基于vrml的航道虛擬場景的建立

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1、第33卷第2期河海大學(xué)學(xué)報（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：通過建立航道虛擬場景，把ArcinfO，VRML技術(shù)以及腳本程序相結(jié)合，利用ArcinfO進(jìn)行地形樣點數(shù)據(jù)的預(yù)處理并實現(xiàn)地形面的三維建模，得到虛擬場景的對象；用VRML添加光源、背景、材質(zhì)等場景信息對場景進(jìn)行渲染；用Script節(jié)點設(shè)定對象的行為，增強VRML的動

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

3、用，提高了航道整治設(shè)計的數(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，通過虛擬場景再現(xiàn)地形的實景和航道及整治建筑物布置，將有助于航道整治設(shè)計技術(shù)水平的提高.本文把ArcinfO和VRML技術(shù)相結(jié)合，用ArcinfO構(gòu)建虛擬場景對象，用VRML及腳本創(chuàng)建虛擬場景、動畫和交互，從而可以快速構(gòu)建包括設(shè)計航道區(qū)域地形、設(shè)計航道線以及航道輔助設(shè)施布局的三維虛擬場景.1建立航道虛擬場景的基本思路虛擬航道場景的建立，需要解決地形建模和場景生成兩個方面的問題.［1］，包括了3D設(shè)計中的大多數(shù)常用功能，通VRML是一種三維造型和虛擬

4、場景渲染的圖形描述性語言過VRML可以建立豐富的三維場景.但是在VRML中建模缺乏支持?jǐn)?shù)學(xué)描述的能力，造型和動畫都有一定的隨意性，固有節(jié)點和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不適用于構(gòu)建三維地形.對于地形等復(fù)雜的三維造型，一般可通過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)計及場景渲染.ArcinfO是一個使用廣泛的地形建模系統(tǒng)，把ArcinfO的建模技術(shù)與VRML語言的場景設(shè)計技術(shù)結(jié)合，開發(fā)航道的場景瀏覽對象和環(huán)境，可以比較好地體現(xiàn)地形面的三維實景.根據(jù)ArcinfO系統(tǒng)和VRML語言的開發(fā)特點，航道三維虛擬場景的開

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航道三維虛擬場景開發(fā)思路形式存儲的數(shù)據(jù)文件，每個地形樣點數(shù)據(jù)包括點的位置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、線、面等關(guān)聯(lián)信息存儲.ESRi開發(fā)的ArcinfO是基于數(shù)據(jù)庫的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)到場景的真實感和最佳瀏覽效果，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)離散地形樣點數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地形模型之前，一般需要

7、對已有的離散地形數(shù)據(jù)點進(jìn)行內(nèi)插和格網(wǎng)化，以補充樣點數(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，對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，在充分了解場的性質(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)，與其大小無關(guān)，所以在地形數(shù)據(jù)量不是