計算機虛擬現實技術的環境藝術設計系統構建

顏軍

摘 要： 傳統通過二維圖像描述環境藝術地理環境，獲取的環境信息缺乏直觀性和互動性。因此研究環境藝術的三維虛擬重現，通過Creator建模軟件塑造虛擬環境中不同實體模型和地形模型。采集環境原始數據后，進行環境數據的邊緣處理，產生三維環境設計系統。采用大地形環境數據庫管理模型實現環境中數據庫的管理。在環境的三維虛擬重現過程中，通過Vega驅動軟件塑造環境的三維場景，采用Vega中Marine環境模塊實現動態、靜態環境仿真以及模擬效果。實驗結果說明，所提方法重現的環境更為逼真、直觀，可實現交互式操作，取得了令人滿意的效果。

關鍵詞： 環境藝術； 地理環境； 三維； 虛擬重現技術； 虛擬現實； 設計系統構建

中圖分類號： TN99?34； P208 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）07?0062?05

Construction of environmental art design system based on

computer virtual reality technology

YAN Jun

（School of Art and Design， Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333000， China）

Abstract： The environment information captured by geographical environment of traditional environmental art using two?dimensional images description lacks of intuition and interaction. Therefore， the 3D virtual reproduction of environmental art is studied， and different entity models and terrain models in virtual environment are modeled by Creator modeling software. After collecting the original data of the environment， the edge processing is carried out for the environment data to produce a three?dimensional environment design system. The database management model of large terrain environment is used to manage the database in the environment. In the process of 3D virtual reproduction of environment， the 3D scene of the environment is modeled by Vega driver software， and the Marine environment module in Vega is used to realize the simulation of the static and dynamic environments and simulate its results. The experimental results show that the environment reproduced by the method is more realistic and intuitive， and the method can realize the interactive operation， and get the satisfactory results.

Keywords： environmental art； geographical environment； 3D； virtual reproduction technology； virtual reality； design system construction

0 引 言

我國的領土環境復雜多變，在陸地、空中、水面以及水下構成多維空間環境[1]。從二維圖中獲取環境地理信息數據庫，依據這些地理信息實現環境的仿真設計，在環境虛擬戰場、環境資源開發、環境氣象數據預報等領域具有廣泛的應用價值。

傳統通過二維圖描述環境，獲取的環境地理信息缺乏直觀性和互動性[2]。因此將二維電子圖三維化，同時在三維圖中融入虛擬現實技術，完成環境的三維虛擬重現成為人們分析的重點。

1 環境的三維虛擬重現系統開發關鍵技術

1.1 三維環境地形的生成

1.1.1 獲取環境地形模型原始數據

采用Creator建模軟件塑造環境中各實體模型和環境地形模型。該軟件采用建模功能模塊Terrain對相應格式的*.ded文件實施自主建模[3]，并對模型的紋理和顏色進行處理，構建環境特征物的模型，通過GeoFeature模塊獲取DFD格式的環境地形模型數據。

1.1.2 數據的邊緣處理

來自二維電子環境圖內的高程數據雜亂無章，此時需要修正初始圖數據，得到相同區域的網格數據。將數據補充方法作為距離加權內插法[4]，對各不確定點數值實施預測，通過近鄰的已知點數值實施加權計算，獲取不確定點的數值，基于距離獲取所給的權重：

式中：[W（di）]為權函數；[zi]表示第[i]個已知點的數量；[di]為[i]點與不確定點間的距離。臨近離散點同不確定點間的分布情況不同，對[f（x，y）]產生不同的干擾作用。[W（di）=1d2i]是最佳結果，[di]的平方的反比決定了[W（di）]值的高低。

采集二維圖高程點的經緯度信息，對經緯度實施Deluanya剖分后獲取網格化結果，用圖1描述，其中深顏色范圍是數據密集范圍[5]，也是環境地形波動明顯的范圍。得到環境地形三維三角剖分圖。補齊高程點后經緯度信息的網格化結果，用圖2描述。將補齊后的環境地理數據變換成Creator支撐的DED格式，完成規范化數據和曲線擬合，呈現經緯度值。

1.1.3 DED文件的獲取

Creator建模軟件的地形建模模塊無法分析環境圖數據格式，使得基于從電子環境圖內采集的水深以及高程點信息不能塑造環境模型。因此構建環境的三維模型前，需要將環境地理信息庫中的數據變換成Creator可分析的DED格式以及DFD格式。

采用Matlab運算軟件對采集的環境數據實施數據格式變換，將環境數據存儲到BIN文件內，通過3dem數據格式變換工具對BIN文件實施處理，獲取USGSDEM格式的文件。再采用Create安裝目錄C：＼MulitGen＼Creator內的可執行程序redausgs，實現DEM格式到DED格式的變換。在運行命令行目錄內能夠得到DED格式文件CI068.ded，該文件中保存著3 229個數據點，依據這些數據點完成環境地形的三維建模。

1.2 三維環境地形模型的生成

通過Creator的地形建模模塊能夠塑造環境地形模型數據庫。基于環境地形模型數據庫內除地形數據外的全部擁有地理信息和屬性信息的特征數據，塑造環境三維地形數據庫，進而創建虛擬環境地形，確保地形逼近實際環境，同時涵蓋地理紋理特征。采用Creator地形建模模塊中的Polymesh地形變換算法，依據初始數字高程數據地形文件獲取高程信息以及環境地形的頂點坐標，獲取環境地形模型數據庫。數據庫內的矩形網格由均勻的三角形組成。Polymesh地形變換算法對原始網格地形數據庫內每[n]個高程點實施采樣，[n]點同網格的疏密程度相關。

在塑造環境三維地形過程中，應設置地圖投影種類，采用Creator中的Flat Earth投影措施，將經度和緯度分別作為[X]坐標和[Y]坐標進行操作，獲取矩形的環境地形模型數據庫，采用WGS84坐標系，同時保留海岸線。將地球中心當成數據庫原點，通過批量操作手段，獲取Open Flight格式的塊地形文件。

1.3 大地形環境數據庫管理

大地形數據庫管理LADBM模塊對大范圍地理區域內的數據庫實施管理，其擁有可擴展的數據庫以及層次操作，可對視景應用程序進行高層次的調控。避免進行動態漫游過程中被泊染的視景元素的位置產生間斷問題，形成抖動或跳變。因此，為了確保數據精度，視景系統對數據庫原點實施重置，在觀測者周圍采用大地坐標系原點，確保準確的位置描述。大規模數據庫管理模塊通過雙精度內核能夠對感興趣的地面坐標原點實施調整和移動，確保觀測者處于待顯示的數據庫周圍。

1.3.1 大地形環境數據庫管理的基本原理

Vega系統通過區域類、Area of Interest類、LADBM附加類得到高級數據庫管理采用的LADBM[6]。其中區域類對數據庫層級實施擴充。Area of Interst類可形成并控制區域列表。LADBM類對LADBM在Vega中的操作流程實施控制。區域可對環境數據庫元素進行組織和匯總管理，基于空間邊緣組織數據庫使得LADBM模塊判斷何種數據元素能夠在場景中實現觀測，確保在篩選和渲染前過濾掉不顯示的元素，提高運算效率。

1.3.2 大地形環境數據庫管理的實現過程

1） 三維環境地形的分塊。對環境地形模型進行矩形分割，完成環境三維地形的分塊處理。將單個環境地圖實施6×8的地形分塊[7]。通過Creator模塊中地形產生模塊Terrain，基于數字高程數據文件C1068.ded對地形網格形成算法、地表顏色和紋理以及地形分塊大小實施設置[8]。

2） 區域（Region）和AOI的設置。采用最小經緯度是（E119°26′23.220 6″，N23°28′0.363 3″），最大經緯度是（E119°45′35.514 3″，N23°47′13.453 3″）的矩形范圍中包括16塊相同的小矩形塊，這些數據是相對于 （E119°11′59.000 2″，N23°03′59.000 7″）位置[9]，各地形塊的文件名描述了40大塊地形分割過程中，不同小地形塊間的相對位置關系。

針對各塊地形塑造一個區域，共塑造16塊區域。當前的Vega能夠完成球形AOI的Volume設置，設置AOI的Volume半徑是地形分塊的對角線的一半[10?11]。設置原點的坐標是0，區域Volume的大小取決于地形分塊大小。設置各塊地形的大小是8 280 m×8 786 m，通過折中的方法設置Volume半徑是8 433。區域原點為Volume的位置，將三維地形模型融入該區域過程中，地形模型的位置相對于區域原點部署到[（xi，yi，0，0，0，0）]位置。[（xi，yi）]值是該地形模型對應區域原點的經緯度。

3） 大地形環境數據庫管理的軟件實現。將一個AOI[12]，16個小球用于描述同16塊區域關聯的碰撞體（Volume），1個大球用于描述同AOI關聯的碰撞體 （Volmue）。基于仿真系統的需求，采用編程手段設置各碰撞體的位置和半徑大小。在該仿真系統內，將AOI同觀測者進行關聯，如果觀測者在場景中漫游，則AOI同觀測者同步移動。如果AOI的Volume同場景內新的Rgeoin以及Voutme關聯，則新Rgeoin內的物體在場景中進行渲染，完成對環境地理場景中大規模模型數據庫的動態控制。

1.4 環境的三維虛擬重現方法實現

通過虛擬現實技術塑造逼真的環境，從中能夠觀測到環境地形、海浪、雨、霧等信息，其中的地形環境包括靜態三維實體模型和動態三維實體模型。靜態實體模型以及動態實體模型主要是環境地表的礁石、燈塔、飛機以及艦艇等。視景系統通過計算機實施生成技術，采用Windows 2000開發平臺，Visual C++開發工具[13?14]，采用Creator建模軟件以及Vega驅動軟件實現環境的三維虛擬重現。Vega是用于虛擬現實、實時視景仿真的一種可視化軟件工具，由圖形環境界面、C語言應用程序接口API、實用庫函數等構成。三維場景渲染實現了環境水面以及海底效果模擬、光模擬、水面效果模擬和艦艇模擬等。

1.4.1 塑造三維環境場景

塑造完環境相關的靜態實體、動態實體的幾何模型以及運動模型后，能夠獲取環境的三維場景。環境視景中常見的三維對象是艦艇以及海底地形，網格構成了三維物體，這些網格包括多個多邊形。采用三維圖像開發工具MulitGneCreator塑造艦艇、海底地形等模型，形成.ftl文件。

1.4.2 世界坐標系變換

在運用Creator軟件構建環境三維模型中，全部頂點都需要進行世界坐標變換處理。若艦艇的幾何中心是原點，艦艇右部、上部以及下部方向是X軸、Y軸以及[Z]軸，將艦艇模型進行世界變換的過程中，應先對模型坐標系統對應于世界坐標系的初始值實施設置，并對模型坐標實施平移等處理，最終獲取艦艇各頂點在世界坐標系中的位置。

1.4.3 Marine環境模塊設計

Vega軟件模塊通過Marine環境模塊對環境狀態實施模擬，基于視窗NT以及Unix操作系統設計環境仿真應用，采用Lynx圖形界面實現不同環境仿真效果的規劃。Vega Marine模塊具有較多的航海特效，如海浪、云霧等。Vega Marine模塊的各Ocean由靜態和動態構成，將Observer同靜態環境間的海域設置成動態的，能夠對海浪進行模擬。三維動態環境由規則網格構成，則在各幀內三維動態環境的運算量同行以及列的乘積具有正比例關系。

模擬海浪效果，Vega環境模塊采用連接點位置波動的波浪模型產生動態環境，基于6種環境狀態模擬不同的海浪。其中海浪虛擬重現過程為：

通過10條正弦曲線和非諧波頻率塑造實際的波浪，則采用式（2）獲取波浪高度：

式中：海面控制點坐標是[（x，y，z）；]海面平均潮高是[Htide；]單元規則波的波動幅度是[Ai；]波數是[ki=ω2ig，]重力加速度是[g=9.81；]單元規則波的傳遞方向是[θi；]單元規則波的角頻率以及相位分別是[ωi]以及[φi]。

對需要仿真的環境范圍的浪級實施設置，運算獲取浪級的波周期以及有義波高度，基于得到的值，采用波譜公式對[ω]實施離散化處理，獲取[ωi]和某單元波的波譜值[S（ωi）]，得到單元波的波幅是[Ai=2S（ωi）Δω]。任意選擇相位[φi，]基于離散獲取的單元波的線性疊加獲取對應波譜的等級。

在Creator中塑造環境物體的三角面片從高空看有紋理效果，而從下方看不到紋理效果。因此將500×500的方形平面部署到[（x，y，0）]位置，平面正面朝下。[（x，y）]是觀測者的經緯度坐標，確保在任意物體漫游位置能觀測到環境虛擬效果。

2 實驗結果與分析

實驗采用本文方法環境虛擬現實演示系統。基于二維電子環境圖塑造圖3a）中的三維電子環境圖模型的近地圖，分析該圖能夠清晰觀測到環境地形信息的高層和地貌。圖3b）是融入艦艇模型實施交互式操作的情況，圖3c）是融入潛艇模型的海底虛擬環境。能夠看出本文方法重現的環境更為逼真、直觀，能夠實施交互式操作，可廣泛應用在環境虛擬戰場、環境資源開發等領域中。

實驗采用本文三維虛擬重現技術獲取的某海域海底地形三維可視化效果用圖4描述，通過ArcGIS 10.1生成暈渲圖，獲取的海底地形暈渲可視化效果用圖5描述，能夠看出本文方法獲取的海底地形三維虛擬重現結果逼真、準確。

3 結 論

本文研究了環境的三維虛擬重現過程，獲取了更為逼真和直觀的環境三維虛擬效果，在環境虛擬戰場、環境資源開發、環境氣象數據預報等領域具有廣泛的應用價值。

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