web環(huán)境下虛擬地理場景的實現(xiàn)

1、基金支持：高等學(xué)校博士點專項科研基金（20040319007）Web環(huán)境下虛擬地理場景的實現(xiàn)李榮梅盛業(yè)華王平閭國年(南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇南京210046)摘要：要：本文在對虛擬地理場景在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)的三種技術(shù)路線進行比較之后，采用Java3D模式的技術(shù)路線進行了開發(fā)實踐，設(shè)計實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬地理場景漫游系統(tǒng)原型，并討論了實現(xiàn)中的部分關(guān)鍵技術(shù)。重點介紹了整個系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和三維地形實時渲染的實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：關(guān)

2、鍵詞：網(wǎng)絡(luò)虛擬地理環(huán)境；Java3D；實時渲染中圖分類號：中圖分類號：P208，P391文獻標識碼：文獻標識碼：AWebImplementationofVirtualGeographicEnvironmentLiRongMeiShengYeHuaWangPingLuGuonian（KeyLabatyofVirtualGeographicEnvironment(NanjingNmalUniversity)MinistryofEducati

3、onNanjingJiangsuProvince210046P.R.China）Abstract:Abstract:AftercompareofthreewaysintheimplementationofWebBasedVierualGeographicEnvironmentwedevelopedamodelsystemusingJava3D.Thispaperpresentssomeofthekeytechniquesintheimp

4、lementationofthismodelemphasizesthesystemarchitecturehowwedotherealtimerenderingwkfvisualizingthethreedimensionterrain.KeyKeyWds:Wds:WebBasedVirtualGeographicEnvironmentJava3DRealtimeRendering1引言隨著地理信息科學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機圖

5、形學(xué)等學(xué)科技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬地理環(huán)境技術(shù)成為地理信息科學(xué)的一個新的研究熱點。虛擬地理場景是區(qū)域自然環(huán)境和社會經(jīng)濟環(huán)境的虛擬模型，它在強調(diào)地理信息使用者身臨其境之感受的同時，還追求超越現(xiàn)實的理解[1]。目前，在很多行業(yè)和部門如城市規(guī)劃，環(huán)境監(jiān)測，電信業(yè)，房地產(chǎn)市場，氣候模擬和軍事訓(xùn)練等，都出現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)虛擬地理場景的迫切需求。因此，對虛擬地理場景的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)問題進行相關(guān)研究具有重大的現(xiàn)實意義。虛擬地理場景是地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交

6、叉，而網(wǎng)絡(luò)虛擬地理場景則將網(wǎng)絡(luò)和虛擬地理場景這兩個前沿技術(shù)相結(jié)合，為數(shù)字地球的發(fā)展提供更大更廣闊的發(fā)展空間。筆者在對實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬地理場景三種主要技術(shù)路線進行比較的基礎(chǔ)上，選擇Java3D模式進行了系統(tǒng)原型的設(shè)計與開發(fā)。本文將對該原型系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)進行相關(guān)介紹，并著重說明系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和真實地形的實時表達技術(shù)。2實現(xiàn)的技術(shù)路線比較目前網(wǎng)絡(luò)虛擬地理場景的實現(xiàn)技術(shù)路線主要有這樣三種，分別是VRML模式、DOTOpenGL模式和Java3D

7、模式。VRML是VirtualRealityModelingLanguage的簡稱譯成虛擬現(xiàn)實建模語言。它通過傳送wrl的三維數(shù)據(jù)文件，通過網(wǎng)絡(luò)插件來完成wrl文件的播放[2]。DOT是一項微軟提出的革命性的技術(shù)框架。其核心技術(shù)包括分布式計算、XML、組件技術(shù)、即時編譯技術(shù)等[3]。OpenGL是輸出到圖形硬件的一個軟件編程接口界面[4]。它們二者的結(jié)合可以構(gòu)成一個比較優(yōu)秀的虛擬地理環(huán)境開發(fā)平臺。Java3D是Java語言在三維圖形領(lǐng)域

8、的擴展，是一組應(yīng)用程序編程接口（API），它可以大大提高Java三維的開發(fā)速度。但JAVA3D的低級API仍是依賴于現(xiàn)有的三維圖形系統(tǒng)，如Direct3D、OpenGL、QuickDraw3D和XGL等。JAVA3D從高層次為開發(fā)者提供對三維實體的創(chuàng)建、操縱和著色，使開發(fā)工作變得極為簡單。JAVA3D的這種體系結(jié)構(gòu)既可以使其開發(fā)的程序“一次編譯，到處運行”，又使其能充分利用系統(tǒng)的三維特性。因此它在網(wǎng)絡(luò)世界，特別是在網(wǎng)絡(luò)虛擬地理場景的實現(xiàn)

9、中必定會得到廣泛的應(yīng)用?；鹬С郑焊叩葘W(xué)校博士點專項科研基金（20040319007）本文考慮到解壓縮的實時性要求，采用了JPEG2000的壓縮[3]方式對地形和紋理數(shù)據(jù)進行了壓縮處理。JPEG是一種靜態(tài)圖像的國際標準壓縮編碼方式，以其通用性高、壓縮率高和恢復(fù)圖像質(zhì)量好得到了廣泛的應(yīng)用。JPEG2000的編碼方式的優(yōu)越性更體現(xiàn)以下幾個方面[4]，（1）改進的壓縮性能；（2）有損壓縮和無損壓縮的能力；（3）多分辨率支持和漸進傳輸；（4）可

10、嵌入的碼流。由于需要保證地形的精度，可以對地形數(shù)據(jù)進行無損壓縮；而對紋理數(shù)據(jù)進行有損壓縮，只需保證其視覺精度即可。除了對數(shù)據(jù)進行分塊和壓縮處理外，本文還對其進行了多分辨率處理。即每塊區(qū)域都具有不同分辨率下的多套數(shù)據(jù)，客戶端根據(jù)當前視點的位置來判斷不同區(qū)域所需數(shù)據(jù)的分辨率等級，然后向虛擬地理環(huán)境引擎發(fā)送數(shù)據(jù)請求，以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和客戶端運算量的壓力。所有數(shù)據(jù)均通過虛擬地理環(huán)境引擎異步下載，并緩存于客戶端。3.3地形的實時表達構(gòu)建一個優(yōu)秀

11、的虛擬場景，尤其是大規(guī)模地形的表達，離不開實時渲染技術(shù)，而且在保證實時性的同時還要創(chuàng)造出逼真、有說服力的虛擬地理場景，另外還有數(shù)據(jù)量和計算量的控制。系統(tǒng)實現(xiàn)時使用了基于LOD（LevelofDetail層次細節(jié)）的三維渲染技術(shù)來實現(xiàn)地形的實時表達，也叫多分辨率地形（MultiresolutionTerrain）渲染。它根據(jù)一定的規(guī)則來簡化物體的細節(jié)。在實現(xiàn)中，應(yīng)同時考慮視點與物點的距離和物點地形的復(fù)雜程度（一般為坡度）兩個因素來判斷是否

12、需要增加或簡化地形的細節(jié)。實現(xiàn)LOD的算法很多，本文中使用了ROAM(RealTimeOptimallyAdaptingMeshes，實時優(yōu)化自適應(yīng)網(wǎng)格）算法，它具有以下幾個方面的優(yōu)點[6]：●能很好的地運用USGSEDM的文件格式；●適合分布式仿真中大地形分塊加載；●可自由的設(shè)置分割閾值的條件；●可動態(tài)的改變每個網(wǎng)格；●可在渲染時控制每個網(wǎng)格的生成與否；●可以和紋理坐標很好的結(jié)合在一起；●可控制地形三角形的最大數(shù)目。該算法使用網(wǎng)格來對

13、地形進行分塊處理。初始化時，網(wǎng)格由兩個正二等邊三角形構(gòu)成，分別稱為基本左三角形和基本右三角形。采用這種規(guī)則三角網(wǎng)的好處是可以平衡地形顯示精度和數(shù)據(jù)量兩方面因素。算法使用二元三角樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄這些地形塊即三角形。樹中每個節(jié)點有五個指針，分別指向下鄰居、左鄰居、右鄰居、左孩子和右孩子，通過樹的深度來控制內(nèi)存中的數(shù)據(jù)量。細節(jié)的增加體現(xiàn)在對這兩個基本三角形的進一步劃分處理上，實現(xiàn)時體現(xiàn)在對節(jié)點的分割和合并處理，即增加孩子節(jié)點和刪除孩子節(jié)點兩

14、個操作。所有葉節(jié)點存貯需要渲染的三角形。實現(xiàn)時需要根據(jù)地形復(fù)雜度和視距的遠近來對場景中不同區(qū)域的地形使用不同的細節(jié)程度。為了同時考慮進這兩個因素，引入了一個可分辯視角的概念。如圖2所示，假定為樹中?ABC?的某節(jié)點，為AB的中點，其高程由B、C兩D?點線性內(nèi)插求得，D為所對應(yīng)的真實地物點，D?P為當前視點的位置。由此可知D為D點當前D?顯示高度和實際高度之差，可分辯視角便是這?個高差在P點所引起的視張角。當大于某一值?時，則認為該區(qū)地形