基于ArcGIS的校园三维场景漫游关键技术研究与实现

2011-09-18郭海鹏李薇薇

长春理工大学学报（自然科学版） 2011年4期

郭海鹏，李薇薇

（1.长春理工大学，长春 130022；2.长春理工大学光电信息学院，长春 130012）

随着社会的进步和发展，单纯的依靠三维建模软件对场景的再现和漫游已经不能满足要求，人们的视点开始转向GIS技术。ArcGIS作为GIS基础软件的领军人物，功能强大、应用广泛，专门用于海量地理信息的处理，它能够基于校园周边的地理信息，快速的构建校园三维场景［1-2］。本文就基于ArcGIS创建三维校园时的关键算法、技术以及出现的相关问题进行探讨和研究。

1 关键技术和模型优化

1.1 碰撞检测算法

在虚拟校园中漫游时，须实时、准确地判断和虚拟物体是否发生了碰撞，这样用户才能感觉到虚拟对象是真实存在的。本文采用基于AABB包围盒的碰撞检测算法进行碰撞检测。

AABB包围盒满足如下条件：

lx,ux,ly,uy,lz,uz分别是该AABB包围盒在X、Y、Z坐标轴上投影的最小和最大坐标值。该算法的基础是空间直线与空间多边形的求交，可以判断在漫游过程中是否与地形或建筑物发生碰撞。其检测步骤为：

（1）获取人的视点为V。

（2）获取沿运动方向距离为d的点M。

（3）获取周围要素的长方体坐标范围。

（4）判断VM是否和周围要素是否相交，如果碰撞则采取规避措施。

（5）不碰撞的话，则可进行到下一个位置M。

1.2 漫游控制算法

本系统中的漫游控制采取移动视点的控制方式，具体分为以下三种：

1.键盘控制方式：用户通过键盘改变摄像机的x、y、z坐标，达到旋转、上移、下移、左移、右移等效果。同时，通过变更移动因子的大小，还可以达到加速、减速的效果。

2.自动漫游方式：采取沿路径飞行的方式进行自动漫游。步骤为：选择场景中路径要素，然后设置飞行时的参数（高度、视角、速度）来控制飞行过程中的视觉效果。

3.飞行漫游方式：调用ArcGIS中的“飞行”工具，可启动对场景的飞行漫游，然后可以用不同的速度沿任意方向移动。

1.3 空间测量算法

ArcScene没有提供三维空间测量的接口，无法直接获得三维空间中的距离。这里结合GDI+中的line方法，获取二维屏幕坐标，然后通过坐标转换，调用SceneGraph中locate方法获得该平面坐标点对应的三维地理坐标，最后通过计算得到线段的长度信息，并在屏幕中显示出来。屏幕坐标与空间地图坐标基于横向和纵向的系数相似比来进行如下转换：

窗口的高度和宽度用H、W表示。屏幕范围的高度和宽度用H′、W′来表示。x0、y0为地图起点坐标。 x、y为地图坐标。 x′、y′为屏幕坐标。

1.4 模型优化

1.多边形消减策略：多边形的面数和段数不但会增加模型的大小，而且会增加渲染的工作量，降低实时性和响应的及时性［3］。所以，在满足效果的基础上，应尽可能的减少模型的段数和面数，同时，去掉在漫游时永远不可见的面，比如建筑物的底面。

2.背面消隐技术：本系统是室外漫游系统，建筑物内部在任何时候都是不可见的，在3DS MAX中应指定背面消隐选项，跳过建筑物内部渲染。这将减少大约一半的渲染量。

基于物体的近似夹角来判断动态遮挡物：

3.纹理映射技术：本文在模型细节的刻画上一般采用纹理映射，在对应位置的多边形表面铺上纹理图片，用来代替详细的模型。纹理映射并不会降低场景的逼真程度，而且还可以极大的减少模型的多边形数目和场景复杂程度，提高图像绘制输出时的显示速度。对比效果如图1所示。

图1 科技大厦贴图前后效果对比Fig.1 The effect comparison diagram of the before and after chartlets of technology mansion

1.5 模型导入问题

1.模型导入损失：模型以3DS格式导入Arc-Scene后，有时会出现部分损失的现象（如镜像部分丢失等）。原因是3DS MAX克隆模型时选择“实例”和“参考”得到的结果在内存中只存有一个物理地址，多个物体显示时通过指针调用，但在导入到ArcScene中时，指针信息丢失，显示就会出现问题［4］。本文通过在3DS MAX下进行复制操作，实现模型在ArcScene中无损显示。对比效果如图2所示。