web環(huán)境下虛擬地理場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)

1、基金支持：高等學(xué)校博士點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金（20040319007）Web環(huán)境下虛擬地理場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)李榮梅盛業(yè)華王平閭國(guó)年(南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210046)摘要：要：本文在對(duì)虛擬地理場(chǎng)景在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的三種技術(shù)路線進(jìn)行比較之后，采用Java3D模式的技術(shù)路線進(jìn)行了開(kāi)發(fā)實(shí)踐，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬地理場(chǎng)景漫游系統(tǒng)原型，并討論了實(shí)現(xiàn)中的部分關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和三維地形實(shí)時(shí)渲染的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：關(guān)

2、鍵詞：網(wǎng)絡(luò)虛擬地理環(huán)境；Java3D；實(shí)時(shí)渲染中圖分類(lèi)號(hào)：中圖分類(lèi)號(hào)：P208，P391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(gè)新的研究熱點(diǎn)。虛擬地理場(chǎng)景是區(qū)域自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的虛擬模型，它在強(qiáng)調(diào)地理信息使用者身臨其境之感受的同時(shí)，還追求超越現(xiàn)實(shí)的理解[1]。目前，在很多行業(yè)和部門(mén)如城市規(guī)劃，環(huán)境監(jiān)測(cè)，電信業(yè)，房地產(chǎn)市場(chǎng)，氣候模擬和軍事訓(xùn)練等，都出現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬地理場(chǎng)景的迫切需求。因此，對(duì)虛擬地理場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。虛擬地理場(chǎng)景是地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交

6、叉，而網(wǎng)絡(luò)虛擬地理場(chǎng)景則將網(wǎng)絡(luò)和虛擬地理場(chǎng)景這兩個(gè)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(duì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬地理場(chǎng)景三種主要技術(shù)路線進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，選擇Java3D模式進(jìn)行了系統(tǒng)原型的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。本文將對(duì)該原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)介紹，并著重說(shuō)明系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和真實(shí)地形的實(shí)時(shí)表達(dá)技術(shù)。2實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線比較目前網(wǎng)絡(luò)虛擬地理場(chǎng)景的實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)譯成虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言。它通過(guò)傳送wrl的三維數(shù)據(jù)文件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)插件來(lái)完成wrl文件的播放[2]。DOT是一項(xiàng)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(jì)算、XML、組件技術(shù)、即時(shí)編譯技術(shù)等[3]。OpenGL是輸出到圖形硬件的一個(gè)軟件編程接口界面[4]。它們二者的結(jié)合可以構(gòu)成一個(gè)比較優(yōu)秀的虛擬地理環(huán)境開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Java3D是Java語(yǔ)言在三維圖形領(lǐng)域

8、的擴(kuò)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(kāi)發(fā)速度。但JAVA3D的低級(jí)API仍是依賴(lài)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(kāi)發(fā)者提供對(duì)三維實(shí)體的創(chuàng)建、操縱和著色，使開(kāi)發(fā)工作變得極為簡(jiǎn)單。JAVA3D的這種體系結(jié)構(gòu)既可以使其開(kāi)發(fā)的程序“一次編譯，到處運(yùn)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(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)

9、中必定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用?；鹬С郑焊叩葘W(xué)校博士點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金（20040319007）本文考慮到解壓縮的實(shí)時(shí)性要求，采用了JPEG2000的壓縮[3]方式對(duì)地形和紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮處理。JPEG是一種靜態(tài)圖像的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(gè)方面[4]，（1）改進(jìn)的壓縮性能；（2）有損壓縮和無(wú)損壓縮的能力；（3）多分辨率支持和漸進(jìn)傳輸；（4）可

10、嵌入的碼流。由于需要保證地形的精度，可以對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮；而對(duì)紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行有損壓縮，只需保證其視覺(jué)精度即可。除了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊和壓縮處理外，本文還對(duì)其進(jìn)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(hù)端根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)的位置來(lái)判斷不同區(qū)域所需數(shù)據(jù)的分辨率等級(jí)，然后向虛擬地理環(huán)境引擎發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和客戶(hù)端運(yùn)算量的壓力。所有數(shù)據(jù)均通過(guò)虛擬地理環(huán)境引擎異步下載，并緩存于客戶(hù)端。3.3地形的實(shí)時(shí)表達(dá)構(gòu)建一個(gè)優(yōu)秀

11、的虛擬場(chǎng)景，尤其是大規(guī)模地形的表達(dá)，離不開(kāi)實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，而且在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)還要?jiǎng)?chuàng)造出逼真、有說(shuō)服力的虛擬地理場(chǎng)景，另外還有數(shù)據(jù)量和計(jì)算量的控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了基于LOD（LevelofDetail層次細(xì)節(jié)）的三維渲染技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)地形的實(shí)時(shí)表達(dá)，也叫多分辨率地形（MultiresolutionTerrain）渲染。它根據(jù)一定的規(guī)則來(lái)簡(jiǎn)化物體的細(xì)節(jié)。在實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)同時(shí)考慮視點(diǎn)與物點(diǎn)的距離和物點(diǎn)地形的復(fù)雜程度（一般為坡度）兩個(gè)因素來(lái)判斷是否

12、需要增加或簡(jiǎn)化地形的細(xì)節(jié)。實(shí)現(xiàn)LOD的算法很多，本文中使用了ROAM(RealTimeOptimallyAdaptingMeshes，實(shí)時(shí)優(yōu)化自適應(yīng)網(wǎng)格）算法，它具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)[6]：●能很好的地運(yùn)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(dòng)態(tài)的改變每個(gè)網(wǎng)格；●可在渲染時(shí)控制每個(gè)網(wǎng)格的生成與否；●可以和紋理坐標(biāo)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(lái)對(duì)

13、地形進(jìn)行分塊處理。初始化時(shí)，網(wǎng)格由兩個(gè)正二等邊三角形構(gòu)成，分別稱(chēng)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?jī)煞矫嬉蛩?。算法使用二元三角?shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)記錄這些地形塊即三角形。樹(shù)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)有五個(gè)指針，分別指向下鄰居、左鄰居、右鄰居、左孩子和右孩子，通過(guò)樹(shù)的深度來(lái)控制內(nèi)存中的數(shù)據(jù)量。細(xì)節(jié)的增加體現(xiàn)在對(duì)這兩個(gè)基本三角形的進(jìn)一步劃分處理上，實(shí)現(xiàn)時(shí)體現(xiàn)在對(duì)節(jié)點(diǎn)的分割和合并處理，即增加孩子節(jié)點(diǎn)和刪除孩子節(jié)點(diǎn)兩

14、個(gè)操作。所有葉節(jié)點(diǎn)存貯需要渲染的三角形。實(shí)現(xiàn)時(shí)需要根據(jù)地形復(fù)雜度和視距的遠(yuǎn)近來(lái)對(duì)場(chǎng)景中不同區(qū)域的地形使用不同的細(xì)節(jié)程度。為了同時(shí)考慮進(jìn)這兩個(gè)因素，引入了一個(gè)可分辯視角的概念。如圖2所示，假定為樹(shù)中?ABC?的某節(jié)點(diǎn)，為AB的中點(diǎn)，其高程由B、C兩D?點(diǎn)線性?xún)?nèi)插求得，D為所對(duì)應(yīng)的真實(shí)地物點(diǎn)，D?P為當(dāng)前視點(diǎn)的位置。由此可知D為D點(diǎn)當(dāng)前D?顯示高度和實(shí)際高度之差，可分辯視角便是這?個(gè)高差在P點(diǎn)所引起的視張角。當(dāng)大于某一值?時(shí)，則認(rèn)為該區(qū)地形