基于Creator的地形建模和仿真研究

趙建榮，江 浩

（第二炮兵工程大學，西安710025）

基于Creator的地形建模和仿真研究

趙建榮，江 浩

（第二炮兵工程大學，西安710025）

主要介紹了一種使用地形數據和相關地形信息，通過Multigen Creator軟件生成地形場景的方法。并對Creator軟件、地形數據轉換以及地形模型生成與仿真等都做了詳細講述，最后使用Vega Prime和VC＋＋6.0等工具建立了視景仿真環境并進行二次開發，地形顯示畫面運行平穩，可視化顯示視覺效果較好。

地形建模；數字高程數據；Multigen Creator軟件；視覺效果；仿真

1 引 言

信息技術的迅猛發展使虛擬三維視景仿真技術得到了飛躍式的發展，在軍事訓練、人員培訓、工業生產和災難預警等領域得到了廣泛應用。極大地推動了經濟社會的發展，特別是在國防軍事領域，軍事斗爭、裝備試驗和軍事訓練的需要，促使戰場環境仿真更貼近實戰，其重要性日益凸顯［1］。

戰場環境信息主要包括河流、樹木、樹林、高山、峽谷及人造建筑物，模型能夠表現出高分辨率的細節信息和貼近真實的模型對象。而進行戰場環境建模與仿真時，需要使用者能夠恰當處理海量數據信息，減少模型渲染過程產生的巨大計算量［2］。

國內外研究人員對地形建模及其仿真技術已做了卓有成效的探索，通過使用LOD技術、選擇地圖投影模型、采用不同的地形轉換算法等方法，結合計算機軟硬件技術、圖像顯示技術，使得進行地形仿真建模和仿真研究成為一種比較成熟的工程手段［3－5］。

以Vega prime視景軟件、Mutigen Creator三維建模軟件、Global Mapper軟件為基礎工具，使用國際互聯網上公開的地形數據及其航拍照片，采用LOD控制、紋理貼圖等方法，完成了某省幾十萬平方公里區域的地形建模和仿真研究。仿真效果良好，紋理和地形匹配程度高，能夠滿足軍事訓練和仿真作戰的需求。

2 地形可視化仿真建模

地形可視化仿真技術是一個繁雜的系統工程，無論從最初的仿真對象選定、圖形圖像處理能力評估到最終仿真系統的生產，這其中要經歷相當多的中間過程，如地形原始數據收集、梳理和修改，不同數據格式之間的轉換、處理，三維地形數據庫的建立、優化，仿真系統的創建、調試和調整。

而在這個復雜的系統工程中，最重要的任務是建立三維地形數據庫。通俗一點講，三維地形數據庫是一個包含了許多多邊形的、能夠近似展示局部地球表面特征信息的“地圖”。實際工程中常常主要使用數字地面模型或數字高程模型（DEM），并采用高分辨率的航空攝影照片或衛星遙感數據，以及數字正攝影（DOM）的方法建立視覺效果真實的三維地形數據庫［6］。

所謂的數字正影像（Digital Orthophoto Map，DOM）是使用數字高程模型對航空攝影照片或衛星遙感照片，進行逐像元輻射校正、微分糾正和鑲嵌的平面圖。DOM具有地圖幾何精度和影像特征，精度高、信息量大、創建周期短等特點，已普遍作為背景控制信息，廣泛應用在工業生產、災害防治和基礎設施建設規劃等領域［7］。

2.1 獲得地形數據

創建地形數據庫時，首先要收集地形數據庫所必需的數據信息，并進行必要的格式轉化，滿足仿真系統需求。目前獲得高程數據的方法很多，優缺點各異。使用直接測量的方法能夠獲得與實際地形較為吻合、準確度高的高程信息，但是這種方法也存在創建周期長、經費投入巨大的缺點。

因此，對于一般的用戶受到經費和研究時間等因素的限制，不需要使用極高辨識度的地形信息，可以通過國際互聯網免費開放的地理信息資源庫獲取用戶所需的地形高程信息數據，來滿足基本需要。例如，在http：／／data.geocomm.com／、http：／／datamirror.csdb.cn／（國際科學數據服務平臺）可以免費下載ASTER GDEM全球30m分辨率的數字高程地形數據［8－9］。

2.2 高程數據格式轉換

用戶通過國際科學數據服務平臺免費下載全球30m分辨率的數字高程數據，其生成數據格式為.img格式。而Creator軟件不能直接打開.img格式的數據文件，需要使用Global Mapper軟件的格式轉換功能將該文件轉換為DEM數據文件。

進入Global Mapper軟件轉換生成的DEM數據文件目錄，鍵盤敲擊cmd命令：

Readusgs文件名稱.dem轉換后文件名.ded

使用Creator軟件自帶的DED文件生成器可以將DEM高程數據轉換為DED格式文件。諸如USGSSTOPO30、USGS STDS DEM等格式文件也能夠被DED文件生成器讀取并轉換。具體轉換步驟為：使用命令窗口執行完該條命令數秒后，會自動生成能夠被Creator軟件識別的.DED格式文件［10］。

2.3 選擇地形轉換算法

Creator提供了Ploymesh轉換算法、Delaunay轉換算法、Terrain Culture Triangulation（TCT）轉換算法和Continuous Adaptive Terrain（CAT）轉換算法四種不同類型的三角形化算法，用來將數字高程數據轉換為地形模型數據［11］。比較每一種地形轉換算法可知算法特征也很鮮明，其優缺點差異較大。

在轉換中僅有一部分數字高程數據被直接轉換為地形數據，參數的不同也會影響地形模型的結構和轉換后的顯示效果。在工程實際中需要綜合考慮系統性能、兼容性、三角帶化能力以及多邊形數量等多種影響因素來選擇適合的地形轉換算法。

3 地形紋理制作與添加

3.1 地形紋理制作

紋理是指那些被映射在三維模型表面的二維圖像，在不增加多邊形數量的前提下使用紋理能夠使模型獲得真實的視覺效果。而地形紋理是指包含地形坐標信息的特殊紋理，利用所包含的地形坐標信息，地形紋理能夠很好地匹配地形模型的多邊形。

制作地形紋理時通常使用衛星圖片或航空圖片等素材。其中衛星圖片具有較好的辨識度，能夠直接反應真實的地貌特征，不需處理。而互聯網上常見的衛星圖片清晰度有限，需要經過專門處理。通過互聯網上公開的衛星圖片數據資源庫能夠獲得并下載地球任意地理位置的圖像，且分辨率極高。可以通過將較大面積的地形利用經緯度劃分為若干個小地形，并分別制作地形紋理，再將小地形紋理“拼接”起來完成地形紋理制作［12］。

3.2 LOD控制

根據系統仿真需求可以建立不同的細節層次，這有效提高了多邊形利用率，很好地解決了仿真渲染效果和實時性問題，使系統獲得了更好的顯示效果。在可視化仿真過程中，實時仿真系統根據當前視點距離模型的遠近來選擇使用不同細節程度的模型對象。視點距離越近，使用越復雜的LOD細節，反之亦然。

但復雜程度越高的LOD就會產生更多數量的多邊形和三角形，在系統仿真時會生成大量的處理數據，大大增加了系統運行負擔，會出現顯示效果降低的現象。

4 模型優化與校正

地形模型由于其所含信息量大，在轉換、生成過程中會產生一些顯示失真、錯位，從而在進行場景仿真時可能會出現跳幀、無法正常工作等現象。用戶可以通過Creator軟件對地形模型進行優化處理，以提高仿真渲染的逼真效果和實時性。

故需要使用Creator軟件中工具箱的特定功能來修改和編輯地形特征數據，并對其進行移動、縮放、旋轉等具體操作，使特征數據更加準確地映射在地形模型的具體位置上。

5 應用實例

三維地形建模的一般過程，如圖1所示。

將用Creator軟件工具制作場景中模型以及CTS生成的地景數據庫加載到Vega Prime中，使用大地形管理模塊（LADBM）進行管理，可采用Vega prime的GUI和VC2003.NET聯合進行二次開發，完成場景的仿真實驗。線程是進程內部的一個基本執行路徑，可視為可執行代碼的最小單元。它具有共享內存單元的特點，能夠提高顯示效果。因此，使用Vega Prime實現的場景管理調用是基于線程。

圖1 三維地形建模過程

仿真系統的硬件平臺環境為使用英特爾雙核處理器，CPU 2.5GHz，內存為4G，顯卡為NVIDIA GeForce GT 650M，顯存2G，顯示分辨率為1600× 900。在渲染漫游過程中禎畫面比較流暢，基本上滿足了仿真要求。

具體運行效果如圖2所示。

圖2 仿真運行效果圖

6 結束語

隨著虛擬現實技術的飛速發展，可視化視景仿真技術日臻完善，已被廣泛應用在各種領域。特別是在國防和軍事領域，地形仿真發揮了重要作用，將有更為廣泛的運用。

結合某省三維地形的應用實例，討論了地形建模和可視化仿真的過程和關鍵技術，針對地形仿真三維模擬環境特點，使用了一些卓有成效的優化技術和校正方法，具有一定的應用和參考價值。

［1］王揚，郭晨，章曉明.現代仿真器技術［M］.北京：國防工業出版社，2012－12－01.

［2］肖劍波，胡大斌，趙凱.面向船舶航行訓練的大范圍地形建模［J］.圖學學報，2013（1）：128－132.

［3］姚凡凡，梁強，許仁杰，杜君.基于Vega Prime的三維虛擬戰場大地形動態生成研究［J］.系統仿真學報，2012（9）：1900－1903.

［4］閻彬.基于Vega Prime的大地形視景仿真技術研究［D］.陜西：西安電子科技大學，2009.

［5］張蓉.基于MultiGen Creator的超大地形虛擬場景構建［D］.廣東：華南理工大學，2011.

［6］MultiGen－Paradigm，Inc.Multigen Creator User’s Guide.Version 3.2 for Windows［Z］.U.S.A.：Multi Gen－Paradigm，Inc.，2001.

［7］蔣欣，陳鷹.DOM與DEM數據的管理和三維可視化［J］.測繪科學，2002（9）：40－43.

［8］鄒冬冬，李興瑋.彈體飛行視景仿真系統設計與實現［J］.系統仿真學報，2013（8）：268－272.

［9］李晶.三維數字地球構建關鍵技術研究［D］.陜西：電子科技大學，2012.

［10］邢小平.利用Multigen CTS工具構造3D大地形［J］.電腦知識與技術，2011（22）：5455－5456.

［11］王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術［M］.武漢：華中科技大學出版社，2005－03－01.

［12］劉小江.超大地形三維模型設計與制作［J］.計算機仿真，2010（1）：24－26.

Study on Terrain Modeling and Simulation Based on Creator

ZHAO Jian－rong，JIANG Hao
（The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China）

Based on Creator software，the method，using terrain data and related information to simulate terrain scene，is researched.This paper mainly introduces Creator software，terrain date transformation and the whole process of terrain modeling and simulation.Finally，it establishes and develops the visual simulation environment on the basis of Vega Prime and VC＋＋6.0.The result of the experiment shows that it operates smoothly and has superior visual effect.

Terrain modeling；DEM；Multigen Creator software；Visual effect；Simulation

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.014

TP391.9

：A

：1002－2279（2014）06－0047－03

趙建榮（1991－），男，甘肅武威人，在讀碩士研究生，主研方向：虛擬現實、視景仿真研究。

2014－03－11