi)害場(chǎng)景交互探索方式設(shè)計(jì)Fig.2 Design of interaction ways for flood disaster scenes based on mobile VR

1.3.1 基于凝視的場(chǎng)景漫游探索

移動(dòng)VR場(chǎng)景中只能通過(guò)凝視虛擬按鈕對(duì)象實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的漫游探索。與視頻播放等大部分移動(dòng)VR應(yīng)用中的相機(jī)視點(diǎn)位置固定不同，洪水災(zāi)害三維場(chǎng)景中的相機(jī)視點(diǎn)位置需要不受限制地改變以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)與縮放，從而使用戶(hù)快速感知與認(rèn)知洪水災(zāi)害的宏觀與微觀信息，這使得用戶(hù)在場(chǎng)景里面經(jīng)?？床坏竭@些位置固定的按鈕，從而無(wú)法進(jìn)行場(chǎng)景的漫游探索。為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種用于移動(dòng)VR的交互菜單動(dòng)態(tài)構(gòu)建方法，即在與用戶(hù)視線(xiàn)相垂直的某一平面內(nèi)(比如該平面距離視點(diǎn)50 m遠(yuǎn))，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建各種虛擬按鈕對(duì)象，然后用戶(hù)通過(guò)凝視它們實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的漫游探索；當(dāng)場(chǎng)景發(fā)生漫游探索之后，需要在與用戶(hù)新視線(xiàn)相垂直的某一平面內(nèi)，重新動(dòng)態(tài)創(chuàng)建這些按鈕對(duì)象，供用戶(hù)繼續(xù)凝視。

該方法的原理為：①在相機(jī)坐標(biāo)系中垂直于負(fù)Z軸的某一平面(該平面即垂直于用戶(hù)視線(xiàn)，記為A平面)內(nèi)指定各按鈕對(duì)象各個(gè)節(jié)點(diǎn)及中心點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)；②對(duì)各按鈕對(duì)象各個(gè)節(jié)點(diǎn)及中心點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)，利用相機(jī)的視圖變換的逆變換來(lái)求取這些節(jié)點(diǎn)及中心點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并用這些節(jié)點(diǎn)的世界坐標(biāo)來(lái)創(chuàng)建三維場(chǎng)景中的按鈕對(duì)象；③當(dāng)用戶(hù)處于凝視狀態(tài)時(shí)，計(jì)算用戶(hù)視線(xiàn)方向與A平面的交點(diǎn)，利用該交點(diǎn)及各個(gè)按鈕對(duì)象中心點(diǎn)的世界坐標(biāo)來(lái)判斷用戶(hù)凝視的是哪個(gè)按鈕對(duì)象，從而觸發(fā)相應(yīng)的按鈕對(duì)象功能，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的漫游探索。采用這種方法，能夠最大限度地方便用戶(hù)進(jìn)行凝視，從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的有效漫游探索。基于凝視的場(chǎng)景漫游探索流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 基于凝視的場(chǎng)景漫游探索流程設(shè)計(jì)Fig.3 Design of scene roaming exploration process based on gaze

1.3.2 基于凝視的洪水災(zāi)害信息交互查詢(xún)

洪水災(zāi)害信息交互查詢(xún)指的是在洪水模型模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，查詢(xún)重要地方(比如醫(yī)院)或重要路段的洪水信息，比如淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)、最大水深等?；谀暤暮樗疄?zāi)害信息交互查詢(xún)分析設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 基于凝視的洪水災(zāi)害信息交互查詢(xún)?cè)O(shè)計(jì) Fig.4 Design of interactive flood information query based on gaze

首先，判斷用戶(hù)是否處于凝視狀態(tài)；如果是，需要判斷用戶(hù)視線(xiàn)是否與場(chǎng)景相交；如果相交，需要以交點(diǎn)為中心，查詢(xún)一定范圍內(nèi)的房屋或道路；如果有房屋或道路存在，則顯示離交點(diǎn)最近的房屋或道路的洪水災(zāi)害信息。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與環(huán)境

2.1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)域原始影像數(shù)據(jù)的分辨率為1 m，原始DEM數(shù)據(jù)的分辨率為10 m。由于影像相對(duì)DEM，數(shù)據(jù)量更大、分辨率更高，所以本文僅對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行多樣化表達(dá)，如表2所示。

針對(duì)洪水演進(jìn)模擬模型，提供了4種不同細(xì)節(jié)層次表達(dá)，分別為L(zhǎng)OD0，LOD1，LOD2，LOD3。LOD0為最精細(xì)表達(dá)，LOD3為最簡(jiǎn)化表達(dá)，洪水表面模型的表達(dá)形式及LOD模型的產(chǎn)生請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。房屋信息以JSON文件形式提供，包括房屋的邊界以及高度，為房屋體塊模型產(chǎn)生提供數(shù)據(jù)支持。

表2 試驗(yàn)使用的影像瓦片信息

2.1.2 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)選擇的移動(dòng)HMD為暴風(fēng)魔鏡CC，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為10 Mbps帶寬的無(wú)線(xiàn)WIFI。試驗(yàn)平臺(tái)分別選擇在Android和iOS智能手機(jī)的Chrome瀏覽器上運(yùn)行，兩部手機(jī)的信息如表3所示：

表3 試驗(yàn)使用的智能手機(jī)信息

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)采用Node.js v6.11.2建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，該服務(wù)器存儲(chǔ)多瓦片尺寸的地形模型、多細(xì)節(jié)層次的洪水演進(jìn)模擬模型、房屋模型。試驗(yàn)平臺(tái)瀏覽器端采用HTML5、JavaScript、Cesium開(kāi)源框架(支持立體渲染)進(jìn)行開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。本次試驗(yàn)選擇在一個(gè)潰壩洪水區(qū)域進(jìn)行[6]，試驗(yàn)平臺(tái)可以在Chrome、Firefox等主流瀏覽器上運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)在智能手機(jī)上對(duì)災(zāi)害場(chǎng)景進(jìn)行沉浸式展示與交互探索分析。圖5顯示了其在智能手機(jī)上的Chrome運(yùn)行效果以及使用移動(dòng)VR時(shí)的情形。

2.3 場(chǎng)景構(gòu)建優(yōu)化試驗(yàn)分析

2.3.1 試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證前述的場(chǎng)景構(gòu)建優(yōu)化方法，本文選擇在上述兩部智能手機(jī)上進(jìn)行沿著某一線(xiàn)路飛行的場(chǎng)景漫游，以測(cè)試場(chǎng)景在加載不同數(shù)據(jù)情形下，這些數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)景繪制幀率的影響。線(xiàn)路走向與洪水演進(jìn)方向一致，線(xiàn)路高程為800 m，離地面的高度在50 m到200 m之間，以保證飛行時(shí)加載的場(chǎng)景瓦片級(jí)數(shù)可以達(dá)到允許加載的最大瓦片層級(jí)，飛行時(shí)間為120 s。

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)在智能手機(jī)上的運(yùn)行截圖以及使用移動(dòng)VR時(shí)的情形(右下角)Fig.5 Screenshot of the test platform on a smartphone and the situation of using mobile VR (lower right corner)

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本文分別測(cè)試了：房屋模型與洪水演進(jìn)模型對(duì)場(chǎng)景的繪制幀率影響、降低可加載的最大瓦片層級(jí)對(duì)場(chǎng)景的繪制幀率影響、加載不同尺寸的瓦片對(duì)場(chǎng)景的繪制幀率影響，測(cè)試結(jié)果分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 房屋模型與洪水演進(jìn)模型對(duì)場(chǎng)景的繪制幀率影響測(cè)試Fig.6 Tests of the influence of house models and flood routing models on the rendering frame rate

圖8 加載不同尺寸的影像瓦片對(duì)場(chǎng)景的繪制幀率影響測(cè)試Fig.8 Tests of the influence of the loading image tiles of various tile sizes on the rendering frame rate

圖6中的A曲線(xiàn)代表場(chǎng)景中有體塊房屋模型、最精細(xì)的LOD0級(jí)洪水演進(jìn)模型、地形模型；B曲線(xiàn)代表場(chǎng)景中只有最精細(xì)的LOD0級(jí)洪水演進(jìn)模型、地形模型，即場(chǎng)景中沒(méi)有房屋體塊模型；C曲線(xiàn)代表場(chǎng)景中有房屋模型、最簡(jiǎn)化的LOD3級(jí)洪水演進(jìn)模型、地形模型。從圖6可以看出，無(wú)論在安卓手機(jī)還是蘋(píng)果手機(jī)上，曲線(xiàn)A與曲線(xiàn)B基本一致，這表明房屋體塊模型對(duì)場(chǎng)景的幀率基本上無(wú)影響；曲線(xiàn)C代表的幀率比曲線(xiàn)A更高，尤其是在漫游測(cè)試的后半段，這表面加載更簡(jiǎn)化的洪水演進(jìn)模型能夠提高場(chǎng)景繪制幀率。至于在漫游的后半段幀率明顯增加的原因，可能是由于漫游路徑后半段所經(jīng)過(guò)的洪水淹沒(méi)區(qū)域范圍更大所導(dǎo)致。

圖7中的A曲線(xiàn)代表場(chǎng)景中可加載的影像瓦片(瓦片大小為256×256像素)的最大層級(jí)為17級(jí)，DEM瓦片的最大層級(jí)為15級(jí)；B曲線(xiàn)代表場(chǎng)景中可加載的影像瓦片(瓦片大小為256×256像素)的最大層級(jí)為15級(jí)，DEM瓦片的最大層級(jí)為15級(jí)；C曲線(xiàn)代表場(chǎng)景中可加載的影像瓦片(瓦片大小為256×256像素)的最大層級(jí)為17級(jí)，DEM瓦片的最大層級(jí)為13級(jí)。從圖7中可以看出，無(wú)論在安卓手機(jī)還是蘋(píng)果手機(jī)上，曲線(xiàn)B和C所代表的幀率都比曲線(xiàn)A所代表的幀率高，這表明降低可加載的最大瓦片層級(jí)對(duì)場(chǎng)景繪制幀率的提升十分有用。曲線(xiàn)B所代表的幀率比曲線(xiàn)C所代表的幀率略高，這表明降低可加載影像瓦片的最大層級(jí)比降低可加載DEM瓦片的最大層級(jí)效果更為明顯。

圖8中的5條曲線(xiàn)分別代表場(chǎng)景加載的影像瓦片的尺寸為64、128、256、512、1024。從圖8可以看出，常規(guī)的256影像瓦片尺寸所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景繪制幀率大都在30幀以上，基本能滿(mǎn)足移動(dòng)VR對(duì)場(chǎng)景繪制幀率的要求，但是它的幀率變化幅度較大。而采用128、64的瓦片尺寸，不僅能夠大幅提高場(chǎng)景的幀率，其幀率的變化幅度也較小，這說(shuō)明通過(guò)加載更低尺寸的瓦片確實(shí)能夠顯著改善場(chǎng)景的幀率；相反，加載更大尺寸的瓦片，比如512或1024，其場(chǎng)景幀率較低，尤其是在Android設(shè)備上，大部分幀率都處于30幀以下。

以上的一系列試驗(yàn)表明，加載更簡(jiǎn)化的洪水演進(jìn)模型、降低可加載的最大瓦片層級(jí)、加載更小尺寸的瓦片都能夠有效提高場(chǎng)景繪制幀率，從而滿(mǎn)足移動(dòng)VR對(duì)洪水災(zāi)害三維場(chǎng)景繪制的高幀率要求。這些研究結(jié)果表明本文所提出的移動(dòng)VR洪水災(zāi)害場(chǎng)景構(gòu)建優(yōu)化方法是可行的。

2.4 場(chǎng)景交互查詢(xún)分析

為了驗(yàn)證本文場(chǎng)景交互方法在支持大范圍洪水災(zāi)害三維場(chǎng)景的探索與分析能力，本節(jié)開(kāi)展基于凝視的場(chǎng)景漫游探索、洪水演進(jìn)模擬分析、洪水災(zāi)害信息交互查詢(xún)?cè)囼?yàn)，以證明本文方法的有效性與可行性。

2.4.1 場(chǎng)景漫游探索

圖9、圖10、圖11顯示了要進(jìn)行場(chǎng)景漫游探索，用戶(hù)會(huì)看到的一些關(guān)鍵場(chǎng)景。當(dāng)用戶(hù)戴上移動(dòng)HMD后，低頭到一定角度，會(huì)看到Open按鈕出現(xiàn)，立體渲染如圖9所示。圖9中在Open按鈕上方的點(diǎn)代表用戶(hù)視線(xiàn)上的某一點(diǎn)，當(dāng)用戶(hù)凝視Open按鈕時(shí)(凝視效果如圖10所示)，會(huì)出現(xiàn)如圖11所示的場(chǎng)景探索菜單，用戶(hù)只需要凝視相應(yīng)的菜單項(xiàng)，就會(huì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的場(chǎng)景漫游探索，比如放大、縮小、旋轉(zhuǎn)場(chǎng)景。

圖9 用戶(hù)低頭到一定角度Open按鈕出現(xiàn)Fig.9 Open button appears when a user heads down to a certain angle

圖10 用戶(hù)凝視Open按鈕Fig.10 A user is gazing at the Open button

圖11 場(chǎng)景探索菜單Fig.11 The scene roaming exploration menu

2.4.2 洪水演進(jìn)模擬分析

圖12、圖13顯示了洪水演進(jìn)模擬分析中的一些場(chǎng)景。當(dāng)用戶(hù)凝視場(chǎng)景探索菜單上面的“Simulation”菜單項(xiàng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如圖12所示的洪水演進(jìn)模擬分析菜單。圖13顯示了正在演進(jìn)中的洪水模擬分析效果。

圖12 洪水演進(jìn)模擬分析菜單Fig.12 Flood routing simulation analysis menu

圖13 洪水演進(jìn)模擬分析Fig.13 Simulation analysis of flood routing

2.4.3 洪水災(zāi)害信息交互查詢(xún)

圖14、圖15顯示了洪水災(zāi)害信息交互查詢(xún)中的一些場(chǎng)景。當(dāng)用戶(hù)凝視場(chǎng)景探索菜單上面的“FloodInfo”菜單項(xiàng)時(shí)，場(chǎng)景探索菜單會(huì)消失，然后用戶(hù)凝視場(chǎng)景中的某一房屋(凝視效果如圖14所示)，系統(tǒng)會(huì)顯示該房屋周?chē)暮樗畔?，如圖15 所示：被凝視的房屋會(huì)變成深色，在房屋的上方顯示了該房屋會(huì)被洪水淹沒(méi)超過(guò)30個(gè)小時(shí)等洪水信息。

上述試驗(yàn)表明，本文提出的場(chǎng)景交互方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)VR的大范圍洪水災(zāi)害三維場(chǎng)景漫游探索、洪水災(zāi)害模擬分析與查詢(xún)，有助于用戶(hù)更好地感知與認(rèn)知洪水災(zāi)害環(huán)境。

3 結(jié) 論

針對(duì)采用移動(dòng)VR進(jìn)行洪水災(zāi)害場(chǎng)景三維可視化存在的挑戰(zhàn)，本文提出了一種移動(dòng)VR洪水災(zāi)害場(chǎng)景構(gòu)建優(yōu)化與交互方法。該方法通過(guò)在免插件的B/S架構(gòu)下進(jìn)行多樣化場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織、場(chǎng)景數(shù)據(jù)量?jī)?yōu)化控制及自適應(yīng)調(diào)度，有效提高了場(chǎng)景繪制幀率，從而滿(mǎn)足移動(dòng)VR對(duì)洪水災(zāi)害三維場(chǎng)景繪制的高幀率要求；通過(guò)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于凝視的洪水災(zāi)害場(chǎng)景漫游探索、信息交互查詢(xún)等模式，為洪水災(zāi)害移動(dòng)VR場(chǎng)景的高效漫游探索與交互分析提供了支撐。雖然本文主要圍繞洪水災(zāi)害開(kāi)展移動(dòng)VR場(chǎng)景構(gòu)建優(yōu)化研究，但其中一些關(guān)鍵技術(shù)與方法也具有較好的通用性，未來(lái)可擴(kuò)展到更多應(yīng)用場(chǎng)景。此外，移動(dòng)VR場(chǎng)景中的探索交互模式也還有待于進(jìn)一步研究完善，以為災(zāi)害應(yīng)急處置提供更加實(shí)用的技術(shù)方法支撐。

圖14 用戶(hù)凝視某一房屋Fig.14 A user is gazing at a house

圖15 房屋周?chē)樗畔ig.15 Flood information around the house