高鐵站三維電子地圖的設計與實現

白 斐，周 雯，呂曉軍，吳興華

（1 .鄭州鐵路局 鄭州東站，鄭州 450018；2 .中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

高鐵站三維電子地圖的設計與實現

白 斐1，周 雯2，呂曉軍2，吳興華2

（1 .鄭州鐵路局 鄭州東站，鄭州 450018；2 .中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

在三維建模和電子地圖基本理論的基礎上，提出一種建立高鐵站三維電子地圖的方法及框架，并運用Auto CAD，Maya、Photoshop、OpenGL完成電子地圖的創建。對高鐵站地理信息和建筑物信息進行實地收集并歸納；基于所采集的信息建立車站的三維模型，并通過三維模型貼圖的方法直觀地再現車站的建筑和設備；通過人機交互的方式實現信息檢索和智能導航的功能。為了驗證該地圖創建方法的有效性，對許昌東站真實環境進行虛擬仿真，創建了許昌東站的三維電子地圖。

三維電子地圖；三維建模；人機交互；高速鐵路；車站

隨著計算機圖形學、三維仿真技術和虛擬現實技術的迅速發展，以虛擬現實技術為代表的三維環境仿真技術和產品的出現，打破了人們對地理空間中信息表達和處理方法的限制。在虛擬現實、三維可視化、三維地理空間建模技術的基礎上，結合電子地圖的運用產生了三維電子地圖[1]。三維電子地圖的日益發展和成熟，可以實現比二維地圖更真實的場景展示，支持直觀的用戶交互和分析查詢。

將三維電子地圖服務于高鐵站的管理，實現了高鐵站資源的合理配置和設備的有效管理，提高高鐵站的運營效率，是高鐵站管理自動化、信息化、科學化、網絡化和智能化的一種趨勢。

主要在三維建模和電子地圖基本理論的基礎上，提出一種建立高鐵站三維電子地圖的方法及框架，為了驗證該方法的有效性，應用Maya、Photoshop、 OpenGL、Auto CAD對許昌東站真實環境進行虛擬仿真，建立許昌東站的三維電子地圖，實現許昌東站的信息檢索和智能導航。

1 三維電子地圖

1.1 三維電子地圖的制作

高鐵站三維電子地圖的實現包括數據的采集、三維模型的建立、三維模型的貼圖、OpenGL讀取三維模型及人機交互的實現[2]。三維電子地圖的制作流程如圖1所示。

1.2 數據采集

三維電子地圖的數據包括地形數據、建筑物模型數據和紋理數據。為了得到更準確的許昌東站的地理信息，本文在設計中利用許昌東站站房CAD設計圖，用于輔助繪制許昌東站的二維平面圖。

三維模型的建立需要參考實際建筑物，才能真實直觀的再現三維場景。本文設計過程中，為了再現許昌東站站房及設施的真實場景，對許昌東站的站房建筑進行實地拍攝。在拍攝過程中，為了抓住建筑物的主要特征，至少從3個角度進行拍攝。這些影像資料，在場景的三維建模過程中將作為參考。

使用Maya三維圖形軟件可以建立逼真的三維模型，但為了使三維建筑及設施等場景更具有真實感，可以使用貼圖方式，通過材質編輯器給各個模型貼圖。因此，在建立模型貼圖前，需要收集不同的紋理貼圖。收集的部分紋理貼圖如圖2所示。

圖1 三維電子地圖制作流程

圖2 紋理貼圖

1.3 三維模型建立

Maya功能完善、工作靈活、易學易用，制作效率高，渲染真實感極強，廣泛應用于影視廣告、角色動畫、電影特技等領域。在設計過程中運用Maya進行三維場景的建模、貼圖及渲染[3]。

站房及設施是高鐵站三維場景中重要的組成部分，站房和設施三維模型的建立效果關系到高鐵站三維電子地圖的整體效果。

站房建模步驟如下：

（1）將Auto CAD制作的站房二維平面圖導入Maya中，作為三維建模參考底圖；

（2）根據站房二維參考底圖在Maya系統坐標中繪制站房的三維坐標位置，將站房的基本輪廓繪制完成后，再在此基礎上繪制出站房的門窗等附屬建筑；

（3）使用材質編輯器對站房的組成元素進行材質編輯，展現一個逼真的站房三維模型。

許昌東站站房三維模型如圖3 和圖4所示。

圖3 站房整體模型

圖4 站房局部模型

1.4 三維模型貼圖

為了使三維場景更加接近現實，達到更好的效果，需要為三維模型進行貼圖。貼圖不但能帶來很強的真實感，而且能夠在不增加模型復雜程度的前提下，節省大量的模型運算，并能突出表現對象的細節。

對于材質的二維貼圖，模型需要有貼圖坐標，這個坐標確定二維貼圖以何種方式映射到三維模型上，即模型的UV坐標。

三維模型的貼圖步驟如下：

（1）在Maya 中分解三維模型的UV坐標，整理并導出；（2）將三維模型的UV圖導入Photoshop，為三維模型制作貼圖；（3）在Maya中，為三維模型賦予材質球，并鏈接貼圖。

貼圖后的三維模型如圖5和圖6所示。

圖5 站房整體模型貼圖

圖6 站房局部模型貼圖

2 OpenGL實現人機交互

OpenGL(GL圖形庫，Graphics Library)圖形系統是圖形硬件的一個軟接口，它允許創建交互性的程序，產生移動三維物體的彩色圖像。從本質上說，它是一個3D圖形和模型庫，具有高度的可移植性，并具有很快的渲染速度。如今，OpenGL廣泛應用于游戲、醫學影像、地理信息、氣象模擬等領域，是高性能圖形和交互性場景處理的行業標準[4]。

OpenGL獨立于窗口系統和操作系統，適用于多種硬件平臺及操作系統，以OpenGL為基礎開發的應用程序可以十分方便移植于各種平臺。OpenGL與Visual C++接口緊密，保證算法的正確性與準確性[5]。

運用OpenGL讀取三維模型OBJ文件，實現三維場景的人機交互。

2.1 OBJ文件的導出

OBJ文件是一種標準3D模型文件格式，它定義了對象的幾何特性。OBJ文件格式支持直線(Line)、多邊形(Polygon)、表面(Surface)和自由形態曲線(Free-form Curve)。其中，直線和多邊形通過他們的點(頂點)來描述，曲面和表面根據它們控制點和依附于曲線的額外信息來定義，例如，法向量等。

Maya的開放系統輸出數據文件類型有MEL，DXF，Explore，Geo，OBJ，IGES等，其中，OBJ模型文件為文本類型，它的文件結構比較簡單，保存一些多邊形的信息，包括頂點的幾何坐標、紋理坐標、法向量坐標等，適合在應用程序中讀取或進行3D文件格式的轉換。

在Maya中將三維模型建模完畢之后，按照下列步驟導出三維場景的OBJ文件，如圖7所示。

（1）需要Maya中加裝導出OBJ格式的插件，在Windows插件管理器中(Plug-in Manager)，勾選objExport.mll；

（2）選擇要導出的模型，選擇Export Selection，在文件類型(Flies of type)中選擇OBJ 。

讀取的OBJ文件如圖8所示。

圖7 OBJ文件導出

圖8 OBJ文本文件

2.2 OpenGL讀取OBJ文件

2.2.1 OBJ文件基本結構

OBJ文件盡管經常使用幾行文件信息的注釋作為文件的開頭，但不需要任何文件頭。OBJ文件由一行行文本組成，注釋行以符號“#”開頭。內容行由一個或兩個標記字母，即關鍵字開頭，關鍵字說明這行是什么樣的數據，如圖8所示。OBJ文件中主要關鍵字及其意義如下。

V：幾何體頂點，表示指定一個頂點，后面的3個浮點數表示該頂點的X、Y、Z坐標值；

Vt：貼圖坐標點，表示指定一個紋理坐標，后面的2個浮點數表示該紋理坐標的U、V值；

Vn：頂點法線，表示指定一個法線向量，后面的3個浮點數表示該法向量的X、Y、Z坐標值；

Vp：參數空格頂點。

OBJ文件中不包含面的顏色定義信息，但Maya導出OBJ文件同時會生成一個后綴為.mtl文件，該文件為模型的材質庫信息，包含三維模型的材質信息及貼圖信息，包括材質的漫反射(diffuse)、環境(ambient)、光澤(specular)的RGB定義值，及反射(specularity)、折射(refraction)、透明度(transparency)等特性。“usemtl”指定了材質，后面的面都使用這一材質，直到遇到下個“usemtl”來指定新的材質。

也可以運用OpenGL為三維模型貼圖及渲染，生成逼真的三維場景。

2.2.2 OBJ文件OpenGL中輸入處理

基于OBJ文件的基本結構，為了將三維模型讀入程序中，需要先建立對應的模型數據結構。

（1）定義OBJ文件對應的結構體，包括對象頂點的結構體、顏色列表的結構體、材質描述結構體和整體模型描述結構體。

（2）獲取了全局變量后，可以在視圖類中繪制讀取的模型對象，之后對三維模型進行交互式處理和操作。如圖9所示為讀取的三維模型及交互式操作。

圖9 OpenGL讀取模型及交互式操作

3 結束語

本文結合當前三維電子地圖的設計與開發技術，從三維電子地圖的特點及制作流程入手，對高鐵站三維電子地圖的實現方法進行深入分析，首先，對高鐵站的信息進行收集、歸納與整理，制作二維平面圖，然后，構建高鐵站的三維模型，最后通過OpenGL實現三維模型的簡單人機交互。但將高鐵站業務流程和三維電子地圖結合的人機交互仍需進一步研究，完善高鐵站三維電子地圖的功能。

[1]龍 毅，溫永寧，盛業華.電子地圖學[M].北京：科學出版社，2006.

[2]ZHAO Z Y.Research on 3D digital map system and key technology[J].Procedia Environmental Sciences,2012(12):514-520.

[3]王 琦.Autodesk Maya 2015標準教材[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[4]Dave Shreiner .OpenGL編程指南 （美）[M].李 軍，徐 波，譯.北京：機械工業出版社，2010.

[5]Richard S.Wright,Jr.Nicholas Haeme,Graham Sellers,Benjamin Lipchak OpenGL超級寶典[M].付 飛，李艷輝，譯.北京：人民郵電出版社，2012.

責任編輯 徐侃春

3D electronic map for high-speed railway station

BAI Fei1,ZHOU Wen2,LV Xiaojun2,WU Xinghua2
( 1.Zhengzhou East Railway Station,Zhengzhou Railway Administration,Zhengzhou 450018,China;2.Institute of Computing Technologies,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

This paper was on the basis of the basic theory of 3D modeling and electronic map,proposed a method to build a framework of 3D electronic map for high-speed railway station,implemented the creation of electronic map by using Auto CAD,Maya,Photoshop,OpenGL.It was collected and summarized the information of geographic and building of railway station,established the 3D model of the station based on the information,reproduced buildings and equipment information of station truly and intuitively by the method of 3D model mapping,implemented the functions of information retrieval and intelligent navigation by human-computer interaction.The 3D electronic map for Xvchang East Railway station was created to validate the effectiveness of this method.

3D electronic map;3D modeling;human-computer interaction;high-speed railway;station

U291.61∶TP39

A

1005-8451（2016）11-0032-04

2016-04-06

白 斐，工程師；周 雯，工程師。