基于ArcGIS的校園三維場景漫游關鍵技術研究與實現

郭海鵬，李薇薇

（1.長春理工大學，長春 130022；2.長春理工大學 光電信息學院，長春 130012）

隨著社會的進步和發展，單純的依靠三維建模軟件對場景的再現和漫游已經不能滿足要求，人們的視點開始轉向GIS技術。ArcGIS作為GIS基礎軟件的領軍人物，功能強大、應用廣泛，專門用于海量地理信息的處理，它能夠基于校園周邊的地理信息，快速的構建校園三維場景［1-2］。本文就基于ArcGIS創建三維校園時的關鍵算法、技術以及出現的相關問題進行探討和研究。

1 關鍵技術和模型優化

1.1 碰撞檢測算法

在虛擬校園中漫游時，須實時、準確地判斷和虛擬物體是否發生了碰撞，這樣用戶才能感覺到虛擬對象是真實存在的。本文采用基于AABB包圍盒的碰撞檢測算法進行碰撞檢測。

AABB包圍盒滿足如下條件：

lx,ux,ly,uy,lz,uz分別是該AABB包圍盒在X、Y、Z坐標軸上投影的最小和最大坐標值。該算法的基礎是空間直線與空間多邊形的求交，可以判斷在漫游過程中是否與地形或建筑物發生碰撞。其檢測步驟為：

（1）獲取人的視點為V。

（2）獲取沿運動方向距離為d的點M。

（3）獲取周圍要素的長方體坐標范圍。

（4）判斷VM是否和周圍要素是否相交，如果碰撞則采取規避措施。

（5）不碰撞的話，則可進行到下一個位置M。

1.2 漫游控制算法

本系統中的漫游控制采取移動視點的控制方式，具體分為以下三種：

1.鍵盤控制方式：用戶通過鍵盤改變攝像機的x、y、z坐標，達到旋轉、上移、下移、左移、右移等效果。同時，通過變更移動因子的大小，還可以達到加速、減速的效果。

2.自動漫游方式：采取沿路徑飛行的方式進行自動漫游。步驟為：選擇場景中路徑要素，然后設置飛行時的參數（高度、視角、速度）來控制飛行過程中的視覺效果。

3.飛行漫游方式：調用ArcGIS中的“飛行”工具，可啟動對場景的飛行漫游，然后可以用不同的速度沿任意方向移動。

1.3 空間測量算法

ArcScene沒有提供三維空間測量的接口，無法直接獲得三維空間中的距離。這里結合GDI+中的line方法，獲取二維屏幕坐標，然后通過坐標轉換，調用SceneGraph中locate方法獲得該平面坐標點對應的三維地理坐標，最后通過計算得到線段的長度信息，并在屏幕中顯示出來。屏幕坐標與空間地圖坐標基于橫向和縱向的系數相似比來進行如下轉換：

窗口的高度和寬度用H、W表示。屏幕范圍的高度和寬度用H′、W′來表示。x0、y0為地圖起點坐標。 x、y為地圖坐標。 x′、y′為屏幕坐標。

1.4 模型優化

1.多邊形消減策略：多邊形的面數和段數不但會增加模型的大小，而且會增加渲染的工作量，降低實時性和響應的及時性［3］。所以，在滿足效果的基礎上，應盡可能的減少模型的段數和面數，同時，去掉在漫游時永遠不可見的面，比如建筑物的底面。

2.背面消隱技術：本系統是室外漫游系統，建筑物內部在任何時候都是不可見的，在3DS MAX中應指定背面消隱選項，跳過建筑物內部渲染。這將減少大約一半的渲染量。

基于物體的近似夾角來判斷動態遮擋物：

3.紋理映射技術：本文在模型細節的刻畫上一般采用紋理映射，在對應位置的多邊形表面鋪上紋理圖片，用來代替詳細的模型。紋理映射并不會降低場景的逼真程度，而且還可以極大的減少模型的多邊形數目和場景復雜程度，提高圖像繪制輸出時的顯示速度。對比效果如圖1所示。

圖1 科技大廈貼圖前后效果對比Fig.1 The effect comparison diagram of the before and after chartlets of technology mansion

1.5 模型導入問題

1.模型導入損失：模型以3DS格式導入Arc-Scene后，有時會出現部分損失的現象（如鏡像部分丟失等）。原因是3DS MAX克隆模型時選擇“實例”和“參考”得到的結果在內存中只存有一個物理地址，多個物體顯示時通過指針調用，但在導入到ArcScene中時，指針信息丟失，顯示就會出現問題［4］。本文通過在3DS MAX下進行復制操作，實現模型在ArcScene中無損顯示。對比效果如圖2所示。

圖2 參考和復制的模型導入效果對比圖Fig.2 Effect comparison diagram of the referenced and copied models

2.紋理材質損失：模型導入ArcScene后，有時會出現輪廓完整但紋理材質丟失的現象。為解決該問題，須將建好的3DS模型及其紋理貼圖在同一路徑下保存。

3.顏色、亮度、光度損失：模型導入ArcScene后，其顏色、亮度、燈光效果會出現一定程度的失真，可通過3DEffects工具進行調節。

圖3 虛擬校園制作流程圖Fig.3 Virtual campus design chart

2 系統的設計與實現

2.1 總體設計流程

通過在ArcGIS中定義基本的場景模型之間的空間關系，利用ArcGIS中ArcMap的編輯、分析、瀏覽功能以及ArcCatalog的數據管理功能，建立起校園的二維數字場景；再利用ArcScene的強大的三維編輯、顯示、漫游以及二次開發功能進行三維場景的構建。該系統詳細設計流程如圖3所示。

2.2 程序運行效果

圖4 程序運行效果圖Fig.4 Program diagram

3 結語

本文討論解決了基于ArcGIS創建三維虛擬校園時的關鍵技術，其中包括碰撞檢測算法、漫游算法、空間測量算法，模型的優化，以及模型導入時的相關問題。在此基礎上。實現了長春理工大學南校區的三維漫游系統?；诖讼到y可以進行一些擴展，比如路徑搜獲和基于人文、地理信息的自動規劃等高級功能。

［1］鄔倫，劉瑜.地理信息系統——原理、方法以及應用［M］.北京：科學出版社，2011.

［2］穆揚，柳錦寶，張永福.基于ArcGIS Engine的三維校園系統的設計與實現［J］.航空計算技術，2009，39（6）：100-104.

［3］黃瑩瑩，彭敏俊，許岷.基于虛擬現實的數字校園漫游系統的設計與實現.應用科技，2005，32（5）：40-42.

［4］劉有貴，閆鈺鋒，馬宏.GPRS車載定位網絡服務系統研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2009，22（4）：86-88.

［5］王艷，聶宜民，劉愛華，等.基于ArcGIS的三維虛擬校園究的研究與探討［J］.山東農業大學學報，2009，40（2）：283-286.