陳聲柳

（集美大學(xué) 誠毅學(xué)院，福建 廈門 361021）

隨著計算機技術(shù)和圖形圖像技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實已成為21世紀(jì)新興而熱門的技術(shù)。視景仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一項重要應(yīng)用，其應(yīng)用廣泛，已經(jīng)在動漫游戲、廣告宣傳、建筑設(shè)計、航天模擬、船舶操縱等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。得益于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，船舶操縱模擬器提供了越來越逼真的三維港口視景，很大程度上提高了船員操縱訓(xùn)練的臨場感受。

Creator是美國MultiGen Paradigm公司推出的交互式可視化三維建模工具，其采用針對實時應(yīng)用優(yōu)化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式，提供強大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形生成功能，以及各種便利的建模工具［1］。Creator的OpenFlight格式模型文件，已成為虛擬現(xiàn)實建模領(lǐng)域事實上的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，其生成.flt格式的文件，可以與當(dāng)前許多主流的虛擬現(xiàn)實開發(fā)環(huán)境兼容。與CAD等建模軟件相比，Creator主要考慮在滿足實時性的前提下如何生成逼真的面向仿真的大范圍場景。本文主要基于實驗室的船舶操縱模擬器平臺，結(jié)合應(yīng)用Creator實際建模的經(jīng)驗，介紹港口三維建模的幾個關(guān)鍵技術(shù)。

1 原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)

要構(gòu)建一個港口三維模型，需要港口地形數(shù)據(jù)和三維實體數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源有紙質(zhì)海圖或電子海圖、港口總體規(guī)劃資料、港口工程設(shè)計圖（CAD）及相關(guān)文檔資料、地形高程數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感圖像以及港口實地的景物照片。建模工作開始前需對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換提取建模所需的信息。

1.1 海圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

一個訓(xùn)練港口的創(chuàng)建，首先需要海圖數(shù)據(jù)。海圖包含了港口建模所需要的主要信息，如港口的地理位置、地形的形狀、邊界、導(dǎo)航系統(tǒng)等。海圖有紙質(zhì)海圖和電子海圖，兩種都可以獲得需要的信息數(shù)據(jù)。紙質(zhì)海圖可以通過掃描、幾何校正、數(shù)字化后提取相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)［2］，紙質(zhì)海圖提取數(shù)據(jù)過程繁雜。相比而言，從電子海圖中提取數(shù)據(jù)更為方便可靠，可以節(jié)省很大的工作量，而且S57電子海圖已經(jīng)開始普及，很容易獲取。另外可用的還有C－Map電子海圖。S57海圖包含了很多信息，應(yīng)用模擬器系統(tǒng)提供的Fitutil工具提取數(shù)據(jù)，只要提取陸地數(shù)據(jù)即可。提取后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Creator中，由于海圖數(shù)據(jù)或提取工具等原因，導(dǎo)入Creator中的陸地多邊形必須進(jìn)行編輯矯正后方可使用［3］。

1.2 CAD轉(zhuǎn)換

對于已做過海圖更新的碼頭，導(dǎo)入的陸地多邊形就已經(jīng)包含碼頭的形狀和位置信息。未更新的碼頭和在建的碼頭則要通過工程設(shè)計圖（CAD）及相關(guān)文檔資料采集數(shù)據(jù)。如果碼頭的相關(guān)文檔資料包含了碼頭詳細(xì)的位置和形狀信息，可以依據(jù)數(shù)據(jù)直接在Creator中進(jìn)行繪制，否則必須通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具獲取碼頭形狀參數(shù)數(shù)據(jù)，將CAD中的碼頭各頂點參數(shù)位置轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo)數(shù)據(jù)。Creator支持CAD的.dxf文件格式，更為方便的是設(shè)置好CAD設(shè)計圖的比例尺，保存為.dxf格式，導(dǎo)入到Creator中再進(jìn)行移位定位，然后再依圖繪制碼頭多邊形即可。

2 數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)

Creator數(shù)據(jù)庫采用樹狀的層次化結(jié)構(gòu)來存儲三維模型，按照從上到下的順序為根節(jié)點、組節(jié)點、體節(jié)點、面節(jié)點。視景驅(qū)動軟件是按照從上到下、從左到右的順序依次遍歷數(shù)據(jù)庫節(jié)點，進(jìn)行模型繪制。節(jié)點的層級結(jié)構(gòu)和組織方式在很大程度上決定了模型數(shù)據(jù)庫的實時性能。模型數(shù)據(jù)庫可以按照線性結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)3種形式來組織［4］。

線性結(jié)構(gòu)是把所有體節(jié)點共同放在同一個組節(jié)點下，有時甚至面節(jié)點不經(jīng)過體節(jié)點分類組織直接歸屬到組節(jié)點下。該結(jié)構(gòu)形式簡單，適合于單一場景，對于復(fù)雜場景來說，會嚴(yán)重影響場景繪制效率。

邏輯結(jié)構(gòu)是將所有體節(jié)點按照模型類別分類規(guī)則分別放在不同的組節(jié)點下。例如，房屋作為體節(jié)點，所有房屋體節(jié)點歸屬到房屋組節(jié)點。邏輯結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫，在建模過程中便于模型編輯和修改，但會影響到模型繪制效率。

空間結(jié)構(gòu)是按照模型的空間位置來組織數(shù)據(jù)庫，該結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫雖然不利于數(shù)據(jù)庫整體編輯，但是便于數(shù)據(jù)庫模型的繪制。驅(qū)動系統(tǒng)可以快速判斷模型區(qū)域是否在當(dāng)前可視范圍內(nèi)，不用遍歷數(shù)據(jù)庫中所有節(jié)點，大大提高了仿真系統(tǒng)的運行速度。空間結(jié)構(gòu)適合于大場景模型數(shù)據(jù)庫。

在一般三維建模過程中，比如虛擬校園、航天發(fā)射等，數(shù)據(jù)庫按照邏輯結(jié)構(gòu)分類比較合適。用于模擬器訓(xùn)練港口三維區(qū)域為大范圍場景，地形區(qū)域廣闊，實體模型復(fù)雜，這給建模和模型渲染帶來很大困難。數(shù)據(jù)庫組織已不是一種組織結(jié)構(gòu)或兩種結(jié)構(gòu)單純地結(jié)合就足夠了。

實際模型數(shù)據(jù)庫總體采用空間結(jié)構(gòu)，并充分利用外部引用技術(shù)，把整個港口區(qū)域分成各個小區(qū)域，每個小區(qū)域獨立為一個.flt子文件，對于復(fù)雜的小區(qū)域在其子文件中進(jìn)行二次細(xì)分，每個小區(qū)域范圍保留大于2nm×2nm，然后在各個簡單小區(qū)域文件中進(jìn)行實體建模。各個子文件模型數(shù)據(jù)庫按照邏輯結(jié)構(gòu)分類，在小區(qū)域場景中的眾多小模型獨立歸屬于一個LOD節(jié)點，便于系統(tǒng)地繪制和剔除。航標(biāo)助導(dǎo)航系統(tǒng)作為一個獨特的系統(tǒng)，不歸屬于任何一個區(qū)域，作為獨立.flt子文件，同樣由外部引用節(jié)點掛載。.flt主文件僅掛載各個子文件的外部引用節(jié)點，不包含任何細(xì)節(jié)模型。如此組織數(shù)據(jù)庫可有效地緩解計算機的解算和渲染壓力，加速建模進(jìn)程，還便于港口模型的管理以及后期港口碼頭的增加修改。圖1為數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)。

3 建模的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地形建模技術(shù)

（1）Creator自帶地形生成工具制作地形。描述地形的原始數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型、文化特征數(shù)據(jù)及地表的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)［5］。地形模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建中首先要獲得真實地形的高程數(shù)據(jù)?？商峁└叱虜?shù)據(jù)的資源有數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字地形高度數(shù)據(jù)DTED或第三方資源。Creator提供的多種轉(zhuǎn)換工具（readusgs，image2ded，float2ded等）將這些資源轉(zhuǎn)換成其專用數(shù)據(jù)DED標(biāo)準(zhǔn)格式。Creator的Terrain模塊還可以采用基于地理經(jīng)緯度坐標(biāo)的紋理映射技術(shù)，將數(shù)字正射影像作為紋理映射到地形表面，從而形成與真實地貌一致的地形模型。

此處以ASTER GDEM高程數(shù)據(jù)為例。ASTER GDEM是目前公開的最高精度高程數(shù)據(jù)。下載的高程數(shù)據(jù)為img文件，通過Global Mapper轉(zhuǎn)化為DEM文件，利用Creator的DED轉(zhuǎn)化工具轉(zhuǎn)化為DED文件導(dǎo)入Creator中。在打開的地形創(chuàng)建窗口中選擇需要生成地形的區(qū)域，對高程等高線進(jìn)行適當(dāng)插入編輯創(chuàng)建LOD，經(jīng)地圖投影類型選擇和地形轉(zhuǎn)換算法選擇以及最小三角化面片大小設(shè)置，即可生成三維地形。最小三角化面片大小設(shè)置為最高層細(xì)節(jié)下的面片設(shè)置，關(guān)系到整個地形精度以及三角面片數(shù)量［6］。圖2為Creator的創(chuàng)建地形窗口截圖，實例選取的是ASTER GDEM經(jīng)度118°E、緯度24°N的高程數(shù)據(jù)，圖中顯示的為選取放大后的廈門港區(qū)域。

圖1 數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Database organization

圖2 Creator的地形創(chuàng)建菜單Fig.2 Creator terrain menu

以這種方式生成地形，由于數(shù)據(jù)精度原因，很多的小島嶼沒有生成，對那些島嶼必須進(jìn)行手動建模。其次，Creator生成的地形三角形面片包括水面部分，刪除這些面片后岸線鋸齒化嚴(yán)重，必須進(jìn)行矯正。由于高程數(shù)據(jù)的中心點和海圖導(dǎo)入的教練站海圖的中心點不同，還必須對生成的三維地形進(jìn)行移動定位、區(qū)域截取等工作，才能和教練站中的海圖數(shù)據(jù)相對應(yīng)。如圖3所示為Creator生成的地形。

圖3 Creator的地形創(chuàng)建工具生成的地形Fig.3 Terrain built by Creator menu

（2）導(dǎo)入高程數(shù)據(jù)直接三角化的方法。在從海圖導(dǎo)入的flt中僅保留陸地節(jié)點，在陸地多邊形區(qū)域上，對高程數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣提取，導(dǎo)入到Creator中，導(dǎo)入后的高程數(shù)據(jù)以點狀形式沿垂直方向分布于所選各個陸地或島嶼多邊形上。SRTM3是NASA公開的3弧秒（90m）精度高程數(shù)據(jù)，是目前使用最多的高程數(shù)據(jù)。90m精度SRTM3數(shù)據(jù)作為地形原始數(shù)據(jù)，不需要抽樣提取，只要進(jìn)行定位直接導(dǎo)入Creator即可。如圖4所示為陸地多邊形上導(dǎo)入高程數(shù)據(jù)。

圖4 陸地多邊形上導(dǎo)入高程數(shù)據(jù)Fig.4 Elevation data import on land polygon

對于部分沒有高程數(shù)據(jù)的島嶼，參考海圖上的經(jīng)緯度和高程信息，進(jìn)行手動增加。高程數(shù)據(jù)編輯完后，對陸地多邊形和高程數(shù)據(jù)點進(jìn)行三角化。對生成的地形模型進(jìn)行再次編輯，在背向港口以及山峰的另一側(cè)，船舶以任何角度向岸線靠近視線都無法達(dá)到的地形面片可以刪除；如此可以有效減少地形面片數(shù)量，提高模型運行速度。由于三角化過程把陸地面片包括進(jìn)去了，所以生成的地形含有更多的信息，岸線也與海圖精確對應(yīng)。如圖5所示為直接三角化生成的地形。

圖5 導(dǎo)入高程數(shù)據(jù)三角化生成的地形Fig.5 Terrain built by triangulation

直接參與三角化生成的島嶼會與實際相差較大，對于航行不作重大參考的島嶼可以采取這種方法。個別獨特重要的島嶼也可以進(jìn)行獨立建模，但是要花費更多的時間和精力，還要占用更多的模型面片數(shù)量。

3.2 實體模型建模技術(shù)

實體模型建模是三維建模的基礎(chǔ)，實體模型豐富了場景的細(xì)節(jié)，同時增加了場景的復(fù)雜度。Creator提供模型結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、色彩、紋理等的選擇處理，以增加模型的逼真度，同時提供了降低模型復(fù)雜度的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)并不以降低模型逼真度為代價，個別更有利于模型細(xì)節(jié)的表達(dá)。Creator實體建模技術(shù)主要有以下幾方面。

（1）層次細(xì)節(jié)（LOD）技術(shù)。LOD是一組代表模型數(shù)據(jù)庫中同一物體而又具有不同細(xì)節(jié)程度的模型對象。不同細(xì)節(jié)程度版本模型的多邊形復(fù)雜度也不一樣，細(xì)節(jié)程度越高模型對象所包含的多邊形數(shù)量也越多［7］。實體建模中會遇到許多橋吊、燈塔等含大量多邊形的復(fù)雜模型。如果全部加載給系統(tǒng)會帶來很大負(fù)擔(dān)，使用LOD技術(shù)后，只有在視點接近時才進(jìn)行模型精細(xì)繪制，其他情形下則用低分辨率模型進(jìn)行替換。這樣即保證了場景的視覺效果，又提高了場景運行速度。對于碼頭上的碰墊、纜樁也應(yīng)用LOD技術(shù)進(jìn)行處理，船舶視點接近時繪制，遠(yuǎn)距離情況下剔除。

（2）實例化（Instance）技術(shù)。一個實例指模型數(shù)據(jù)庫中某個模型對象的一個參考副本。模型對象的實例跟模型拷貝看起來一模一樣，但實例并沒有復(fù)制模型對象，僅僅是指向數(shù)據(jù)庫中模型對象的指針。通過實例化創(chuàng)建模型副本并不增加模型數(shù)據(jù)庫的多邊形數(shù)量，節(jié)省了內(nèi)存和存儲空間，還改善了實時系統(tǒng)的處理能力。實例化技術(shù)是數(shù)據(jù)庫中房屋、橋吊、纜樁、碰墊等重復(fù)實體模型的關(guān)鍵建模技術(shù)。

（3）公告牌（Billboard）技術(shù)。公告牌指在實時仿真過程中模型多邊形始終保持面對視點。常用于創(chuàng)建場景中類似于電線桿或樹木等具有對稱性的物體。比如，在場景中創(chuàng)建一棵樹，只要以原點為中心，建立適當(dāng)大小的垂直矩形平面，貼上樹木的透明紋理，系統(tǒng)漫游時就可以看到一棵很逼真的樹。

（4）透明紋理技術(shù)。透明紋理技術(shù)是通過紋理技術(shù)和融合技術(shù)共同實現(xiàn)的。融合技術(shù)指通過源和目的地顏色值相結(jié)合的融合函數(shù)，使最后的效果中部分場景表現(xiàn)為透明。透明紋理技術(shù)在三維場景構(gòu)建中應(yīng)用廣泛。房屋建筑和橋梁的欄桿、路燈、樹木等景觀都可以應(yīng)用透明紋理建模。場景構(gòu)建中樹墻紋理的應(yīng)用，不但可以很大程度上減小模型復(fù)雜度，還能得到比三維建模更逼真的視覺效果。圖6為樹木和樹墻紋理。

圖6 透明紋理Fig.6 Transparent texture

4 結(jié)語

港口三維是在電子海圖技術(shù)的基礎(chǔ)上制作的三維模型，其精確地給出港口地物、地形和地貌環(huán)境，是個大場景復(fù)雜數(shù)據(jù)庫。對大規(guī)模仿真場景的構(gòu)建，除了要達(dá)到仿真的逼真度要求外，還要考慮系統(tǒng)資源的占用性和實時性。Creator作為大場景模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建軟件的佼佼者，擁有強大的可視化建模技術(shù)、良好的擴展性和兼容性，很好地解決了模型視覺效果和系統(tǒng)資源消耗之間的矛盾，實現(xiàn)了真實性和實時性的平衡。

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