CN108765576B

CN108765576B - 基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法

Info

Publication number: CN108765576B
Application number: CN201810261216.1A
Authority: CN
Inventors: 赵健; 刘玉红; 闸旋; 郭忠磊; 李海滨; 申家双
Original assignee: 92859 TROOPS PLA
Current assignee: 92859 TROOPS PLA
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: CN108765576A

Abstract

本发明涉及一种基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法，其特点是：基于OsgEarth数字地球平台，构建三维地理信息场景；基于OpenVR构建OsgEarth数字地球平台适用的插件；利用OsgEarth数字地球平台适用的插件，进行HTC VIVE硬件设备的布置和连接；采用第一人称视角的相机控制器并利用HTC VIVE在OsgEarth数字地球上进行漫游控制。本发明将OpenVR技术和OsgEarth技术结合，建立起连接HTC VIVE硬件设备和OsgEarth软件平台的纽带；并且通过真实空间、虚拟空间、投影空间和设备空间之间的坐标转换关系，构建OsgEarth数字地球平台VR漫游第一视角相机控制器，实现全球化VR漫游浏览控制功能，具有效果逼真、真实感强、操作使用方便等特点，可广泛用于地理信息应用领域。

Description

基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法

技术领域

本发明属于地理信息系统技术领域，尤其是一种基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法。

背景技术

以数字地球为代表的三维地理信息系统无论是在地理信息可分析性方面，还是在地理信息表达直观性方面，与传统的二维地理信息系统相比都具有明显的优势。目前，国内外成功的数字地球产品有很多，如GoogleEarth、ArcGlobe、Virtual Earth、EV-Globe等，但这些商业平台在开放性、可移植性、定制性等方面都存在或多或少的不足。OsgEarth是基于OpenSceneGraph三维图形渲染引擎开发的一个开源数字地球平台，具有良好的拓展性、开放性和可移植性，引起业内广泛而深入的研究，如将Triton Ocean可无缝集成到该平台上实现全球海洋物理模拟；基于osgEarth可实现城市三维场景构建，辅助城市规划建设；通过OsgEarth可以进行虚拟校园、社区、景观等远端浏览等。

OsgEarth采用C++作为开发语言，结合Qt等跨平台UI库，可实现Windows、Linux、Android和IOS的跨平台移植。OsgEarth支持多种类型的地理数据，如栅格影像数据、矢量数据、三维模型数据等，并且支持OGC的多种地理信息服务，如WMS、WCS、WFS和TMS等。全面的数据支撑能力和便捷的开发拓展特点，使得OsgEarth在三维地理信息系统领域有着广阔的应用前景和发展潜力。

另外，以3I(Imagination想象、Immersion沉浸、Interactive交互)为主要特性的虚拟现实技术迎来了蓬勃发展期。HTC公司的VIVE，Facebook公司的Oculus Rift，索尼公司的Playstation VR，微软公司的HoloLens等虚拟现实穿戴设备相继问世，使得人们能够在游戏、旅游、医疗等领域广泛而深入地体验虚拟现实技术所带来的前所未有的临境感。

VR设备涌现，促进了游戏、建模领域等软件产业的发展。开源引擎Open VR提供了连接VR设备硬件和软件的纽带，其采用C++语言进行编写，支持HTC VIVE和Oculus等VR设备；Steam VR以Open VR为基础，将其与Steam相结合，来提供相应的VR内容；三维游戏建模引擎Unity 3D与Steam VR插件结合，可进行VR场景建模，从而进行游戏开发。

虽然目前VR设备带给人们较好的虚拟空间体验，但仍存在一定的不足，概括为：(1)场景大多为人工建模，并非真实世界的真实数据；(2)场景范围较小。以数字地球平台为基础，以真实地理数据为支撑，进行全球VR漫游的平台及系统较少。

综上所述，如何以OsgEarth数字地球平台为基础，以卫星遥感数据、数字高程数据、倾斜摄影模型数据等能够还原真实世界的真实数据为支撑，构建三维场景，结合HTCVIVE虚拟现实设备进行全球化VR漫游，是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、真实感强切操作使用方便的基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法，包括以下步骤：

步骤1、基于OsgEarth数字地球平台，构建三维地理信息场景；

步骤2、基于OpenVR构建OsgEarth数字地球平台适用的插件；

步骤3、利用OsgEarth数字地球平台适用的插件，进行HTC VIVE硬件设备的布置和连接；

步骤4、采用第一人称视角的相机控制器并利用HTC VIVE在OsgEarth数字地球上进行漫游控制。

所述步骤1的具体实现方法为：通过测绘方法获取构建三维地理场景的所需数据；将上述测绘数据按照层级方式组织叠加在以四叉数进行剖分的OsgEarth数字地球三角网格上。

所述通过测绘方法获取的数据包括：通过航天航空遥感手段获取的反映地貌的DOM影像数据、通过航天航空立体摄影手段获取的反映地形特征的DEM高程数据以及通过航空倾斜摄影手段获取的反映建筑细节的倾斜摄影数据。

所述将上述测绘数据按照层级方式组织叠加在以四叉数进行剖分的OsgEarth数字地球三角网格上的具体方法为：将DOM影像数据作为三角网格的纹理；将DEM高程数据进行离散化处理并修改三角网顶点的高程值；将倾斜摄影数据作为地表附着物并叠加在三角网格上。

所述步骤2的具体实现方法为：

⑴按照OsgEarth纹理数据结构，对OpenVR的纹理数据进行转换；

⑵按照OsgEarth绘制流程要求，定义OpenVR的场景渲染目标设置事件和渲染目标发布事件；

⑶按照OsgEarth设备资源要求，将OsgEarth视口资源与OpenVR设备资源进行绑定；

⑷采用绘制到纹理技术，将三维场景按照两个具有一定偏移量的投影矩阵，绘制到两张纹理上；

⑸利用OpenVR对HTC VIVE硬件设备资源进行初始化；

⑹将两个纹理在OpenVR所支持的硬件设备HTC VIVE头盔显示器中显示。

所述步骤3中的HTC VIVE硬件设备包括两个定位器、一个头盔、两个手柄，HTCVIVE硬件设备的布置和连接方法为：

⑴将两个定位器在房间内以对角线布置；

⑵将两个定位器用数据线进行连接；

⑶将头盔设备用HDMI及USB接口与PC连接，定位器、头盔和手柄之间的数据传输采用无线方式；

⑷启动VR设备并将场景绘制到VR设备中。

步骤4在OsgEarth数字地球上进行漫游控制时，需要进行空间坐标变换：场景世界空间到观察视口空间的转换、观察视口空间到设备空间的转换，设备空间到观察视口空间的转换，以及视口空间到投影空间的转换四个转换步骤，并且场景世界空间由按照真实数据进行建模的三维场景来确定；观察视口空间由观察取景器来确定；设备空间由HTC VIVE的定位器来确定；投影空间由定义的投影矩阵来确定。

本发明的优点和积极效果是：

本发明将OpenVR技术和OsgEarth技术结合，建立起连接HTC VIVE硬件设备和OsgEarth软件平台的纽带；并且通过真实空间、虚拟空间、投影空间和设备空间之间的坐标转换关系，构建OsgEarth数字地球平台VR漫游第一视角相机控制器，相对于PC终端显示时常用的上帝视角相机控制器，实现全球化VR漫游浏览控制功能，能够带给用户更加真实的漫游飞行体验。具有效果逼真、真实感强、操作使用方便等特点。

附图说明

图1是本发明的处理流程图；

图2是由倾斜摄影数据、DOM、DEM构建的三维场景示意图；

图3是在本发明在HTC VIVE头盔显示器中的左右眼观察视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、基于OsgEarth数字地球平台，构建三维地理信息场景。具体方法如下：

首先，通过测绘方法获取构建三维地理场景的所需数据，主要包括：(1)反映地貌的DOM影像数据，这些影像通过航天航空遥感手段获取，分辨率优于0.5米，并经过几何纠正、拼接镶嵌、匀光匀色等处理，满足一定的精度指标要求；(2)反映地形特征的DEM高程数据，这些数据通过航天航空立体摄影等手段获取；(3)反映建筑细节的倾斜摄影数据，这些数据采用航空倾斜摄影手段获取，并经过人工后期编辑制作而成。

然后，将上述测绘数据按照层级方式组织叠加在以四叉数进行剖分的OsgEarth数字地球三角网格上。DOM影像数据作为三角网格的纹理；DEM高程数据经过离散化处理，修改三角网顶点的高程值，表达地形起伏效果；倾斜摄影数据，作为地表附着物，叠加在三角网格上。本步骤构建的三维场景如图2所示。

在本步骤中，采用不同的驱动方式进行数据加载，例如，本地影像数据和高程数据采用GDAL驱动，网络服务形式的影像和高程分别采用WMS和WCS驱动。以上这些驱动都是OsgEarth平台自带的，而对于以多个osgb形式组织的倾斜摄影数据以及按照五级十五层进行组织的高分影像数据服务，则通过构建GFDBPlugin和ObliqueModelPlugin插件将高分影像服务数据和倾斜摄影数据加载到OsgEarth数字地球平台上。

步骤2、基于OpenVR构建OsgEarth数字地球平台适用的插件。

由于OpenVR采用C++语言进行开发，有着自定义的纹理数据结构、设备图形资源、事件响应机制和视口绘制方式，这些都与OsgEarth数字平台有很大不同，因此，本步骤需要构建OsgEarth数字地球平台适用的插件，以实现OpenVR和OsgEarth之间的对应连接。具体方法包括：

(1)按照OsgEarth纹理数据结构，对OpenVR的纹理数据进行转换；

(2)按照OsgEarth绘制流程要求，定义OpenVR的场景渲染目标设置事件(PreDraw)和渲染目标发布事件(PostDraw)；

(3)按照OsgEarth设备资源要求，将OsgEarth视口资源与OpenVR设备资源进行绑定；

(4)采用绘制到纹理(RTT)技术，将三维场景按照两个具有一定偏移量(左右眼之间的视差)的投影矩阵，绘制到两张纹理上；

(5)利用OpenVR对HTC VIVE硬件设备资源进行初始化；

(6)将两个纹理在OpenVR所支持的硬件设备HTC VIVE头盔显示器中显示。

步骤3、利用OsgEarth数字地球平台适用的插件，进行HTC VIVE硬件设备的布置和连接。

HTC VIVE VR设备套装包括两个定位器(基站)、一个头盔(显示器)、两个手柄(控制器)及连接线。设备连接主要包括以下步骤：

(1)将两个定位器在房间内以对角线布置；

(2)将两个定位器用数据线进行连接；

(3)将头盔设备用HDMI及USB接口与PC连接。定位器、头盔和手柄之间的数据传输采用无线方式。

(4)VR设备部署完成后，需要启动VR设备，此时会用到本发明中实现的OsgEarthVR插件，点击该该插件的VR用户交互界面按钮，启动并将场景绘制到VR设备中。点击后，会弹出steamVR对话框，如果“就绪”表明已经将VR设备与数字地球系统连接成功，绿色的头盔、手柄、定位器设备图标表明设备处于正常工作状态，连接成功后三维场景可在PC显示器中产生对应左右眼的观察视图。

在OsgEarth中通过对观察相机的控制来实现场景的漫游，但常用的相机控制器为地图相机控制器EarthManipulator，观察视角为上帝视角，包括旋转、缩放、平移、倾斜等操作，经实验验证采用该相机控制器进行VR漫游，效果不太理想。本发明采用第一人称视角的相机控制器进行相机控制，仅通过前进方向和前进速度来控制相机实现场景的全方位漫游，符合现实中人们观察周边场景的特点。

为了实现利用HTC VIVE在OsgEarth数字地球上漫游，除了第一人称相机控制器外，还需要进行一系列的空间变换以及绑定硬件设备的消息响应。坐标的转换按照：场景世界空间到观察视口空间的转换、观察视口空间到设备空间的转换，设备空间到观察视口空间的转换，以及视口空间到投影空间的转换四个转换步骤。场景世界空间由按照真实数据进行建模的三维场景来确定；观察视口空间由观察取景器来确定；设备空间由HTC VIVE的定位器来确定；投影空间由定义的投影矩阵来确定。通过这些坐标转换，实现了在HTC VIVE的头盔显示器中显示三维场景，如图3所示。

漫游控制，通过HTC VIVE的头盔和手柄扳机控制。用户穿戴上头盔设备后，会置身于三维虚拟场景中。同真实世界一样，用户面向的方向即是观察方向，转动头部实现上下、前后、左右任意方向的观察；在观察的同时，扣动手柄扳机，来向观察方向前进，扳机扣动幅度的大小控制前进速度的大小。总结而言，HTC VIVE头盔来控制漫游浏览方向，手柄来控制漫游浏览速度，操作简单方便。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、基于OsgEarth数字地球平台，构建三维地理信息场景；

步骤2、基于OpenVR构建OsgEarth数字地球平台适用的插件；

步骤4、采用第一人称视角的相机控制器并利用HTC VIVE在OsgEarth数字地球上进行漫游控制；

所述步骤2的具体实现方法为：

⑴按照OsgEarth纹理数据结构，对OpenVR的纹理数据进行转换；

⑸利用OpenVR对HTC VIVE硬件设备资源进行初始化；

2.根据权利要求1所述的基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：通过测绘方法获取构建三维地理场景的所需数据；将获取的数据按照层级方式组织叠加在以四叉数进行剖分的OsgEarth数字地球三角网格上。

3.根据权利要求2所述的基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法，其特征在于：所述通过测绘方法获取的数据包括：通过航天航空遥感手段获取的反映地貌的DOM影像数据、通过航天航空立体摄影手段获取的反映地形特征的DEM高程数据以及通过航空倾斜摄影手段获取的反映建筑细节的倾斜摄影数据。

4.根据权利要求2所述的基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法，其特征在于：所述将获取的数据按照层级方式组织叠加在以四叉数进行剖分的OsgEarth数字地球三角网格上的具体方法为：将DOM影像数据作为三角网格的纹理；将DEM高程数据进行离散化处理并修改三角网顶点的高程值；将倾斜摄影数据作为地表附着物并叠加在三角网格上。

5.根据权利要求1所述的基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法，其特征在于：所述步骤3中的HTC VIVE硬件设备包括两个定位器、一个头盔、两个手柄，HTC VIVE硬件设备的布置和连接方法为：

⑴将两个定位器在房间内以对角线布置；

⑵将两个定位器用数据线进行连接；

⑷启动VR设备并将场景绘制到VR设备中。

6.根据权利要求1所述的基于OsgEarth的VIVE虚拟地球漫游浏览方法，其特征在于：步骤4在OsgEarth数字地球上进行漫游控制时，需要进行空间坐标变换：场景世界空间到观察视口空间的转换、观察视口空间到设备空间的转换，设备空间到观察视口空间的转换，以及视口空间到投影空间的转换四个转换步骤，并且场景世界空间由按照真实数据进行建模的三维场景来确定；观察视口空间由观察取景器来确定；设备空间由HTC VIVE的定位器来确定；投影空间由定义的投影矩阵来确定。