1、1,第八章 虛擬城市建模技術(shù),81 虛擬環(huán)境建模概述 82 虛擬環(huán)境建模的特點(diǎn) 83 虛擬環(huán)境中虛擬實(shí)體的表現(xiàn)形式 84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù) 85 虛擬環(huán)境物理建模技術(shù) 86 虛擬環(huán)境行為建模技術(shù),2,81 虛擬環(huán)境建模概述,（1）精確度 （2）顯示速度 （3）易用性 （4）廣泛性,評(píng)價(jià)一種建模技術(shù)的主要指標(biāo),3,82 虛擬環(huán)境建模的特點(diǎn),（1）實(shí)體的廣泛性。虛擬環(huán)境中有非常廣泛的實(shí)體對(duì)象，往往要構(gòu)造不同類型的實(shí)體。 （2）實(shí)體行為的獨(dú)特性。虛擬環(huán)境中有些實(shí)體須有其自己的行為，而其它圖形建模系統(tǒng)一般只是構(gòu)造靜態(tài)的物體，物體的行為往往是比較簡(jiǎn)單的平移或旋轉(zhuǎn)等。 （3）交互性。虛擬環(huán)境中的實(shí)體須

2、能夠?qū)τ^察者做出反應(yīng)。當(dāng)觀察者與物體進(jìn)行交互時(shí)，物體須以某種適當(dāng)?shù)膭?dòng)作來響應(yīng)。,虛擬環(huán)境建模的特點(diǎn),4,82 虛擬環(huán)境建模的特點(diǎn),（1）可重用性。 （2）在對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行交互時(shí)，模型應(yīng)能提供某種暗示，使得交互可以按觀察者的意圖進(jìn)行。 （3）在構(gòu)造物體的幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分考慮到是否有利于表現(xiàn)物體的行為。,虛擬環(huán)境建模特點(diǎn)對(duì)建模技術(shù)和軟件的特別要求,5,83 虛擬環(huán)境中虛擬實(shí)體的表現(xiàn)形式,（一）視覺外形 （二）物理特征 （三）實(shí)體信息 （四）環(huán)境信息,6,83 虛擬環(huán)境中虛擬實(shí)體的表現(xiàn)形式,（一）視覺外形,虛擬環(huán)境中每個(gè)仿真對(duì)象都包含形狀和外觀兩個(gè)方面。物體的形狀由構(gòu)成物體的各個(gè)多邊形、三角形及

3、頂點(diǎn)來確定；物體的外觀則是由表面紋理，材質(zhì)，顏色，光照系數(shù)等決定的。 仿真對(duì)象的外觀特性主要由表面反射屬性和表面紋理來決定。表面反射特性需考慮光源的位置和類型；紋理則能大大增強(qiáng)物體的細(xì)節(jié)層次和真實(shí)感。,7,（一）視覺外形,8,（一）視覺外形,9,83 虛擬環(huán)境中虛擬實(shí)體的表現(xiàn)形式,（二）物理特征,虛擬實(shí)體的物理特征包括定義實(shí)體的質(zhì)量、重量、慣性、表面紋理、光滑或粗糙、硬度、形狀改變模式等等。 物理特性與幾何建模和行為規(guī)則結(jié)合起來，形成更真實(shí)的物理模型。,10,83 虛擬環(huán)境中虛擬實(shí)體的表現(xiàn)形式,（三）實(shí)體信息,實(shí)體信息包括實(shí)體的動(dòng)力學(xué)特征、視覺特征、聽覺特性等多種方面。在虛擬城市中的實(shí)體信息，

4、常用的包括實(shí)體的地理位置、方位、外部特性、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)速度等。如飛機(jī)、滑翔機(jī)等飛行器在空中六自由度運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)描述，汽車在道路上和地形起伏地區(qū)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征描述等。,11,83 虛擬環(huán)境中虛擬實(shí)體的表現(xiàn)形式,（四）環(huán)境信息,在虛擬城市中，環(huán)境信息包括城市地形地貌、氣象條件、光照等環(huán)境的信息。,12,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（一）對(duì)象形狀 對(duì)象的圖形通?？梢酝ㄟ^對(duì)三維物體的表面的測(cè)試得到離散三維數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)用多邊形描述從而構(gòu)造得到對(duì)象的多邊形描述。 （二）對(duì)象外表 虛擬實(shí)體對(duì)象的外表的真實(shí)感主要取決于它的紋理和表面反射。以前，提高一個(gè)對(duì)象真實(shí)感的主要辦法是增加物體的多邊形細(xì)節(jié)。在需要

5、實(shí)時(shí)仿真時(shí)，增加多邊形細(xì)節(jié)會(huì)使圖形處理速度變得緩慢。,實(shí)體對(duì)象的特點(diǎn),13,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（一）層次（Hierarchy）建模方法 （二）屬主（Clone）建模方法,幾何建模技術(shù)方法,14,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（一）層次（Hierarchy）建模方法,層次建模方法利用樹形結(jié)構(gòu)來表示實(shí)體的各個(gè)組成部分，即可以表示成分層結(jié)構(gòu)。 可以使用自頂向下的方法將一個(gè)幾何對(duì)象分解，也可以用自底向上的構(gòu)造方法對(duì)幾何對(duì)象進(jìn)行重構(gòu)。,15,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（一）層次（Hierarchy）建模方法,16,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（一）層次（Hierarchy）建模方法,實(shí) 例,1

6、7,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（一）層次（Hierarchy）建模方法,實(shí) 例,18,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（二）屬主（Clone）建模方法,屬主對(duì)象建模的思想是讓同一種對(duì)象擁有同一個(gè)屬主（或稱為母體），屬主包含了該類對(duì)象的詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和屬性特征。當(dāng)要建立屬主的一個(gè)實(shí)例時(shí)，只要復(fù)制指向?qū)僦鞯闹羔樉涂梢粤恕?19,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（二）屬主（Clone）建模方法,（1）簡(jiǎn)單高效：同一種物體的結(jié)構(gòu)只要建立一次，且被克隆的對(duì)象不占用內(nèi)存空間，提高了系統(tǒng)的顯示效率。 （2）易于修改：修改一種對(duì)象時(shí)只需修改好它的屬主，被克隆的對(duì)象可以自動(dòng)繼承下屬主被修改的部分。 （3）一致性好：由于繼

7、承性，不可能出現(xiàn)屬于同一個(gè)屬主的多個(gè)對(duì)象實(shí)例不一致的結(jié)構(gòu)。,20,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（二）屬主（Clone）建模方法,Clone,21,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),（二）屬主（Clone）建模方法,Clone,Clone,22,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),人工幾何建模方法,如3DS、3DMAX、Creator、Maya等建模軟件,23,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),半自動(dòng)的幾何建模方法,三維掃描成型技術(shù) ，如Cyrax 2500 等,24,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),半自動(dòng)的幾何建模方法,三維掃描成型技術(shù) ，如Cyrax 2500 等,25,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),半自動(dòng)的幾何建模

8、方法,基于3D Scanner的方法:,26,84 虛擬環(huán)境幾何建模技術(shù),半自動(dòng)的幾何建模方法,利用三維掃描儀，獲取彩塑的精細(xì)幾何模型。,27,技術(shù)路線,技術(shù)路線,28,數(shù)據(jù)來源,數(shù) 據(jù) 獲 取,高清晰度航空像片 高分辨率衛(wèi)星遙感像片 GIS數(shù)據(jù)（DEM，TIN，SHP等） 建筑三維結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù) 數(shù)字?jǐn)z影相片,29,虛擬城市典型示范區(qū)數(shù)據(jù)源,仙林新校區(qū),仙林地區(qū)1：5000地形 圖 仙林地區(qū)1：21000彩紅 外航空象片 仙林校區(qū)1：1000校園 平面設(shè)計(jì)圖 仙林校區(qū)三維及二維建 筑結(jié)構(gòu)圖,玄武湖地區(qū),玄武湖地區(qū)1：2500彩 紅外航空象片 玄武湖地區(qū)1：500電子 地圖 玄武湖地面控制點(diǎn)刺點(diǎn)

9、 像片 地面控制點(diǎn)文件 相機(jī)檢校文件,30,玄武湖數(shù)據(jù)采集,玄武湖地區(qū)大部分為水域，而且 湖中還有櫻洲、梁洲等陸地地塊對(duì)水 域進(jìn)行分割，地形比較破碎。整個(gè)區(qū) 域共計(jì)10條航帶，而只提供了四條航 帶的控制點(diǎn)刺點(diǎn)象片?？刂泣c(diǎn)數(shù)目不 足，分布不均，無法采用常規(guī)的數(shù)據(jù) 處理方法。,地理特征,31,玄武湖數(shù)據(jù)采集,分區(qū)域測(cè)量 控制點(diǎn)加密 地面特征點(diǎn)預(yù)測(cè),解決方法,32,利用地面特征點(diǎn)構(gòu)TIN,33,數(shù)據(jù)采集結(jié)果,數(shù)字地面高程DEM 測(cè)圖數(shù)據(jù) （屬性數(shù)據(jù)）：房屋建筑、道路、水系等 數(shù)字正射影像,34,數(shù) 據(jù) 處 理,全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)VirtuoZo、GIS和虛擬 現(xiàn)實(shí)建模軟件MultiGen之間空間數(shù)據(jù)

10、一致性 匹配的問題，研究三者各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象 之間的空間映射關(guān)系，確定系統(tǒng)之間空間數(shù) 據(jù)的快速轉(zhuǎn)換算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互 操作。,數(shù)據(jù)互操作,35,數(shù) 據(jù) 處 理,直接轉(zhuǎn)換：通過開發(fā)用戶轉(zhuǎn)換工具，由一種 空間數(shù)據(jù)格式直接轉(zhuǎn)換成VR系統(tǒng)所需的格式,數(shù)據(jù)互操作方法,VirtuoZo空間數(shù)據(jù) (DEM、XYZ),MultiGen空間數(shù)據(jù) (DED、DFD),CNSDTF空間數(shù)據(jù) 標(biāo)準(zhǔn),ArcInfo空間數(shù)據(jù) (TIN、Grid),36,數(shù) 據(jù) 處 理,間接轉(zhuǎn)換：即以一個(gè)公共的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)（如：CNSDTF）為橋梁，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)之間的共享,數(shù)據(jù)互操作方法,VirtuoZo空間數(shù)據(jù) (DEM、XY

11、Z),MultiGen空間數(shù)據(jù) （DED、DFD）,CNSDTF空間數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn),ArcInfo空間數(shù)據(jù) （TIN、Grid）,37,DED數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),38,DFD邏輯結(jié)構(gòu)框圖,39,參數(shù)設(shè)置界面,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊,投影轉(zhuǎn)換模塊,數(shù)據(jù)分析模塊,矢量數(shù)據(jù)互操作系統(tǒng),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊,投影轉(zhuǎn)換模塊,數(shù)據(jù)預(yù)處理 模塊,格網(wǎng)數(shù)據(jù) 互操作系統(tǒng),空間數(shù)據(jù)互操作的實(shí)現(xiàn),40,DED,選擇算法,建立地表模型,正射影象,地理坐標(biāo)紋理圖像,三維地貌景觀,DFD,分層輸入,選擇地物,選擇投影方式,Feature ID,Texture,Material,SMC,FLT,地 貌 景 觀,噴泉流水,樹

12、木花草,建筑模型,可視化 數(shù)據(jù)庫,近景攝影圖片,數(shù)字相機(jī),掃描數(shù)字化,數(shù)字圖片,Photoshop,糾正處理,其他來源圖片,輸出影像格式,紋理材質(zhì)庫,虛擬環(huán)境構(gòu)建|流程圖,41,虛擬環(huán)境地形建模,地形地貌生成,42,虛擬環(huán)境單體建筑模型,層次建模：對(duì)可視化數(shù)據(jù)庫進(jìn)行編輯和整理，利用層次建模方法重建圖書館的二維數(shù)據(jù)樹組織。使其結(jié)構(gòu)與實(shí)際的復(fù)雜模型的層次結(jié)構(gòu)相一致，清晰明了。便于模型的添加，修改、刪除等操作以及材質(zhì)、紋理的修飾。,43,虛擬環(huán)境單體建筑模型,多邊形簡(jiǎn)化：在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及盡量不損害圖書館模型的真實(shí)性的情況下，利用多邊形簡(jiǎn)化算法，對(duì)模型進(jìn)行多邊形簡(jiǎn)化工作，刪除一些次要的多邊形，減少模

13、型的數(shù)據(jù)量。,真實(shí)感模型生成：圖書館紋理來源于設(shè)計(jì)效果圖，經(jīng)掃描和圖像處理后，分別對(duì)圖書館的各部分進(jìn)行紋理映射。圖書館的頂部依靠對(duì)顏色和材質(zhì)的控制來表現(xiàn)真實(shí)的效果。由于圖書館左右兩部分是對(duì)稱的，可以先處理一部分，對(duì)另外的部分采用鏡像（Mirror）的方法來完成。,44,三維建模|圖書館三維模型,45,虛擬環(huán)境|城市仿真模型,利用轉(zhuǎn)入的DFD文化數(shù)據(jù)，將建筑群、道路、湖泊 等真實(shí)世界的信息，映射到地形地貌中去，然后賦 予它們相應(yīng)的紋理、顏色和材質(zhì)等物體表面的屬性。,46,虛擬環(huán)境 城市仿真模型,將特征數(shù)據(jù)中的經(jīng)度和緯度與地形顯示中對(duì) 應(yīng)的經(jīng)度和緯度聯(lián)系起來進(jìn)行匹配和映射。 將現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)融入到虛擬城市的三維地 形地貌環(huán)境中去。 對(duì)于單獨(dú)建立的實(shí)體模型，可以先讀出它們 實(shí)際的坐標(biāo)值，然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的經(jīng)緯度坐 標(biāo)，即（x，y）（ Lon ， Lat）， 再將 其映射到地形上，生成三維城市仿真環(huán)境模 型。,47,m：ObjectSpace TextureSpace T：Scre