基于Creator的地形建模和仿真研究

赵建荣，江 浩

（第二炮兵工程大学，西安710025）

基于Creator的地形建模和仿真研究

赵建荣，江 浩

（第二炮兵工程大学，西安710025）

主要介绍了一种使用地形数据和相关地形信息，通过Multigen Creator软件生成地形场景的方法。并对Creator软件、地形数据转换以及地形模型生成与仿真等都做了详细讲述，最后使用Vega Prime和VC＋＋6.0等工具建立了视景仿真环境并进行二次开发，地形显示画面运行平稳，可视化显示视觉效果较好。

地形建模；数字高程数据；Multigen Creator软件；视觉效果；仿真

1 引 言

信息技术的迅猛发展使虚拟三维视景仿真技术得到了飞跃式的发展，在军事训练、人员培训、工业生产和灾难预警等领域得到了广泛应用。极大地推动了经济社会的发展，特别是在国防军事领域，军事斗争、装备试验和军事训练的需要，促使战场环境仿真更贴近实战，其重要性日益凸显［1］。

战场环境信息主要包括河流、树木、树林、高山、峡谷及人造建筑物，模型能够表现出高分辨率的细节信息和贴近真实的模型对象。而进行战场环境建模与仿真时，需要使用者能够恰当处理海量数据信息，减少模型渲染过程产生的巨大计算量［2］。

国内外研究人员对地形建模及其仿真技术已做了卓有成效的探索，通过使用LOD技术、选择地图投影模型、采用不同的地形转换算法等方法，结合计算机软硬件技术、图像显示技术，使得进行地形仿真建模和仿真研究成为一种比较成熟的工程手段［3－5］。

以Vega prime视景软件、Mutigen Creator三维建模软件、Global Mapper软件为基础工具，使用国际互联网上公开的地形数据及其航拍照片，采用LOD控制、纹理贴图等方法，完成了某省几十万平方公里区域的地形建模和仿真研究。仿真效果良好，纹理和地形匹配程度高，能够满足军事训练和仿真作战的需求。

2 地形可视化仿真建模

地形可视化仿真技术是一个繁杂的系统工程，无论从最初的仿真对象选定、图形图像处理能力评估到最终仿真系统的生产，这其中要经历相当多的中间过程，如地形原始数据收集、梳理和修改，不同数据格式之间的转换、处理，三维地形数据库的建立、优化，仿真系统的创建、调试和调整。

而在这个复杂的系统工程中，最重要的任务是建立三维地形数据库。通俗一点讲，三维地形数据库是一个包含了许多多边形的、能够近似展示局部地球表面特征信息的“地图”。实际工程中常常主要使用数字地面模型或数字高程模型（DEM），并采用高分辨率的航空摄影照片或卫星遥感数据，以及数字正摄影（DOM）的方法建立视觉效果真实的三维地形数据库［6］。

所谓的数字正影像（Digital Orthophoto Map，DOM）是使用数字高程模型对航空摄影照片或卫星遥感照片，进行逐像元辐射校正、微分纠正和镶嵌的平面图。DOM具有地图几何精度和影像特征，精度高、信息量大、创建周期短等特点，已普遍作为背景控制信息，广泛应用在工业生产、灾害防治和基础设施建设规划等领域［7］。

2.1 获得地形数据

创建地形数据库时，首先要收集地形数据库所必需的数据信息，并进行必要的格式转化，满足仿真系统需求。目前获得高程数据的方法很多，优缺点各异。使用直接测量的方法能够获得与实际地形较为吻合、准确度高的高程信息，但是这种方法也存在创建周期长、经费投入巨大的缺点。

因此，对于一般的用户受到经费和研究时间等因素的限制，不需要使用极高辨识度的地形信息，可以通过国际互联网免费开放的地理信息资源库获取用户所需的地形高程信息数据，来满足基本需要。例如，在http：／／data.geocomm.com／、http：／／datamirror.csdb.cn／（国际科学数据服务平台）可以免费下载ASTER GDEM全球30m分辨率的数字高程地形数据［8－9］。

2.2 高程数据格式转换

用户通过国际科学数据服务平台免费下载全球30m分辨率的数字高程数据，其生成数据格式为.img格式。而Creator软件不能直接打开.img格式的数据文件，需要使用Global Mapper软件的格式转换功能将该文件转换为DEM数据文件。

进入Global Mapper软件转换生成的DEM数据文件目录，键盘敲击cmd命令：

Readusgs文件名称.dem转换后文件名.ded

使用Creator软件自带的DED文件生成器可以将DEM高程数据转换为DED格式文件。诸如USGSSTOPO30、USGS STDS DEM等格式文件也能够被DED文件生成器读取并转换。具体转换步骤为：使用命令窗口执行完该条命令数秒后，会自动生成能够被Creator软件识别的.DED格式文件［10］。

2.3 选择地形转换算法

Creator提供了Ploymesh转换算法、Delaunay转换算法、Terrain Culture Triangulation（TCT）转换算法和Continuous Adaptive Terrain（CAT）转换算法四种不同类型的三角形化算法，用来将数字高程数据转换为地形模型数据［11］。比较每一种地形转换算法可知算法特征也很鲜明，其优缺点差异较大。

在转换中仅有一部分数字高程数据被直接转换为地形数据，参数的不同也会影响地形模型的结构和转换后的显示效果。在工程实际中需要综合考虑系统性能、兼容性、三角带化能力以及多边形数量等多种影响因素来选择适合的地形转换算法。

3 地形纹理制作与添加

3.1 地形纹理制作

纹理是指那些被映射在三维模型表面的二维图像，在不增加多边形数量的前提下使用纹理能够使模型获得真实的视觉效果。而地形纹理是指包含地形坐标信息的特殊纹理，利用所包含的地形坐标信息，地形纹理能够很好地匹配地形模型的多边形。

制作地形纹理时通常使用卫星图片或航空图片等素材。其中卫星图片具有较好的辨识度，能够直接反应真实的地貌特征，不需处理。而互联网上常见的卫星图片清晰度有限，需要经过专门处理。通过互联网上公开的卫星图片数据资源库能够获得并下载地球任意地理位置的图像，且分辨率极高。可以通过将较大面积的地形利用经纬度划分为若干个小地形，并分别制作地形纹理，再将小地形纹理“拼接”起来完成地形纹理制作［12］。

3.2 LOD控制

根据系统仿真需求可以建立不同的细节层次，这有效提高了多边形利用率，很好地解决了仿真渲染效果和实时性问题，使系统获得了更好的显示效果。在可视化仿真过程中，实时仿真系统根据当前视点距离模型的远近来选择使用不同细节程度的模型对象。视点距离越近，使用越复杂的LOD细节，反之亦然。

但复杂程度越高的LOD就会产生更多数量的多边形和三角形，在系统仿真时会生成大量的处理数据，大大增加了系统运行负担，会出现显示效果降低的现象。

4 模型优化与校正

地形模型由于其所含信息量大，在转换、生成过程中会产生一些显示失真、错位，从而在进行场景仿真时可能会出现跳帧、无法正常工作等现象。用户可以通过Creator软件对地形模型进行优化处理，以提高仿真渲染的逼真效果和实时性。

故需要使用Creator软件中工具箱的特定功能来修改和编辑地形特征数据，并对其进行移动、缩放、旋转等具体操作，使特征数据更加准确地映射在地形模型的具体位置上。

5 应用实例

三维地形建模的一般过程，如图1所示。

将用Creator软件工具制作场景中模型以及CTS生成的地景数据库加载到Vega Prime中，使用大地形管理模块（LADBM）进行管理，可采用Vega prime的GUI和VC2003.NET联合进行二次开发，完成场景的仿真实验。线程是进程内部的一个基本执行路径，可视为可执行代码的最小单元。它具有共享内存单元的特点，能够提高显示效果。因此，使用Vega Prime实现的场景管理调用是基于线程。

图1 三维地形建模过程

仿真系统的硬件平台环境为使用英特尔双核处理器，CPU 2.5GHz，内存为4G，显卡为NVIDIA GeForce GT 650M，显存2G，显示分辨率为1600× 900。在渲染漫游过程中祯画面比较流畅，基本上满足了仿真要求。

具体运行效果如图2所示。

图2 仿真运行效果图

6 结束语

随着虚拟现实技术的飞速发展，可视化视景仿真技术日臻完善，已被广泛应用在各种领域。特别是在国防和军事领域，地形仿真发挥了重要作用，将有更为广泛的运用。

结合某省三维地形的应用实例，讨论了地形建模和可视化仿真的过程和关键技术，针对地形仿真三维模拟环境特点，使用了一些卓有成效的优化技术和校正方法，具有一定的应用和参考价值。

［1］王扬，郭晨，章晓明.现代仿真器技术［M］.北京：国防工业出版社，2012－12－01.

［2］肖剑波，胡大斌，赵凯.面向船舶航行训练的大范围地形建模［J］.图学学报，2013（1）：128－132.

［3］姚凡凡，梁强，许仁杰，杜君.基于Vega Prime的三维虚拟战场大地形动态生成研究［J］.系统仿真学报，2012（9）：1900－1903.

［4］阎彬.基于Vega Prime的大地形视景仿真技术研究［D］.陕西：西安电子科技大学，2009.

［5］张蓉.基于MultiGen Creator的超大地形虚拟场景构建［D］.广东：华南理工大学，2011.

［6］MultiGen－Paradigm，Inc.Multigen Creator User’s Guide.Version 3.2 for Windows［Z］.U.S.A.：Multi Gen－Paradigm，Inc.，2001.

［7］蒋欣，陈鹰.DOM与DEM数据的管理和三维可视化［J］.测绘科学，2002（9）：40－43.

［8］邹冬冬，李兴玮.弹体飞行视景仿真系统设计与实现［J］.系统仿真学报，2013（8）：268－272.

［9］李晶.三维数字地球构建关键技术研究［D］.陕西：电子科技大学，2012.

［10］邢小平.利用Multigen CTS工具构造3D大地形［J］.电脑知识与技术，2011（22）：5455－5456.

［11］王乘，周均清，李利军.Creator可视化仿真建模技术［M］.武汉：华中科技大学出版社，2005－03－01.

［12］刘小江.超大地形三维模型设计与制作［J］.计算机仿真，2010（1）：24－26.

Study on Terrain Modeling and Simulation Based on Creator

ZHAO Jian－rong，JIANG Hao
（The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China）

Based on Creator software，the method，using terrain data and related information to simulate terrain scene，is researched.This paper mainly introduces Creator software，terrain date transformation and the whole process of terrain modeling and simulation.Finally，it establishes and develops the visual simulation environment on the basis of Vega Prime and VC＋＋6.0.The result of the experiment shows that it operates smoothly and has superior visual effect.

Terrain modeling；DEM；Multigen Creator software；Visual effect；Simulation

10.3969／j.issn.1002－2279.2014.06.014

TP391.9

：A

：1002－2279（2014）06－0047－03

赵建荣（1991－），男，甘肃武威人，在读硕士研究生，主研方向：虚拟现实、视景仿真研究。

2014－03－11