毕业设计（论文）基于VRML的虚拟小区场景构建.doc

学号：20067101088 信阳师范学院华锐学院本科毕业论文专 业 计算机科学与技术 年 级 数学与计算机科学系 姓 名 论文题目 基于VRML的虚拟小区场景构建 指导教师 职称 讲师 2010年 5 月 6 日目 录摘 要1关键词1Abstract1Key Words2引言21虚拟现实技术21.1 虚拟现实技术概述21.2 虚拟现实技术在小区展示中的应用32虚拟现实建模语言42.1 虚拟现实建模语言42.1.1 VRML的发展52.1.2 VRML的核心原理和体系结构52.2 Directx与VRML开发技术比较62.3 VRML浏览器83虚拟小区场景的构建93.1 虚拟现实系统93.2 虚拟场景建模方法比较103.2.1基于几何建模技术(Geometry-Based Modeling)103.2.2基于图像的建模技术113.2.3混合建模技术133.3 建模分类及场景构建流程133.4 楼群建筑三维模型的建立163.4.1设计原则163.4.2模型建立163.4.3建筑物的二次建模方法173.5 植物模型的构建183.5.1十字交叉技术193.5.2大规模植物群实体创建技术203.6 环境模型的构建203.6.1天空的绘制203.6.2水的绘制214虚拟场景总体模型的整合及优化224.1 系统总体模型的整合224.2 系统总体模型的性能优化22结论24参考文献25基于VRML的虚拟小区场景构建学生姓名： 学号： 数学与计算机科学系 计算机科学与技术专业指导老师： 职称：讲师摘 要：虚拟现实是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术，是近年来十分活跃的技术研究领域。基于VRML的虚拟小区场景构建，旨在通过虚拟现实技术，构建小区的虚拟三维场景，从而使人们能够切身感受到小区展示过程中的特色和优越性。为销售商带来利润的同时也给顾客带来了满意。因此进行采用VRML构建小区的虚拟场景具有重要的现实意义和实用价值。本论文主要介绍了虚拟现实技术的相关知识和VRML建模语言的特点；分析和比较了虚拟现实应用的不同技术、虚拟环境建模不同方法；详述了构建小区虚拟场景的过程;最后实现了虚拟场景总体模型的整合以及性能优化。其中小区虚拟场景构建过程包括建立虚拟现实系统模型的总体结构，对不同种类的实体进行建模分类，构建楼群建筑三维模型、植物模型以及环境模型。关键词：VRML；建筑小区；场景构建；虚拟现实Abstract：Virtual reality is the 20th century, late 80s early 90s the rise of a practical technology, is very active in recent years, the technology research area. VRML-based virtual cell scenario building, designed by virtual reality technology, virtual three-dimensional scene constructed plot, so that people can personally feel the plot shows the characteristics and advantages of the process. Profitable for the vendor and also bring satisfaction to the customer. So to build communities using VRML virtual scene has important practical significance and practical value.This paper introduces virtual reality technology-related knowledge and VRML modeling language characteristics; analysis and comparison of the virtual reality application of different technology, virtual environment modeling different method; details constructing community virtual background; last virtual scene overall model of integration and performance optimization. Where community virtual scenes build process includes the establishment of virtual reality system model of the overall structure, different kinds of entities for modeling, 3D model construction of buildings, plant model and environmental models. Key Words：VRML；Building Community；Scene Building；Virtual Reality引言目前，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术在商业、航空、军事、制造业、工程建筑、医疗、地学可视化、教育、娱乐等方面都已获得了广泛的应用，是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多种学科而发展起来的90年代计算领域最新技术，也是当前IT业研究的热门课题之一。在商业上，VR技术成功地应用于广告宣传。VR广告比传统广告更容易制作和更改，也更具有感染力，广泛应用于产品展示、室内装潢设计等方面。把小区建筑及环境模拟成一个虚拟的动态实体，使我们可以很方便地在计算机上对模拟小区建筑及展房进行分析和研究，对小区建筑及展房进行更加合理与现代化的管理和设计。本论文的内容如下：首先介绍了虚拟现实技术的相关知识和虚拟现实技术在小区展示中的应用，其次分析了VRML建模语言的原理与特点，然后详述小区虚拟场景的构建过程，最后对虚拟场景总体模型进行整合和性能优化。其中小区虚拟场景构建过程包括建立虚拟现实系统模型的总体结构，对不同种类的实体进行建模分类，构建楼群建筑三维模型、植物模型以及环境模型。 1虚拟现实技术1.1 虚拟现实技术概述虚拟现实（Virtual Reality）是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术，是近年来十分活跃的技术研究领域，是汇集一系列高新技术的交叉学科，这些技术包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、仿真技术以及高度并行的实时计算技术，还包括人的行为学研究等多项关键技术。它是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境虚拟环境，可以真实的模拟现实世界可以实现的（甚至是不可实现的）物理上的、功能上的事物和环境。用户投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作、实践，与虚拟的环境交互作用。虚拟现实是多媒体技术发展的更高境界，是这些技术的更高层次的集成和渗透。它为人们探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律提供了极大的便利。由于它的诱人前景，一经问世就立即受到了人们的高度重视。有专家认为，80年代是个人计算机的年代，90年代是多媒体计算机的年代，21世纪初是虚拟现实技术的时代。简单的说，虚拟现实就是有交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或增强一种或多种感官反馈，从而产生一种精神沉浸于或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉。一个能够真正意义上实现虚拟现实的系统应当具有以下三个基本要素：1）能够给用户以三维立体的虚拟环境；2）应当给使用者第一人称的感觉，并有实时任意活动的自由；3）用户能够通过一些控制装置实时地操纵和改变用户所进入的虚拟环境。1.2 虚拟现实技术在小区展示中的应用房屋开发行业（需具体名称）是一个竞争激烈的行业，如何在客户心中留下良好的、深刻的印象是每个房开商竭力要达到的目标。目前房开商对建筑小区的推广措施不多，容易受天时、地利和人为因素的影响，不能在建筑小区构建的初期就给感兴趣的客户一个全面的介绍，另外，推广形式局限于传统的电视、广播、报纸和房交会等形式，不能适应人们日益形成的网络生活方式，即使有些开发商提供了网站，但多数以图片、文字和解说等为主，与客户的实时交互性不足，并不能在客户心中留下较深的印象，效果不好。而使用基于VR （Virtual Reality，简称VR）的Web 3D技术可以使建筑小区的推广达到快捷、方便、形象、高效等特点。利用虚拟现实技术可以创造一个能进入、能参与的虚拟世界，在其中可以任意创建任何虚拟物体，象建筑、城市、山脉、飞船、星体等对象，也可在虚拟空间中添加声音、动画，使之更为生动，更接近真实，使网上空间与浏览者更加接近生活。Web 3D技术是以VR技术为支撑，融合了网络传输、图形学、3D和数据库等技术而形成的一种新兴技术门类。建筑小区漫游系统使潜在客户可以通过网络24小时漫游虚拟建筑群落，避免了由于天时和地利等原因让潜在客户无法获得建筑小区未来发展框架等相关信息，特别是对那些无法亲自到现场参观的潜在客户来说，通过网络身临其境地参观建筑小区会给人们留下深刻的印象，人们可以不必亲临现场，只需在网上就能畅游其间，方便人们随时随地了解建筑小区的情况，在建筑小区构建初期就可以给潜在客户一个明确的概念，达到一种先入为主的效果，为将来的建筑小区出售带来许多便利。另外还可以尽可能地减少人力资源浪费和由于人员的原因造成潜在客户对建筑小区的认识产生偏差，并可有效地降低营销成本。漫游系统的访问方式基于B/S结构（即Browser/Server浏览器和服务器结构），与平台无关，其中，在SERVER端提供的VRML文件及其所用到的资源，如：声音、图象、动画等。CLIENT端可以通过网络下载希望访问的文件，并利用本机浏览器中的VRML插件形成虚拟现实场景。VRML文件数据量小，降低了数据的传输量，可以方便地在本地电脑中实现虚拟现实1。2虚拟现实建模语言2.1 虚拟现实建模语言VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言，是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言。也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界(Virtual World)。VRML的出现使得虚拟现实象多媒体和因特网一样逐渐走进我们的生活，简单地说，以VRML为基础的第二代万维网=多媒体+虚7拟现实+因特网。第一代万维网是一种访问文档的媒体，能够提供阅读的感受，使那些对Windows风格的PC环境熟悉的人们容易使用因特网，而以VRML为核心的第二代万维网将使用户如身处真实世界，在一个三维环境里随意探寻因特网上无比丰富的巨大信息资源。每个人都可以从不同的路线进入虚拟世界，和虚拟物体交互，这样控制感受的就不再是计算机，而是用户自己，人们可以以习惯的自然方式访问各种场所，在虚拟社区中直接交谈和交往。事实上，目前采用VRML技术取得成功的案例已经很多，例如探路者到达火星后的信息就是利用VRML在因特网上即时发布的，网络用户可以以三维方式随探路者探索火星。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等，是目前Internet上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言。2.1.1 VRML的发展VRML开始于20世纪90年代初期，1994年3月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出了VRML这个名字，至今发展历史仅有十几年时间。1994年10月VRML1.0，可以创建静态的3D景物，但没有声音和动画。它只有一个可以探索的静态世界。1996年8月VRML2.0，它在VRML1.0的基础上进行了很大的补充和完善。增强了静态世界、增加了交互性、动画功能、编程功能、原形定义功能。1997年12月VRML97，只是在VRML2.0基础进行上进行了少量的修正。1999年底VRML的新编码方案X3D整合正在发展的XML,JAVA、8流技术等先进技术，包括了更强大、更高效的3D计算能力、渲染质量和传输速度。2000年之后，VRML从此又进入了一个崭新的发展时代。2.1.2 VRML的核心原理和体系结构VRML是一种建模语言，也是一种描述Internet上交互式3D多媒体和共享虚拟世界的开放标准。VRML语言不是一般意义上象C+一样的编程语言，JavaScript一样的脚本语言或象HTML一样的标记描述语言。它是一种描述3场景中对象及其行为的场景描述语言。从概念上讲，每个VRML文件都是一个基于时间的三维空间，它包含了可通过多种机制动态变化的图形对象和听觉对象。VRML文件的一个重要特性是能够通过包含关系把文件组织在一起，并能够通过超链接把文件联系在一起。VRML用文本信息来描述三维场景，在Internet上传输，然后在本地机上由VRML场景浏览器解释生成三维场景，这种工作机制，避免了在网络上直接传输图形文件，把复杂任务交给本地机器从而减轻了网络的负担。使得在Internet上的三维交互成为可能。VRML的访问方式是基于客户/服务器模式，其中服务器提供VRML文件及支持资源，客户通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的VRML浏览器交互式访问该文件描述的虚拟场景，因为浏览器是本地平台提供的，从而实现了与硬件平台的无关性。VRML的应用框架如图21所示：图21 VRML的应用框架2.2 Directx与VRML开发技术比较DirectX并不是一个单纯的图形API，它是由微软公司开发的一套基于Windows系统的多媒体应用程式接口API，可以使你利用编程语言直接访问硬件层，也就意味着你可以开发高性能的游戏或三维场景。它包含有Direct Graphics(Direct 3D+DirectDraw)、Direct Input、Direct Play、Direct Sound、Direct Show、Direct Setup、Direct Media Objects等多个组件，它提供了一整套的多媒体接口方案，在3D图形方面的表现十分优秀。DirectX开发之初是为了弥补Windows 3.1系统对图形、声音处理能力的不足，而今已发展成为对整个多媒体系统的各个方面都有决定性影响的接口2。但对于本系统采用VRML进行开发仍有很多优势：(1)资源再利用程度高在VRML系统开发中，可以采用3Dmax作为建模工具，并且3Dmax对VRML的制作提供了较好的支持，大部分的VRML效果、交互都可以在3Dmax中完成，所以在MAX开发的模型、贴图等都可以在VRML的开发中使用；10(2)兼容多种3D文件格式作为唯一Web3D国际标准的VRML技术，得到了众多企业的支持，所以3Dmax、Maya等模型制作软件都支持VRML文件格式的输出；(3)场景大小无限制VRML技术支持各种前端的虚拟现实技术，与游戏3D引擎使用的技术一样，在VRML中使用LOD、动态多分辨率分块LOD技术、可见性选择、单象素对应等可以实现场景大小的无限制，同时可保证整个场景运行流畅；VRML内置数据库访问节点，在较大的场景系统开发中，VRML模型数据可以由数据库系统提供，这一点在数字地球计划、飞行数据可视化的开发中得到应用；(4)后期维护方便VRML文件格式为文本文件格式，可以直接在任何文本编辑软件中修改，VRML脚本为Javascript脚本，也是可以在文本编辑软件中编辑、修改的，方便现场调试和增加新的功能；另外VRML文件也提供二进制文件格式，文件大小约为文本格式的十分之一，可以由专业VRML开发软件再编辑、开发的。（注：VRML支持Java技术，同时也提供C等高级程序接口）(5)交互性强在VRML场景中通过交互节点可以实现与浏览者的实时交互，VRML提供Java、Javascript、Xml、Flash等网络对象的支持，VRML也支持MPG、Flash、Realplayer等流媒体视频格式；VRML场景的渲染是实时的，完全不同于关键帧三维动画，VRML支持雾、立体声、实时灯光渲染等特性，增加场景的真实感和用户的切身体验感；以下是VRML场景可以提供的部分常用交互方式：·提供飞行、行走、自动导览等浏览方式·碰撞、重力等动力物理学模拟·导航地图·背景音乐，语音提示·场景物体互动（开、关门等）·视频文件播放（.swf、.mpg、.rm格式支持）·网页链接；·三维场景切换·数据库访问(6)扩展性强VRML的开发是基于Internet环境的，所以Internet的新技术都应用到VRML技术的开发中，VRML支持Java、Javascript、Xml、Flash、MPG、Realplayer、SQL、GIS等技术，同时也提供高级开发语言接口，如C等；(7)开发时间短、效率高前面已经提到VRML是唯一的国际Web3D标准，各种三维模型制作软件都可以提供VRML文件的输出，没有中间的文件格式转换过程，同时VRML文件格式为文本格式，使用Javascript解释型脚本语言，使用文本编辑软件即可打开源代码进行编辑，可大大缩短程序开发、调试的时间；(8)可支持多种运行环境、视觉效果好VRML开发的场景浏览系统可运行在PC、MAC、Unix等机型上；同时支持各种主流操作系统；运行环境包括单机、局域网、广域网，也就是VRML场景系统经过简单修改甚至不需要修改就可以在各种环境中运行，这与前期的场景设计无关；VRML浏览器支持IE、网景等主流浏览器；支持Directx、OpenGL三维API，同时VRML浏览器内置硬件、软件渲染切换，在速度慢的计算机中，将自动降低场景特效，以保证场景浏览的流畅性。2.3 VRML浏览器VRML浏览器由3个主要部分构成：剖析器(parser)、场景图(Scene graph)、音视频的表示层(Audio/Visual presentation)。剖析器读取由服务器端传送来的VRML文件，并创建场景图，而场景图包括了事件处理引擎，它读取并修改路由图，以此确定场景随时间推移如何动态变化，最后把产生的音视频效果送给用户。目前可供用户选择的VRML浏览器很多，各个浏览器的特性也有较大的差异，不同的浏览器在实现对虚拟场景的浏览过程中的运行速度和渲染效果有很大的区别，对于开发人员来说了解各个VRML浏览器之间的不同之处，选择合适的浏览器，将有助于开发出具有更多兼容性的VRML程序。以下是几个比较典型的VRML浏览器：(1) Microsoft VRML浏览器Windows98自带的Microsoft VRML浏览器比较常见，对用户来说也最容易得到。Microsoft VRML浏览器的另一个优点就是可以直接浏览.wrl格式的文件，而无需相应的HTML文件，这一功能在开发端将是很受欢迎的。因为开发人员在设计了一个VRML程序之后，直接保存为*.wrl就可以进行浏览了，而无需再特地编写HTML代码。(2) Cosmo Player VRML浏览器Cosmo Player VRML浏览器是由Silicon Graphics公司的Cosmo(TM)软件部开发的一款VRML浏览器。根据2001年相关的统计结果表明，该浏览器是当时业界一种比较好、效率比较高的浏览器，和Microsoft的VRML浏览器相比较，Cosmo播放器要显得更加专业一点。通过Cosmo Player的控制面板可以方便地在Movement(运动行走)模式和Examine(审视观察)模式进行切换，而且它的兼容性、质量、速度和扩展能力方面均居于领先地位。(3)Cortona VRML浏览器Cortona VRML浏览器是Parallel Graphics公司针对微软IE和Netscape浏览器设计的VRML浏览器插件。这是目前比较好、使用广泛的一种浏览器，该浏览器提供了一个方便的在虚拟世界中漫游的操作面板。操作者可以利用它自由控制虚拟替身在虚拟环境中实现漫游(walk)、飞行(fly)和查看(study)三种模式。每一种模式有几种选项：行走(plan)、直线滑动(pan)、旋转(turn)和倾斜(roll)。三种模式与不同的选项组合就会产生不同的浏览模式。Cortona浏览器不仅能很好地支持VRML2.0,NURBS，而且还提供键盘输入、拖放控制、flash等多种扩展功能，提供了用于和外部进行交互的接口，在场景显示区还可以点击右键进行功能设置。同时Cortona浏览器短小精干，操作简便，渲染效果比较好。本文选用Cortona浏览器作为浏览VRML场景的插件。3虚拟小区场景的构建3.1 虚拟现实系统一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成，即人们可以通过视觉、听觉、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。在虚拟现实的定义中强调两点：(1)计算机生成的虚拟世界(环境)必须是一个能给人提供视觉、听觉、触觉、嗅觉以及味觉等多种感官刺激的环境。(2)虚拟现实系统实质上是一种人机交互系统，而且是一种高级的人机交互系统。根据虚拟现实的定义我们可以看出，一个典型的虚拟现实系统主要包括五大组成部分：即虚拟世界、计算机、虚拟现实软件、输入设备和输出设备。虚拟现实系统的结构可以用如图3-1所示：图3-1 虚拟现实系统的结构创建虚拟现实系统的主要工作之一是运用三维场景建模技术在计算机中生成逼真、等同现实世界的虚拟场景。出于人的信息感知主要来源于视觉，而虚拟世界是否能尽可能逼真的还原现实，直接影响整个虚拟现实系统的沉浸感，因此，三维场景模型构造在整个系统中占有非常重要的地位。 3.2 虚拟场景建模方法比较3.2.1基于几何建模技术(Geometry-Based Modeling)几何建模技术(Geometry-Based Modeling)是一种传统的构造三维虚拟场景的方法。它实质上是利用现有的三维造型软件，人工对虚拟实体和虚拟环境的外观进行建模。这些三维造型软件一般采用图形化用户界面，隐藏了三维实体底层表达形式以及光照、消隐、纹理等提高真实感的复杂实现过程，让用户在设计过程中就可以从视觉上直观地观察物体的具体形状。除了专业三维建模软件，目前有许多针对虚拟现实技术应用而开发的WEB3D图形制作工具，可以进行简单形体的建模和大规模场景的集成。这些软件一般都具有下列功能：(1)建立或编辑三维场景模型(2)增加或改进Wed3D图形的图像质量(3)增加Wed3D图形的交互性(4)压缩或优化场景模型文件的大小(5)文件加密等功能。这些建模软件都具有如下优点:(1)构造的三维模型精细，准确；(2)模型具有可操作性，便于用户与虚拟实体的交互。其不足之处在于：(1)整个建模过程繁琐，工作量大；(2)扩展性差。模型一旦建立就基本固定下来，如需改动或者扩展，就得找原来的创作人员；(3)场景的复杂度及逼真度受到制约。因为虚拟场景的真实感是建立在几何物体表面材质的光照模型基础上，它的阴影和纹理需要配以图形加速性能的专用硬件才能绘制出来。3.2.2基于图像的建模技术三维建模是虚拟现实系统的关键，而所用的成本是比较高的，特别是大型建筑场景则需要更多的工作量。为解决这个问题，近几年国外出现一种新的建模技术：照片建模技术(IBMR即Image-Based Modeling)。对建模对象实地拍摄两张以上的照片，根据透视学和摄影测量学原理，标志和定位对象上的关键控制点，建立三维网格模型。它实质上是利用预先生成的一些图像或者环境映射图，来实时生成不同视点的场景画面。采用这种建模技术可以实现普通计算机上的真实感图形绘制，它主要用于重现已有的建筑物场景和三维实体3。同几何的建模、绘制技术相比，其主要优势在于：1）图形绘制速度独立于场景复杂度，只与所产生的画面分辨率有关；2）预先存储的图像既可以是计算机生成的又可以是实际拍摄的照片，而且两者可以混合使用；3）对计算机的资源要求不高，因而可以在普通工作站和个人计算机上实现复杂的场景的实时绘制；4）实现速度很快，特别适用于还原现实存在的实体。基于图像的虚拟现实场景可按照以下几个步骤创建:（1）有效地获取模型数据这实际上是一个“实物虚化”的过程。它的基本原理是利用摄像或扫描的手段来创建虚拟环境中的物件和对象。原始图像信息一般通过以下三个途径获得：计算机绘制、用全景照相机拍摄、用普通数码相机拍出一系列相互重叠的照片。（2）图像的插补与整合插补就是利用己知视点的照片，通过插值计算获得另一视点的照片。整合就是将同一视点不同视角下的照片拼接起来，它要求两副图像具有一定比例的区域重合。拼接的关键在于找到相邻图像的重合部分，常用手工定位调节、自动拼接这两种方法实现重合部分的定位。手工定位通过拖动鼠标来实现，自动拼接技术是建立在重合区域光强差值为零的原理基础之上。（3）调度与重投影。从计算机储存的一系列全景图中寻找与当前视点相对应的存储视点和全景图，并将沿当前观察方向可以看到的那一部分全景图像送到缓冲区，最后调用重投影模块将其投影到中间平面以便于观察。目前有很多软件可以实现基于图象的建模，如Canoma，Photo3D，PhotoModeler，ImageModeler等。此类软件的使用技巧如下：1）寻找和标识建模对象关键点，复杂曲面则需要数量较多的关键点；2）拍摄1-4张以上的照片，相机的位置不限，但关键点要拍摄清晰，在同一拍摄位置应尽可能包含多的关键点；3）把拍摄的照片输入到软件中，使用软件提供的手段定位关键点，构建三维网格模型；4）把照片上拍下的2D图像作为材质贴图贴在模型的表面；5）模型输出所需的文件格式，如WRL。MetaCreations公司的Canoma是比较早推出的软件，适用于由直线构成的建筑物。REALVIZ公司的ImageModeler是第二代产品，可以制作复杂曲面物体。这种高效率的基于图像的虚拟现实建模技术有广泛的应用前景，它尤其适用于那些难以用CAD方法建立真实感模型的自然环境，以及需要真实重现环境原有风貌的应用。可应用于产品展示、飞机模拟、交互式游戏、虚拟博物馆及景观导游等虚拟现实领域。3.2.3混合建模技术由于基于图像的建模方法只能向用户提供一个虚拟环境。在这种虚拟环境中，实体是纯虚拟的对象，几乎不可能实现与它们的交互。而用户希望与之产生交互作用的场景对象必须是几何模型实体，因此需要进行混合建模。现在三维建模与Wed3D图形的制作工具混合建模技术的主要难度在于以下几个方面:（1）透视关系匹配：混合建模技术中的几何实体对象与IBMR(Image Based Modeling andRendering)对象在虚拟环境中的空间关系和透视匹配，这实质上是如何校准虚拟世界坐标系和现实世界坐标系；（2）真实感匹配：即混合建模技术中几何实体对象与IBMR对象在虚拟环境中的亮度及阴影的光照匹配；虚拟环境建模技术是虚拟现实技术的研究重点，构造真实感强、逼真度高、实时渲染快速的虚拟场景是虚拟现实建模的理想要求。因此，在虚拟现实系统的模型构建中，采用混合建模技术作为三维场景模型建立的最主要的建模方法。3.3 建模分类及场景构建流程建模过程中对于不同种类的实体采用不同的建模方式非常重要，恰当的选择不仅可以达到逼真的效果，而且可使场景中的模型复杂度大大降低，提高帧速率。虚拟现实系统模型建立的总体结构图如图3-2所示。图32 虚拟场景模型分类总体结构（1）建筑物建模在虚拟环境中，做为主体的楼群建筑应该采用三维模型;对于外形轮廓接近矩形的真实存在的建筑物，则可以采用事先拍摄的该楼群建筑各个立面的照片作为纹理，贴在建筑模型的外表面，或者利用IBMR技术生成建筑物模型，这样可以减少场景模型的总尺寸，提高场景读入的速率，但逼真度将会略低于真实的三维模型建筑，无法反映建筑物细节。而对于现实不存在的建筑物建模应用二次建模方法可以极大减少模型尺寸。二次建模方法在下一节详细介绍。（2）大量重复物体的建模场景中存在大量重复物体，如树木、路灯等。如果采用真实模型树，将使场景因模型尺寸庞大而影响虚拟环境的实时性能。对于植物模型比较有效的方法是十字交叉、Billboard技术和建立PROTO原型。（3）地表建模地面模型应根据地图、地形数据或道路规划图建模，以便正确表示场景的地形、路网、水域和其它建筑信息等。（4）天空建模传统的三维动画软件中的“背景贴图”只适应于视角固定的情况，影响真实感。虚拟环境中的天空应采用半球面或圆柱面+半球面模型，并在天空模型的内表面采用纹理映射产生全天候天空背景。（5）虚拟环境中的人物与运动物体人物作为陪衬，在静态的建筑效果图中得到了广泛的应用。在虚拟环境中，人物对于表现规划设计方案同样起着重要的作用。出于人物不作为主要反映对象，因此无需采用实体建模技术，那样会增加三维场景的实时处理负担，所以对于人物可采用Billboard方式。对于自主运动的车辆则可以采用自主运动的三维模型。构建虚拟场景漫游系统总体模型主要需要两种数据，即三维空间数据和真实影像数据，具体包括建筑物平面和高度数据、纹理数据及DEM数据等。所以在构建系统总体模型之前，需要对三维空间数据和真实影像数据进行前期准备和处理。虚拟场景漫游系统的数据处理程序如图3-3所示。图33 数据处理流程数据获取是虚拟场景模型构建中非常重要的工作，为保证虚拟模型真实显示和正确的空间分析，本课题采用如下的数据采集方案。1）采用数字化的方法从平面图上获取地理坐标；2）对建筑物的侧面纹理采用地面摄影由计算机生成的办法，在摄影过程中尽可能仅获取具有不同纹理的建筑物侧面纹理，对于纹理相同或相近的建筑物由计算机根据摄影纹理生成；3）通过建筑设计图获取各个建筑物的高度；4）DEM数据可以通过航测影像采用较精确的方法获取；5）对建筑物的三维几何特征数据(如屋顶形状等)，可以通过建筑设计图进行提取。根据平面地形图、规划设计图以及摄像相片等资料获取所需的矢量数据以及纹理数据之后，则可以构建虚拟楼群建筑模型以及地形模型等场景。3.4 楼群建筑三维模型的建立3.4.1设计原则楼群建筑是重要的建模主体对象，而且数量很多，为了较好地实现对楼群建筑的建模任务，可以根据实际情况确定其设计原则：1）为了取得较真实的效果，现实存在的楼在虚拟环境中都应该予以建模；2）尽可能采用虚拟现实技术中的Inline节点及原型机制简化程序代码，减轻浏览器负担，提高场景的浏览速度；3）楼群建筑模型应该从交互需求上分类，可针对性的对重点楼群做细化场景。这样，可以从细化程度上将楼群分为：不能进入的楼群、能进入但是无细化场景的楼群、能进入且具细化场景的楼群；4）根据楼群建筑的外观与结构对楼群进行分类，确定构造模型，对外观和结构同样的楼群采用同一个构造模型4。3.4.2模型建立在本课题中楼群建筑模型的建立采用的是混合建模技术，即先采用几何建模方式建立虚拟楼群建筑的三维实体模型，然后通过图像建模技术对楼群建筑进行纹理映射。其具体的楼群建筑模型建立的步骤是：首先根据现有的地形图的地理信息，利用三维建模软件3dmax建好地表以及所有楼群建筑的模型，并将其作为一个整体，以*.max格式保存下来。这样做的主要原因是所有楼群建筑模型之间以及建筑模型与地表之间的相对位置必须符合地形图，所以建筑模型必须直接插到地表的相对应的坐标位置。考虑到楼群基本是属于规则区域，其模型的侧面可以由楼群建筑的地形网格边界进行拉伸形成。其次由于建筑模型的纹理各不相同，需要根据不同的面片进行相应的纹理贴图，所以，需要将每一个建筑模型进行面片分解，将模型的前侧面、后侧面、左侧面、右侧面以及顶面通过3Dmax的Edit Mesh功能实现面片分解，再分别对每一面片分别进行纹理材质贴图。再次为了要实现整个系统在较多模型的情况下而不影响系统的实时性能，所以将每一个建筑模型作为一个整体单独输出，其导出格式为*.WRL，方便下一步在虚拟现实编辑器中对楼群建筑文件进行编辑、修改和优化。最后，利用VRMLPAD对所有导出的*.WRL文件进行编辑和修改等操作。对楼群的建模主要是利用VRML的几何节点和外观节点来完成的。在楼群建筑模型建立的具体方法上，有以下三种方式：Box基本造型建模、Extrusion节点拉伸造型建模、IndexedFacedSet节点面造型建模。表3-1即是对这三种建模方法优缺点的比较。表3-1 几种建模方法的比较建模方法优点缺点Box基本造型建模适合于规则实体建模，建模方法简单冗余面多，不适合于不规则实体建模Extrusion节点拉伸造型建模对轮廓线上点较多且高程相等的实体建模简单，手工编写代码较为简单无法直接对各部分高度不等的实体建模，无法进行分面纹理贴IndexedFacedSet节点面造型建模无冗余面，有利于分面进行纹理贴图，以建立具有高度真实感的三维场景模型编写代码较复杂，对点的索引容易出错，数据量大在具体的模型建立过程中，对于规则建筑楼群，采用Box基本造型建模；对于不规则的楼群建筑，则采用Extrusion节点拉伸造型建模；最后以IndexedFacedSet节点面造型建模方法实现系统模型的优化，以建立高真实感的三维场景模型。在本课题中采用ImageTexture节点来为空间造型指定表面贴图。该节点采用“url"域用于指定造型表面材质贴图的地址列表，其中优先级从高到低地排列。浏览该VRML文件时浏览器将从列表中给出的第一个地址开始依次打开各个地址，自到找到并打开有效的材质贴图并指定到造型的表面上去。其缺省域值是一个空的URL地址列表。url域值可以通过事件输入接口set url进行重新设置:新的url域值通过输出接口url_changed传送出去。由此通过“url"域的设置，可以实现纹理贴图的转换，而无需改变或重新设置建筑模型的外形数据。3.4.3建筑物的二次建模方法精细建模因文件量过大会导致网络传输和绘制困难，而用数码相