CN104766366A

CN104766366A - 一种三维虚拟现实演示的建立方法

Info

Publication number: CN104766366A
Application number: CN201510148514.6A
Authority: CN
Inventors: 吴学伟; 何东坡; 姜利
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: CN104766366B

Abstract

本发明公开了一种三维虚拟现实演示的建立方法，解决了公路三维建模与数字高程模型无缝链接问题，道路地形三维可视化涉及到地形建模和道路建模以及如何将两者无缝拼合等问题；三维道路建模及可视化应用各种建模方法和技术，依据道路平、纵、横数据，快速建立道路、桥梁、隧道及道路附属设施等三维实体模型，并通过参数化设计，实现了道路工程模型三维可视化；公路三维可视化系统的设计与实现，实现了三维道路工程模型的可视化；渲染纹理数据库的建立，通过纹理映射到模型上的方式实现，所以为了让模型的可视化能真实的反映实物场景，有必要建立足够丰富的纹理数据库，包括植被、花草、三维纹理贴图等，不断提高了系统视觉的逼真度。

Description

一种三维虚拟现实演示的建立方法

技术领域

本发明属于公路生态监测技术领域，尤其涉及一种三维虚拟现实演示的建立方法。

背景技术

交通运输是国民经济的命脉，是推动国民经济发展的“先行官”。目前，我国公路建设正处在前所未有的高速发展时期，公路建设的效益与质量问题关系十分重大。路线设计是非常重要的一个环节，现代公路路线的最优设计已突破传统意义上的概念，不仅要求通行时间短、工程费用少，而且要与周围的社会、人文、自然环境协调，要考虑沿线的经济、人文自然景观、生态环境等因素。公路生态监测是及时、准确、全面地掌握公路建设和运营过程中生态破坏的实际情况，为采取有效的生态保护与治理提供科学依据，同时还可以掌握生态恢复措施的运行效果。公路生态监测是公路环境保护管理的基础，对保护公路沿线生态环境，促进公路运输事业可持续发展，具有重要意义。

地理信息系统(Geographical Information Systems)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。随着计算机技术的发展，GIS也从原来的二维向三维可视化迈进。当今大量信息是以数据为载体存储在数据库中，人们对这类信息的获取主要是从数据库中获得数据，对数据进行解译而得到，但是获得的信息缺乏直观性和可读性。数据可视化技术的发展使这个问题的解决成为可能，三维GIS也成为近年来GIS研究领域的热点。

虚拟现实(Virtual Reality)是指利用计算机和一系列传感辅助设施来实现的使人能有置身于真正现实世界中的感觉的环境，是一个看似真实的模拟环境。通过传感设备，用户根据自身的感觉，使用人的自然技能考察和操作虚拟世界中的物体，获得相应看似真实的体验。具体含义为:

①虚拟现实是一种基于计算机图形学的多视点、实时动态的三维环境，这个环境可以是现实世界的真实再现，也可以是超越现实的虚构世界；

②操作者可以通过人的视、听、触等多种感官，直接以人的自然技能和思维方式与所投入的环境交互；

③在操作过程中，人是以一种实时数据源的形式沉浸在虚拟环境中的行为主体，而不仅仅是窗口外部的观察者。

由此可见，虚拟现实的出现为人们提供了一种全新的人机交互方式。与三维动画相比，虚拟现实技术具有很好的真实感和沉浸感，能够做到真正的动态性、实时性和交互性。

公路虚拟现实可以将平、纵、横设计资料结合起来，生成道路三维场景，虚拟建成后的道路景观，这对于提高设计质量有着重要意义。目前，国内外大多数公路虚拟现实设计方法是在AutoCAD环境下做出道路模型后，再利用适当的三维制作软件，在指定浏览路径情况下，进行渲染着色，制成动画。这是静态的三维可视化，只能察看指定渲染路径的三维动画效果，并且非常耗时，难于溶于设计过程中。如果能够实时动态的对道路设计方案进行三维可视化，并且在实时浏览过程中，通过与地形属性数据库的连接，进行动态交互查询，就可以实现在道路设计过程中应用虚拟现实技术来提高设计质量。

随着计算机软、硬件技术的发展，虚拟现实技术会在公路虚拟现实中得到广泛的应用。

国内外公路虚拟现实研究概况

国内的公路虚拟现实研究从CAD的研究开始。80年代末期至90年代中期，随着AutoCAD等图形支撑软件的发展，线路计算机辅助设计技术也从单纯的数值计算分析发展为图形交互式自动设计，开发出了集地形资料处理、工程费计算、图形交互设计、纵断面自动设计以及绘制线路平、纵断面图为一体的一套完整的计算机辅助设计系统。到90年代中期，国内己经能方便地获得供铁路或公路路线计算机辅助设计用的数字地形信息，现场设计部门在航测技术的研究与应用方面、计算机辅助勘测与设计方面、以及计算机辅助成图方面均做了大量的研究与开发工作。

“九五”期间，交通部组织实施的国家“九五”重点科技攻关项目“GPS、航测遥感、公路CAD集成技术”，现已开发完成。该项目基于国内已有的公路CAD系统的水平和当前较高起点的硬件、软件平台，着重研究地形数据采集(如GPS、航测及数字测图、遥感、地面速测等)、工程数据库、系统的集成化、可视化、智能化、三维设计、动态仿真、高交互性等先进技术在公路设计领域内的应用，将我国的公路CAD基础理论及实际应用推上了一个新台阶，从而大幅度提高了我国公路的测设水平。中南大学道路与铁道工程研究所结合湖南省科委课题“公路数字地形图机助设计系统”开发了道路设计的动态实时的三维可视化系统，可以将三维可视化融入设计过程。

国内一些单位的道路三维景观模型的建立和漫游大多采用的方法是将设计平台(例如AutoCAD)的设计成果数据导入其他三维动画渲染平台(例如3DStudfo MAX)，对每个面进行手工增贴纹理，然后设置灯光和漫游路线，最后进行场景渲染生成动画文件并保存。这种方法针对三维道路及其地形景观实现较为逼真、细腻的表现结果，但存在三大局限：

(1)一条公路或铁路长达上百公里，表面多边形多达几十万个，手工贴图操作的工作量很大，耗时耗力，成本昂贵。

(2)观察者通过渲染得到的动画只能沿着固定的一条路线浏览，无法自由地进行交互式漫游；

(3)无法实现三维的空间查询、分析和属性管理。

这些缺陷不同程度地制约着公路三维景观模型在公路设计和管理应用领域中发挥更加积极的作用。

国外主要是研究开发自己的三维道路设计平台，除了一些通用的设计平台软件如Autodesk公司的产品AutoCAD和Adobe公司的产品3DS Max之外，还有一些专用的道路设计模块值得注意，例如Multigen-Paradigm公司的软件产品Creator推出的道路建模与漫游模块Road，它通过手工输入道路设计参数构建道路表面几何模型，具备灵活的纹理映射工具，加上固有的地形构建工具，可以构建道路场景的整体景观模型，并可在Creator平台上对构建的道路场景及时进行简单的驾驶模拟，因而在国外三维道路景观模型的建模和浏览方面有广泛应用。

但是，针对当前国内道路设计行业中的大量设计成果(包括平、纵、横断面和矢量地形)Creator并不能直接支持这些数据格式尤其是各个设计单位自己定义的数据存储和组织的方式，也就不能将道路设计的成果导入系统中进行自动化建模，要想达到动态可视化的目的，必须在Creator中按照己有的设计成果数据进行再一次手工建模，显然耗时耗力，成本昂贵。

国内一些生产单位针对道路勘测设计中的三维景观模型的建模和浏览方法提出直接支持道路设计成果数据的实现途径。主要可分成以下两类:一类是以交通部公路第一勘测设计研究院为代表，它保持原有CAD数据结构和文件组织方式，使用CAD系统的二次开发工具对CAD系统进行扩展，增加三维道路景观模型贴图和动态浏览的插件。这种方法的优点是道路二维和三维设计和表现真正集成到同一平台，能借助商用CAD系统获得很强的三维几何编辑能力，便于道路几何模型的修改，但由于受到CAD系统本身数据结构的制约和二次开发能力的限制，很难生成真实感较强的景观模型，无法实现勘测信息与图形的关联查询、修改，另外还受到CAD数据内存管理方式的影响，对于大数据量地形和道路模型动态调度处理能力很弱；另一类是以中南大学土木建筑工程学院为代表，它设计新的三维数据结构和道路场景组织方式，开发独立于CAD系统的三维建模、浏览和分析应用平台。它把勘测设计的成果数据看成是外部数据源，依据勘测设计成果DTM、平纵横断面数据进行道路三维景观模型的建模和浏览，包括对三维道路模型映射纹理从而生成道路的真实感景观模型。

第二类研究代表着未来的发展方向，但依然还有几个有待完善的技术问题:

(l)直接支持道路勘测设计结果数据的道路及其地形的整体景观模型的自动枚建；

(2)海量地形和道路模型数据一体化管理与无缝动态漫游；

(3)高分辨率遥感影像应用于地形景观的表达(由于道路专业背景的限制，行业应用的地面纹理大多使用人造假纹理)，包括对带状地形遥感影像的处理和建库方法；

(4)勘测信息与道路几何模型的关联查询、编辑等。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种三维虚拟现实演示的建立方法，旨在解决道路三维可视化建设过程中的关键问题。

本发明是这样实现的，一种三维虚拟现实演示的建立方法，该三维虚拟现实演示的建立方法包括：

数字地面模型的建立及三维可视化，公路三维建模与数字高程模型无缝链接问题；

三维道路建模及可视化，应用各种建模方法和技术，依据道路平、纵、横数据，快速建立道路、桥梁、隧道及道路附属设施三维实体模型，并通过参数化设计，实现道路工程模型三维可视化；

公路三维可视化系统的设计与实现，实现三维道路工程模型的可视化；

渲染纹理数据库的建立，通过纹理映射到模型上的方式实现，包括植被、花草、三维纹理贴图。

进一步，数字地面模型的建立及三维可视化对散点数据进行简化，剔出错误点和奇异点，在对数据进行简化时，采用层次细节模型。

进一步，三维道路建模及可视化的道路模型构建方法：

步骤一，数据的准备：

道路模型表面由道路中心线、道路路基边缘线、道路边坡线组成的封闭的多边形组成，把表达道路模型表面的线作为特征线，在进行完道路的平、纵、横设计后，即按照需要的断面距离计算这些特征线的三维坐标，为20米一个断面，把所得三维坐标按照所在特征线沿路线前进方向进行记录。

步骤二，数据管理和组织：

在DEM数据组织与管理上采用了Windows的文件映射技术，在基于32位的机器上，处理的数据量为180X108GB，以最少的系统资源获得最快的几何查询及处理速度。

进一步，文件映射步骤如下：

步骤一，调用CreateFile函数打开要映射的文件；调用CreateFileMapping函数，要求传入之前CreateFile函数返回的句柄，函数在CreateFile函数创建的文件对象基础上生成一个的内存映射对象；

步骤二，调用MapViewOfFile函数映射整个文件的一个区域或者整个文件到内存，函数返回指向映射到内存的第一个字节的指针；用指针来读写文件；

步骤三，调用UnmapViewOtFile函数来解除文件映射；

步骤四，调用CloseHandle函数来关闭内存映射文件；

步骤五，调用CloseHmldle函数来关闭文件。

进一步，三维道路建模及可视化的道路无缝链接模型构建方法：

步骤一，地形模型的建立：

先建立地形模型然后将设计数据的外围轮廓线提出来，一个外围轮廓线组成一个平面多边形，将多边形按约束边对TIN进行插值处理，并将该多边形内的三角形剔除；

步骤二，路面模型建立：

建立道路模型；

提取道路模型边界，并产生边界文件；

导入地形点，读取边界文件，逐点判断地形点是否落在道路模型区域内，如果否，则加入到模型中，并按Delaunay法则生成三角网，如果是落在道路模型区域内，；

建立道路模型。

进一步，三维道路建模及可视化的道路附属设施三维模型分为三类：具有几何形态的不变性和表面材质、纹理的相似性，具有重要的形状和位置特征，具有几何形态的随机性和表面材质、纹理的相似性，有大小和位置特征，通过纹理图像表现这些目标，具有几何形态与表面材质、纹理表示的随机性，通过特定的随机函数模拟对象。

进一步，三维道路建模及可视化的桥梁模型的建立：

桥墩的制作，是根据照片，在对实地调绘的时候对桥进行了拍照，以人为参照物根据人在照片中的比例计算出桥墩的高度，根据照片制作形状；

护栏的制作，根据护栏的形状制作。

进一步，公路三维可视化系统包括：

工程管理模块，对工程的设计的所有信息的管理；

数据预处理模块，对数据的排序和组织管理，包括对地形数据的预处理和对道路设计数据的预处理两方面；

地形构建模块，用于完成TIN地形散点构网和地形网格分块管理两部分功能；

道路模型构建模块，道路数据经过预处理后，系统按道路中桩线的走向，依次取两个相邻的断面数据来构造道路模型，按从左到右的顺序依次将相邻断面的相同的道路特征点作为三角形的顶点，互连后构三道模型的三角网；

道路模型与地形模型拼接模块，将道路模型与地形模型进行很好的拼合，提高整个三维场景的视感；

地形LOD模块，根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配；

图形引擎模块，用于对构建好的三维模型进行可视化渲染；

景观设计模块，在地形模型以及道路模型创建好以后，对道路附属景观设施进行可视化设计。

进一步，渲染纹理数据库的建立具体包括：

地形数据入库，编辑和入库流程地理信息数据图形编辑和入库采用北京吉威数源信息技术有限公司的数据编辑软件Geoway 3.5；Geoway图形、入库一体化编辑作业流程；

地形数据入库利用GEOWAY数据处理平台进行数据加工包括：制作对照表文件将CAD的图层编号与GEOWAY中目标图层地物类的编码一一对应，在导入CAD的.DXF文件时，引用对照表文件即实现数据导入；同时需要建立一个新图层将所有杂乱的部分导入进行筛选处理；删除多余的符号化显示将草地、池塘、铁路线、桥梁转化成只有点、线、面三种形式的图形；而对于房屋、街区等的填充显示，则直接将删除即可；建立一个地物归类的合理方案，包括以下几个图层；城市街区、池塘、公路、地貌和土质、管线及附属设施、等高线、居民地、水系、植被、注记；属性表的建立，将地物的属性添加到属性表中；图形检查，常规的检查包括重线检查、伪节点检查、图形自相交打折，都要将进行修改到正确；属性的检查，分别检查属性的内容是否正确，根据属性的特点检查属性值的唯一性；构造拓扑，空间关系指空间对象之间具有空间特性的关系，通常分为三大类，即度量关系、顺序关系和拓扑关系；拓扑的构造更明确的表示地物之间的关系；修正处理，经过此过程的校正；数据的导出，Geoway支持多种数据格式的导出。

本发明提供的三维虚拟现实演示的建立方法，解决了公路三维建模与数字高程模型无缝链接问题，道路地形三维可视化涉及到地形建模和道路建模以及如何将两者无缝拼合等问题；三维道路建模及可视化应用各种建模方法和技术，依据道路平、纵、横数据，快速建立道路、桥梁、隧道及道路附属设施等三维实体模型，并通过参数化设计，实现了道路工程模型三维可视化；公路三维可视化系统的设计与实现，实现了三维道路工程模型的可视化；渲染纹理数据库的建立，通过纹理映射到模型上的方式实现，所以为了让模型的可视化能真实的反映实物场景，有必要建立足够丰富的纹理数据库，包括植被、花草、三维纹理贴图等，不断提高了系统视觉的逼真度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维虚拟现实演示的建立方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的三维虚拟现实演示的建立方法包括以下步骤：

S101：数字地面模型的建立及三维可视化，公路三维建模与数字高程模型无缝链接；

S102：三维道路建模及可视化，应用各种建模方法和技术，依据道路平、纵、横数据，快速建立道路、桥梁、隧道及道路附属设施三维实体模型，并通过参数化设计，实现道路工程模型三维可视化；

S103：公路三维可视化系统的设计与实现，实现三维道路工程模型的可视化；

S104：渲染纹理数据库的建立，通过纹理映射到模型上的方式实现，包括植被、花草、三维纹理贴图。

本发明的具体实施例：

1、数字地面模型的建立及三维可视化

1.1数字地面模型(DTM)概念：

数字地面模型(Digital Terrain Model)，简称DTM，是用大量的三维坐标x、y、z对地形表面形态等多种信息的一个数字表示。由于数模原始数据点的分布形式不同，数据采集的方式不同，以及数据处理、内插的方法不同和最后的输出格式不同等原因，数字地面模型分为很多种类。而数模的组织形式、数据结构及其数据处理方式又取决于原始地形数据的分布形式，所以根据数模中已知数据点的分布形式划分数模类型，数字地面模型可以分为规则数模和不规则数模。规划数模是指原始数据点之间有固定的联系，具体体现在模型格网是规则等距，这种数模具有输出简单，数据检索和内插简单快速，最大缺点是不能适应地形的变化；不规则数模是指原始地形数据点之间无任何联系，数据点是随机分布的，以不规则三角网(Triangulated Irregular Networks)模型为主，其优点是能较好的适应地形变化，内插精度高，可以表示任意形状的区域边界。所以本发明地形建模模块采用就是基于TIN三角网数字地面模型。

1.2地形数据采集

建立数字地面模型，首要环节就是地形数据的采集。目前在实用中常采用的数据采集方式有三种：由航测仪器从航空照片上获得地形数据；从已有地形图上由数字化仪输入地形数据；由可记录量测数据的电子经纬仪、全站式速测仪器从野外实测获得地形数据。

用航测方法采集数据能直观地观察地表形态，工作环境好，可以随意和方便地控制地形点的分布和密度，所得到的地形信息可靠、精度高。特别是随着航测在公路测试方面的应用的不断扩大，大多设计院的大比例尺地形图也是由航测获得的，通过航测来获取地形数据越来越成为主流。航测采集数据还有一个优点就是航测使用的解析测图仪在测图是可以附带记录测图信息，不需特意为建立数字地面模型而重新采集，这给数据采集带来了极大的方便，所以航测数据采集是目前在大规模公路测设状态下最理想、最易接受和推广的数模数据采集方式。

利用航测采集地形数据，由于点的分布与密度是随意控制的，特别适宜大范围的已知点要求较多的基于TIN三角网的数字地面模型，故本发明的地形建模的数据来源也是通过航测手段采集的。

1.3地形数据预处理

原始地形数据采集后，经过Iroad道路设计软件处理可以转换成三维地形采样点，但由于原始地形数据点密度大且数量大，难免出现一些错误点和奇异点，因些有必要对散点地形数据进行预处理，在保证地形基本细节特征的前提下，对散点数据进行简化，剔出错误点和奇异点，这样不但可以保证地形的正常模拟，还有利于提高数据检索和内插效率，减少系统资源消耗。

本发明在对数据进行简化时，采用层次细节模型(LOD)，即在保证地形完整的前提下，删除地形的非特征点，自适应地降低地形场景的复杂度，减少系统数据冗余，提高系统帧率。LOD技术能很好的解决海量地形数据处理与系统有限的渲染能力之间的矛盾。

2、三维道路建模及可视化

2.1、道路模型的构建方法

道路模型的构建是基于下述思想：道路建成后，原来的地面由建成的道路表面代替，从这个角度观察道路表面，它实际上是地面的一部分。所以，可以用一般建立地表模型的方法建立道路模型。

(1)数据的准备

道路模型表面可由道路中心线、道路路基边缘线、道路边坡线组成的封闭的多边形组成。当，把这些表达道路模型表面的线作为特征线。在进行完道路的平、纵、横设计后，即可按照需要的断面距离计算这些特征线的三维坐标，一般为20米一个断面，也可根据需要加密。把所得三维坐标按照所在特征线沿路线前进方向进行记录。

(2)数据管理和组织

本发明在DEM数据组织与管理上采用了Windows独有的文件映射技术。运用该技术，达到了DEM数据在时空上的最佳组合状态。同时，在基于32位的机器上，可处理的数据量为180X108GB，以最少的系统资源获得最快的几何查询及处理速度。

文件映射步骤如下：

①调用CreateFile函数打开要映射的文件；调用CreateFileMapping函数，其中要求传入之前CreateFile函数返回的句柄，该函数在CreateFile函数创建的文件对象基础上生成一个的内存映射对象；

②调用MapViewOfFile函数映射整个文件的一个区域或者整个文件到内存。该函

数返回指向映射到内存的第一个字节的指针；用该指针来读写文件；

③调用UnmapViewOtFile函数来解除文件映射；

④调用CloseHandle函数来关闭内存映射文件。注意必须传入内存映射文件的句柄；

⑤调用CloseHmldle函数来关闭文件。注意必须传入由CreateFile函数创建的文件的旬柄。

2.2、道路无缝链接模型的构建方法

构建无缝链接模型的难点是：在设计面区域内，存在有地形数掘点。建立无缝链接模型时，处于设计面区域内的地形数据点不可以参与构网。设计面区域是多个复杂的不规则区域。本发明建立道路模型采用分块建立，即按照公路路段分段，再通过拼接建立整条道路的模型，这样分的目的在于利用逐点插入法建立道路无缝链接模型时，对落在道路区域内的地形点能够快速判断并剔除出去。

(1)地形模型的建立

考虑到带状地形特征和路面的限制条件，系统选择TIN来表达地形，对于三维公路表达除了点状地物(如路灯等)外所有地物模型只要是与地形模型相交的都应该被镶嵌在地形模型中成为地形模型中的一部分或一层这样才能在三维显示时取得正确的表达效果。因此，路面及其构造物必须镶嵌在地形模型中，应该用道路模型替换地形模型中属于此范围的三角形使得地面模型和道路模型无缝地集成在一起。具体思路是：先建立地形模型然后将设计数据的外围轮廓线提出来，一个外围轮廓线组成一个平面多边形，将该多边形按约束边对TIN进行插值处理，并将该多边形内的三角形剔除；

(2)路面模型建立

道路模型的构建思想：道路建成后，原来的地面由建成的道路表面代替，从这个角度观察道路表面，它实际上是地面的一部分，所以可以用一般建立地表模型的方法建立道路模型。

道路模型表面可由道路中心线、道路路基边缘线、道路坡脚线组成的封闭多边形组成。当然为了更细致的表达道路细节，也可加入道路中央分隔带线、路肩边缘线、道路边坡坡沟线等。把这些表达道路模型表面的线作为特征线。在进行完道路的平、纵、横设计后，即可按照需要的断面距离计算这些特征线的三维坐标，一般为一个断面，也可根据需要加密，把所得三维坐标按照所在特征线沿路线前进方向进行记录。本发明建立道路模型采用逐点插入算法。

本发明定义道路的中线、路基边缘线、边坡坡顶坡沟线为地形特征线，这样在建立三角形时就能顾及到道路表面的实际形状。

公路设计数据主要有纵、横断面数据，纵断面其实是道路中心线，一般以里程桩号表示，主要包括桩号，三维坐标(X、Y、Z)和方位角(A)横断面设计数据包括桩号、偏距、高程和编码等。编码说明点的类型如路边、水沟、边坡等，通过编码可以确定相邻断面之间点的连接关系，左边和右边用单双号区分。根据纵横断面信息，可求出所有横断面上各点的三维坐标按顺序存入顶点坐标数组计算公式为：

x＝x₀+d·cos A·y＝y₀+d·sin A

式中x₀、y₀为中心线桩号点坐标，A为横断面方位角。

基本步骤如下：

①建立道路模型；

②提取道路模型边界，并产生边界文件。；

③导入地形点，读取边界文件，逐点判断地形点是否落在道路模型区域内，如果否，则加入到模型中，并按Delaunay法则生成三角网。如果是落在道路模型区域内，；

④建立道路模型；

(3)道路附属设施三维模型的建立

将三维模型分为三类：①具有几何形态的不变性和表面材质、纹理的相似性，具有重要的形状和位置特征，如路灯等；②具有几何形态的随机性和表面材质、纹理的相似性，有大小和位置特征，通过纹理图像表现这些目标，如树木等，具有几何形态与表面材质、纹理表示的随机性，可通过特定的随机函数模拟这些对象，如瀑布等。这类模型一般先在工具软件3DMAX里建好,然后导出3DS格式的文件。模型处于自己独立的坐标系中，建模完毕后要重新规划坐标原点，模型上所有点的坐标值都应以该坐标原点为基础。在应用过程中，模型在TIN上的位置就相当于模型的坐标原点在TIN上的位置。此外，模型在场景中的缩放及旋转也以该坐标原点为基础。

2.3桥梁模型的建立

桥梁的路面制作方法与道路的制作方法相同，在制作完桥面后，开始制作桥墩及护栏；

(1)桥墩的制作，主要是根据照片，在对实地调绘的时候对桥进行了拍照，以人为参照物根据人在照片中的比例计算出桥墩的高度，根据照片制作其形状；

(2)护栏的制作，根据护栏的形状制作；

3、公路三维可视化系统的设计与实现

3.1漫游及查询功能的实现：

(1)查询功能的制作

为了在浏览的同时可以对属性进行简单的浏览查询第一步建立属性结构表，根据项目的要求对属性表进行设计；表如下：

表1属性结构表

(2)漫游功能的设计

根据使用软件的要求功能三维浏览系统的功能如下：

场景的放大缩小；可以直接点击放大缩小按钮对场景进行放大缩小；键盘前进后退；使用间接盘控制场景的远近；固定路线漫游；在飞行编辑器中编辑飞行路线，在浏览场景时导入飞行路线，场景自动按飞行路线飞行，可以使用控制器控制飞行的高度、速度等参数；属性查询；在场景浏览中可以对兴趣点进行查询；

3.2工程管理模块

工程管理模块是对工程的设计的所有信息的管理。系统采用工程文件的方式来存储不同的道路设计方案，每个工程是按步骤逐一来完成的，每个存储的方案有工程有相对应的工程状态。系统的工程管理使用户能中途保存某一工程状态，当下次再打开时，只需调用相应的工程文件，系统能记录到上一工程状态，继续这一工程的设计，不需因中途的退出而重新设计，避免重复劳动，提高工作效率。

3.3数据预处理模块

由于TIN地形散点数据的海量性和杂乱性，在数据采集后，为了压缩存储单元，节省内存，必须对原始数据进行预处理，这种处理主要对数据的排序和组织管理，以便为后续的快速检索和内插打好基础。这种数据预处理包括对地形数据的预处理和对道路设计数据的预处理两方面。

(1)地形数据预处理。地形数据来源于通过航测采集地形三维顶点文件，每一个地形点包含三维坐标值(x，y，z)。由于原始顶点数据采样密度大且数量多，难免出现一些错误点和奇异点，因此有必要进行预处理，系统在保证一定地形细节特征的前提下采用反距离高程加权平均值法，对TIN地形散点进行LOD简化来减少散点数目，以便为后续的数据快速检索和内插打好基础。

(2)道路数据预处理。道路模型的数据来源于iRoad道路设计软件导出的道路横断面数据。每个断面数据以中桩点为界限分为左右两行，一行是路幅左侧的横断面特征点坐标序列点，另一行是路幅右侧的横断面的特征点坐标序列点。系统通过分析后提取出构建道路模型的必要特征点来构造道路模型。这些必要的特征点由道路中线向路侧走向依次为：中桩点、中间分隔带点、行车道点、硬路肩点、土路肩点、边沟点和边坡点。

在对道路数据进行预处理时常遇到两种情况：一种相邻断面结构相同的情况，即路幅同侧同为挖方或者填方，另一种情况则为相邻断面结构不同的情况，即同侧相邻断面一个为挖方(填方)，而另一个的填方(挖方)。对于前者的处理则相对简单，只要取相同的结构类型即可；对于后者，由于涉及到挖方到填方或填方到挖方的过渡问题，系统对于这种情况处理思路是：先采用“高程内插值法”内插出填挖(挖填)变化点，再通过这些辅助点和原来的断面点拟合出新的横断面数据。

3.4地形构建模块

该模块主要完成TIN地形散点构网和地形网格分块管理两部分功能。

(1)地形构网。在对TIN地形散点完成数据预处理的基础进行Delauny三角形构网。

在地形数据预处理后，系统会生成简化后的新的地形散点文件，该文件中和原数据文件相比，已经删除了那些错误点和奇异点，并剔除出一些地形非特征点，在数量上比原始数据文件少了很多。数据预处理还生成了以新的顶点文件为源文件的三角形文件。构网时只要加载这两个数据文件，系统运用Delauny三角形构网原则即可完成基于TIN散点的Delauny三角形构网。

(2)地形网格分块管理。为了便于进行LOD视点控制，消除狭长三角形带来的地物和断裂线等，系统对整个地形按照用户通过参数界面设定的大小网格进行划分，通过网格线进行地形分块处理。分块处理后相邻网格间的边界非常规则，不再存在跨网格的三角形，每个三角形属于一个固定网格。系统通过地形网格分块管理，可以更有效的对地形数据点进行查询和管理，为系统后面的模型浏览的碰撞检测和系统植被模块的分块创建打下基础，即用户可以在地形模型上植入不一样的各种植被。

3.5道路模型构建模块

道路数据经过预处理后，系统按道路中桩线的走向，依次取两个相邻的断面数据来构造道路模型。系统按从左到右的顺序依次将相邻断面的相同的道路特征点作为三角形的顶点，互连后构三道模型的三角网。构网完成后，道路被划分为中央分隔带、路基面、硬路肩、土路肩、边沟和边坡六个基本组成部分。在此基础上还可以得出行车道分隔线、行车道边缘线等数据；道路模型构建成功后，对于道路的附属设施(桥梁、隧道)和交通安全设施(标志标线、防护栏)的模型构建则按所处道路模型的断面位置，以道路中桩号为定位点，在相应位置构建或插入对应模型即可。

3.6道路模型与地形模型拼接模块

在高速公路三维可视化系统中，为了使场景能有连续的三维整体效果，必需将道路模型与地形模型进行很好的拼合，提高整个三维场景的视感。但是道路模型与地形模型的拼接的难点在于，道路模型与地形模型都是面模型，都是由多个三角网构成，在进行拼接过程中容易出现边界裂缝，模型之间会出现断裂的痕迹，这在一定程度上影响三维可视化的整体效果。为了解决这个问题，本发明采用了道路与地形模型的无缝拼合算法，其基本思路是：即首先从地形数据中查找道路边界点所在三角形，然后将边界线嵌入到地形三角网中，使边界线成为地形三角形中的一条边，然后再删除边界线以内的地形三角网，这样即可实现道路模型与地形模型的无缝拼接。拼接过程主要包括地形数据的组织、查找边界点所在三角形、在三角网中嵌入约束多边形和删除约束多边形内的三角形四个方面。

3.7地形LOD模块

LOD算法，即根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算。通俗地说，即在保证地形完整的前提下将地形散点数据中的非特征点进行剔除，减少系统的冗余运算，提高三维系统的渲染帧率。该模块包括地形LOD模型的生成和调度两个子功能。

(1)地形LOD模型的生成。在按网格对地形划分后，地形中的每个三角形分属于一个固定的地形网格，网格网格之间不存在交叉的三角形归属问题，因此可以对每个网格单独地进行LOD处理。系统采用基于加权的二次误差度边折叠算法和可逆递进格网构造算法，每个地形块表示一个最粗糙的网格模型和一组有序简化记录的集合，这可避免因狭长三角形带来地物、断裂线等问题，并为数据的快速检索与调度打个基础。

(2)地形LOD模型的调度。地形三角网绘制时，系统首先对地形块进行视点可见性判断，如果地形块在视点范围内，则按视点位置对地形块的进行LOD调度并绘制；对于不在视点范围内的地形块则忽略。

3.8图形引擎模块

图形引擎是三维可视化系统的核心模块，用于对构建好的三维模型进行可视化渲染。系统使用xml文件格式来保存场景的渲染参数，系统运行时通过文件导入初始化渲染引擎的状态。由于公路三维系统涉及的地物对像样式多且杂，包括公路、桥梁、隧道等基础设施，还包括房屋、农田、植被等非基础设施，这些对象的纹理信息各不相同，这是三维渲染的难点所在。为了提高渲染速度，系统将具有相同类型渲染状态的构造物归为同一个组，例如将具有相同结构类型和材质的构造作为一个组，在渲染这个组中的构造物前只需设置一次渲染参数，以后再次渲染相同类型时就可直接调用渲染参数，避免重新设计，从而减少了因频繁的切换渲染状态而带来的系统资源消耗，解决了三维系统中实时渲染的难题。

此外，系统利用地形分块场景管理方法对构造物模型进行管理，每个地形块都有与之对应的节点，当需要添加新的构造物到三维场景中时，可以根据该构造物在地形中的坐标位置将它加入到与坐标位置对应的地形块中，如果基于视点位置的地形块可见，刚构造物同样可见，保证地形与构造物同时渲染。这种分块场景管理方法可以避免不必要的对象绘制，确保三维实时动态渲染的效率。

3.9景观设计模块

景观设计是指在地形模型以及道路模型创建好以后，对道路附属景观设施进行可视化设计。景观设计模块包括地形植被模型创建、中央分隔带绿化模型创建和天空视景模型创建三个子模块。根据道路模型信息，景观设计主要针对中央分隔带的绿化设计，系统根据用户需求在创建道路模型时已构建好的分隔带模型区域内，按随机分布的原则插入事先预制好的花草、树木“块”，完成中央绿化带设计。根据地形模型信息，系统可在整个地形或指定地形块范围内种植一定的植被，对道路周围景观进行绿化，美化道路外侧的地形；对于天空视景的调度与渲染，可根据需要添加不同的纹理渲染图片以达到不同的天空背景效果。景观设计是高速公路实时三维可视化景观设计系统的最重要的组成部分，在完成地形，道路模型创建后，通过对道路周围景观的设计，模拟出拟建道路的视景整体效果，不但可以检查设计成果的合理性，还可以此对道路建后的环境影响做事先预估，有利于工程建设的环境影响评价。在现今越来越得要环境保护的社会，景观设计将成为本发明的一大特色和亮点。

4、渲染纹理数据库的建立

4.1地形数据入库

(1)编辑和入库流程

地理信息数据图形编辑和入库采用数据编辑软件Geoway 3.5；Geoway图形、入库一体化编辑作业流程、作业；

(2)地形数据入库具体步骤

利用GEOWAY数据处理平台进行数据加工要进行如下几个步骤：

①制作对照表文件

将CAD的图层编号与GEOWAY中目标图层地物类的编码一一对应，在导入CAD的.DXF文件时，引用对照表文件即可实现数据导入；同时需要建立一个新图层将所有杂乱的部分导入进行筛选处理；

②删除多余的符号化显示

将草地、池塘、铁路线、桥梁等等转化成只有点、线、面三种形式的图形；而对于房屋、街区等的填充显示，则直接将其删除即可；

③建立一个地物归类的合理方案，主要包括以下几个图层；城市街区、池塘、公路、地貌和土质、管线及其附属设施、等高线、居民地、水系、植被、注记等；

④属性表的建立，将地物的属性添加到属性表中；

⑤图形检查，常规的检查包括重线检查、伪节点检查、图形自相交打折等，都要将其进行修改到正确；

⑥属性的检查。分别检查属性的内容是否正确，也可根据属性的特点检查属性值的唯一性；

⑦构造拓扑，空间关系指空间对象之间具有空间特性的关系，通常分为三大类，即度量关系、顺序关系和拓扑关系；拓扑的构造可以更明确的表示地物之间的关系；

⑧修正处理，经过此过程的校正，避免了许多错误和不足，为GIS系统的建立提供了一个准确、完整的数据；

⑨数据的导出，Geoway支持多种数据格式的导出，如Arcgis的shp格式、Arcinfo的Coverege格式、Geostar的交换格式e00等等；

地形数据入库的数据分层表

(3)地形模型生成

下面是ERDAS IMAGINE 8.5软件制作DEM的具体步骤：

①调入数据

利用输入、输出工具调入数据，将数据转为Arc coverage格式；注意：在ERDAS程序中，文件名称中不能使用中文，同时命名时也要注意简洁明了；

②生成三维地形表面，在ERDAS图标面板菜单条：Main……DataPreparation……Data Preparation菜单……选择Create Surface打开3D Surfacing对话框，点击3D Surfacing对话框中File菜单下的Read得到Read Points对话框并设置下列参数：

执行OK命令，导入三维数据；执行Surfacing命令，得数字高程模型DEM；注意：本发明中像元取值为X：1/Y：1，这样图像的效果比较好；

4.2天空纹理的渲染

自然天空环境的渲染同样是整个系统的一个重要组成部分，需要特别考虑的，天空背景的的渲染效果直接关系到整个三维系统的逼真感，真实的天空可大大提高用户的视觉享受与沉浸感，但是由于天空的开放性决定其范围是无限，对它完全真实的渲染又是不现实的。在目前的仿真软件中，大部分的采用的是静态图片充当天空和天空盒(skybox)两种方法进行天空模拟。静态图片充当天空有一缺点就是当要模拟场景比较大时，图片被拉伸后会严重失真，特别是在户外这种大场景时失真更加历害；然天空盒技术恰好可以避免这种情况。考虑到大气层本就是覆盖在地球上的一个球壳，加上本发明是针对高速公路三维可视体系统，主要用于描述户外大场景的视景模拟，所以在本发明中，采用计算机图形学中的半球体天空盒技术来模拟天空环境。

所谓天空盒就是将有限的几何形体覆盖整个的场景几何模型，使场景处于一个封闭的空间内，然后再通过纹理映射等方法，使场景空间在视觉上达到无限的效果。常使用的空间几何体有立方体，球体，锥体等形体，其中以立方体和球体的应用居多，这两种方法都有实现简单的优点。然球形天空体中又以圆形天空盒的应用最多，即半球形天空体。

在建立好半球体的天空体线框结构后，系统通过纹理映射的方法，将天空纹理图片贴在半球体的天空结构上，形成逼真的天空场景。系统利用不同的天空纹理图片来表达不同的天空背景，可以是晴空高照，蓝天白云，也可是乌云密布，还可是夕阳西下，只要纹理图片足够丰富，系统就可以渲染出任何你想要的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三维虚拟现实演示的建立方法，其特征在于，该三维虚拟现实演示的建立方法包括：

2.如权利要求1所述的三维虚拟现实演示的建立方法，其特征在于，数字地面模型的建立及三维可视化对散点数据进行简化，剔出错误点和奇异点，在对数据进行简化时，采用层次细节模型。

3.如权利要求1所述的三维虚拟现实演示的建立方法，其特征在于，三维道路建模及可视化的道路模型构建方法：

步骤一，数据的准备：

道路模型表面由道路中心线、道路路基边缘线、道路边坡线组成的封闭的多边形组成，把表达道路模型表面的线作为特征线，在进行完道路的平、纵、横设计后，即按照需要的断面距离计算这些特征线的三维坐标，为20米一个断面，把所得三维坐标按照所在特征线沿路线前进方向进行记录；

步骤二，数据管理和组织：

4.如权利要求3所述的三维虚拟现实演示的建立方法，其特征在于，文件映射步骤如下：

步骤三，调用UnmapViewOtFile函数来解除文件映射；

步骤四，调用CloseHandle函数来关闭内存映射文件；

步骤五，调用CloseHmldle函数来关闭文件。

5.如权利要求1所述的三维虚拟现实演示的建立方法，其特征在于，三维道路建模及可视化的道路无缝链接模型构建方法：

步骤一，地形模型的建立：

步骤二，路面模型建立：

建立道路模型；

提取道路模型边界，并产生边界文件；

导入地形点，读取边界文件，逐点判断地形点是否落在道路模型区域内，如果否，则加入到模型中，并按Delaunay法则生成三角网，如果是落在道路模型区域内；

建立道路模型。

6.如权利要求1所述的三维虚拟现实演示的建立方法，其特征在于，三维道路建模及可视化的道路附属设施三维模型分为三类：具有几何形态的不变性和表面材质、纹理的相似性，具有重要的形状和位置特征，具有几何形态的随机性和表面材质、纹理的相似性，有大小和位置特征，通过纹理图像表现这些目标，具有几何形态与表面材质、纹理表示的随机性，通过特定的随机函数模拟对象。

7.如权利要求1所述的三维虚拟现实演示的建立方法，其特征在于，三维道路建模及可视化的桥梁模型的建立：

护栏的制作，根据护栏的形状制作。

8.如权利要求1所述的三维虚拟现实演示的建立方法，其特征在于，公路三维可视化系统包括：

工程管理模块，对工程的设计的所有信息的管理；

图形引擎模块，用于对构建好的三维模型进行可视化渲染；

9.如权利要求1所述的三维虚拟现实演示的建立方法，其特征在于，渲染纹理数据库的建立具体包括：

地形数据入库利用GEOWAY数据处理平台进行数据加工包括：制作对照表文件将CAD的图层编号与GEOWAY中目标图层地物类的编码一一对应，在导入CAD的.DXF文件时，引用对照表文件即实现数据导入；同时需要建立一个新图层将所有杂乱的部分导入进行筛选处理；删除多余的符号化显示将草地、池塘、铁路线、桥梁转化成只有点、线、面三种形式的图形；而对于房屋、街区的填充显示，则直接将删除即可；建立一个地物归类的合理方案，包括以下几个图层；城市街区、池塘、公路、地貌和土质、管线及附属设施、等高线、居民地、水系、植被、注记；属性表的建立，将地物的属性添加到属性表中；图形检查，常规的检查包括重线检查、伪节点检查、图形自相交打折，都要将进行修改到正确；属性的检查，分别检查属性的内容是否正确，根据属性的特点检查属性值的唯一性；构造拓扑，空间关系指空间对象之间具有空间特性的关系，通常分为三大类，即度量关系、顺序关系和拓扑关系；拓扑的构造更明确的表示地物之间的关系；修正处理，经过此过程的校正；数据的导出，Geoway支持多种数据格式的导出。