基于vrml的航道虛擬場(chǎng)景的建立

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1、第33卷第2期河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）VOI.33NO.22005年3月JOurnaIOfHOhaiUniversity（NaturaISciences）Mar.2005基于VRML的航道虛擬場(chǎng)景的建立殷佩生，魏玲（河海大學(xué)交通學(xué)院、海洋學(xué)院，江蘇南京210098）摘要：通過(guò)建立航道虛擬場(chǎng)景，把ArcinfO，VRML技術(shù)以及腳本程序相結(jié)合，利用ArcinfO進(jìn)行地形樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理并實(shí)現(xiàn)地形面的三維建模，得到虛擬場(chǎng)景的對(duì)象；用VRML添加光源、背景、材質(zhì)等場(chǎng)景信息對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行渲染；用Script節(jié)點(diǎn)設(shè)定對(duì)象的行為，增強(qiáng)VRML的動(dòng)

2、畫與交互功能，可以較快地實(shí)現(xiàn)從離散地形數(shù)據(jù)到虛擬航道場(chǎng)景的瀏覽.關(guān)鍵詞：航道虛擬場(chǎng)景；地形建模；VRML；JavaScript中圖分類號(hào)：TP311.134.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000!1980（2005）02!0212!04虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng)大的三維造型、交互性及動(dòng)畫功能引起了諸多領(lǐng)域的關(guān)注，給參與者提供了一個(gè)身臨其境、具有完善交互能力的虛擬場(chǎng)景，因此其應(yīng)用前景非常廣闊.在水利工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，三維可視化模型和場(chǎng)景的應(yīng)用正逐漸成為分析研究水工結(jié)構(gòu)物、地形、地貌、水流流場(chǎng)等的重要手段.在航道設(shè)計(jì)整治工作中，現(xiàn)代測(cè)量GPS技術(shù)的應(yīng)

3、用，提高了航道整治設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)化技術(shù)，因此將GPS的地形數(shù)據(jù)化技術(shù)和三維可視化技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)虛擬場(chǎng)景再現(xiàn)地形的實(shí)景和航道及整治建筑物布置，將有助于航道整治設(shè)計(jì)技術(shù)水平的提高.本文把ArcinfO和VRML技術(shù)相結(jié)合，用ArcinfO構(gòu)建虛擬場(chǎng)景對(duì)象，用VRML及腳本創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景、動(dòng)畫和交互，從而可以快速構(gòu)建包括設(shè)計(jì)航道區(qū)域地形、設(shè)計(jì)航道線以及航道輔助設(shè)施布局的三維虛擬場(chǎng)景.1建立航道虛擬場(chǎng)景的基本思路虛擬航道場(chǎng)景的建立，需要解決地形建模和場(chǎng)景生成兩個(gè)方面的問(wèn)題.［1］，包括了3D設(shè)計(jì)中的大多數(shù)常用功能，通VRML是一種三維造型和虛擬

4、場(chǎng)景渲染的圖形描述性語(yǔ)言過(guò)VRML可以建立豐富的三維場(chǎng)景.但是在VRML中建模缺乏支持?jǐn)?shù)學(xué)描述的能力，造型和動(dòng)畫都有一定的隨意性，固有節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不適用于構(gòu)建三維地形.對(duì)于地形等復(fù)雜的三維造型，一般可通過(guò)AutOCAD，3DMAX等專用建模軟件建立模型，然后在VRML中進(jìn)行交互功能設(shè)計(jì)及場(chǎng)景渲染.ArcinfO是一個(gè)使用廣泛的地形建模系統(tǒng)，把ArcinfO的建模技術(shù)與VRML語(yǔ)言的場(chǎng)景設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合，開(kāi)發(fā)航道的場(chǎng)景瀏覽對(duì)象和環(huán)境，可以比較好地體現(xiàn)地形面的三維實(shí)景.根據(jù)ArcinfO系統(tǒng)和VRML語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，航道三維虛擬場(chǎng)景的開(kāi)

5、發(fā)思路，可以按圖1所示流程進(jìn)行.2地形面的三維建模方法2.1地形面建模算法由GPS得到的水下地形描述一般都可以轉(zhuǎn)換為文本圖1航道三維虛擬場(chǎng)景開(kāi)發(fā)思路形式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件，每個(gè)地形樣點(diǎn)數(shù)據(jù)包括點(diǎn)的位置Fig.1Flowchartof3!DVirtualchannelscene坐標(biāo)（!，"）及其高程值（#）.若采用相關(guān)的CAD建模技術(shù)處理，通常以點(diǎn)、線、面等關(guān)聯(lián)信息存儲(chǔ).ESRi開(kāi)發(fā)的ArcinfO是基于數(shù)據(jù)庫(kù)的GiS，在地形建模的技術(shù)上有較大改進(jìn)，將高程（#）作為屬性數(shù)據(jù)，將幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立矢量數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，從而提高了空

6、間信息的表達(dá)能力和數(shù)據(jù)的處理能力［2］.收稿日期：2004!02!25作者簡(jiǎn)介：殷佩生（1955—），男，江蘇昆山人，副教授，主要從事工程CAD、工程及計(jì)算機(jī)圖學(xué)等研究.第2期殷佩生，等基于VRML的航道虛擬場(chǎng)景的建立213在三維地形可視化技術(shù)中，基于等高線生成高度場(chǎng)是表示地貌最流行的方法之一.該算法由地形數(shù)據(jù)生成不同高程的平滑閉合等高線，從而構(gòu)建地形三維模型.為了達(dá)到場(chǎng)景的真實(shí)感和最佳瀏覽效果，可以調(diào)整等高線的生成密度，以有利于兼顧地形模擬的真實(shí)感和瀏覽速度.2.2地形數(shù)據(jù)處理方法依據(jù)離散地形樣點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地形模型之前，一般需要

7、對(duì)已有的離散地形數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插和格網(wǎng)化，以補(bǔ)充樣點(diǎn)數(shù)量和密度上的不足，并調(diào)整其分布位置，特殊情況下還需要進(jìn)行剔除壞點(diǎn)的處理.內(nèi)插和格網(wǎng)化的數(shù)值插值方法很多，克里格金（Kriging）法是一種適用于許多領(lǐng)域的數(shù)值插值方法［2］，其算法分為兩步：第一步，對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，在充分了解場(chǎng)的性質(zhì)的前提下，提出變差函數(shù)模型；第二步，在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行克里格金計(jì)算.航道地形涉及的區(qū)域較大，而且局部表現(xiàn)要求較高，但數(shù)據(jù)樣點(diǎn)應(yīng)主要表現(xiàn)主航道區(qū)、船舶掉頭區(qū)和錨地等區(qū)域.地形數(shù)據(jù)的內(nèi)插和格網(wǎng)化可以針對(duì)性地處理，以有效減少數(shù)據(jù)量和提高模型生成速度.

8、2.3地形面三維模型的生成不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TriangularIrregularNet簡(jiǎn)稱TIN）是常用的自由曲面描述方法［3］.按最佳三角形條件構(gòu)建的三角網(wǎng)幾何模型的顯示速度僅與三角形的數(shù)量有關(guān)，與其大小無(wú)關(guān)，所以在地形數(shù)據(jù)量不是