采沉区地形三维可视化人物视角研究

杨少强，张永彬,汲姣，刘佳丽

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009)

采沉区地形三维可视化人物视角研究

杨少强，张永彬,汲姣，刘佳丽

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009)

可视化；三维建模；虚拟现实

为了模拟真实地形，研究使用3Dmax建模技术对地形进行模拟建模，同时利用游戏地图模拟地形的思路将3Dmax建立的真实模型导入游戏场景中，实现视觉感官方面的虚拟现实。这种方式降低了代码编写强度，借助游戏内部的视角配置可以对地形进行全方位浏览。试验结果表明,这种思路效果良好，对地形可视化提出新的看法。

0 引言

可视化技术是利用计算机图形学和图像处理技术实现数据的转化，进而在计算机屏幕上显示数据处理结果，将隐含的数据处理信息以一种人眼可识别的图像信息呈现。目前，国内外可视化技术发展都比较快，其中在地形可视化方面主要还是GIS技术以及底层开发技术(例如利用Open GL图形库)。在国外，ESRI公司开发的ArcGIS技术已经比较成熟，可以实现二维、三维地形可视化分析，倾斜摄影技术也比较突出。国内比较成熟的技术包括超图公司的SuperMap技术，中地数码的MapGIS技术，灵图公司的VRMAP技术是国际上领先的三维地理信息系统平台，Discreet公司开发(后被Autodesk公司收购)的3Dmax软件致力于三维动画渲染和制作。目前三维可视化研究是一个热点，尤其在GIS地形方向：吴安湘[1]等人利用VRMAP平台以及三维建模软件3Dmax对二三维数据进行集成，实现了复杂地形可视化，并进行虚拟现实。张先为[2]利用OpenGL图形技术，采用不规则三角网(TIN)模型构建了三维地形，并进行纹理映射，实现真实地形可视化。谭冬生[3]等人为了研究滑坡三维可视化计算，利用OpenGL技术实现了滑坡动态模拟。曾照华[4]等人在研究人脸标准三维模型过程中，利用OPenGL技术导入了3Dmax建模软件建好的三维模型，实现了标准的人脸三维可视化。杨润[5]等人把3Dmax建模技术和三维GIS技术相结合，并利用了各自的建模优势，实现多角度、全方位的虚拟现实。

1 建模思路与技术路线

3Dmax技术在三维建模以及渲染方面优势比较明显，主要应用于三维游戏、影视以及广告等方面制作。利用3Dmax技术对地形进行建模首先要收集目标区域的高程数据(DEM)，高程数据作为生成地形的最主要数据，通过建模可以展现地形的高低起伏状态；其次是收集目标区的影像数据，影像位图作为地形的贴图，使得地形显示比较真实；最后是收集目标区域的线划图(DLG)，可以根据线划图中的数据对目标区域内部的建筑物、道路等建模。

3Dmax建模软件被广泛应用于大型三维游戏的制作，将模型以场景的形式展示在游戏中，本次研究地形建模后的模型数据作为场景数据展示在游戏中，以游戏人物的多视角对地形进行全方位可视化模拟。

游戏选择国产的真三维游戏“流星蝴蝶剑”，“流星蝴蝶剑”是昱泉国际公司在2002年发行的一款游戏，游戏是根据古龙的同名名著武侠小说改编而成，三维效果比较优秀，研究目的在于模拟真实地形，具体技术路线如图1所示。

说明:

(1)初始数据除了收集到的数字线划图数据以及影像数据外，模型包围盒作为场景的范围限制，必不可少；模型参照物是“流星蝴蝶剑”游戏的一个模型整体大小位置参照物，关系到整体模型的比例以及地形模型的显示。

(2)在格式转换过程中首先要注意的是模型必须进行贴图设计，另外在导出3DS文件过程中要保持MAX坐标，否则转化过程中会出现问题，需要为每个模型添加可编辑网格以及顶点绘制修改器。

(3)在导出游戏场景文件过程中使用3Dmax中MAX Script编辑器，计算所有场景模型(按照游戏地图格式写出相应文件)，并导出游戏地图所需文件。

(4)整理素材(DES、GMB、COB、PST文件以及贴图文件)，利用"流星蝴蝶剑"地图调入工具导入三维场景地图。

(5)在导入地图之前，需要为场景添加游戏人物(修改DES文件)，模拟地形浏览人员。

2 可视化体系及拟解决问题

2.1 可视化体系

真实地形的可视化需要对地形周围所有的地物进行建模，针对煤矿采沉区最主要的还是地形起伏的变化，其次是建筑物以及道路等实体，对采沉区的可视化研究就要尽可能地做好采沉区区域所包含的各类地物，其中可视化体系如图2所示。

2.2 拟解决技术问题

目前三维可视化发展比较迅速，国内出现智慧城市、智慧社区，把二维属性信息和三维可视化相结合效果明显，国外的倾斜摄影技术发展也比较成熟，通过对这几项技术的研究与比较，实现地形真实可视化需要解决2个主要问题：首先就是贴近现实，可视化需要展示地物的真实可视化效果，地物比例要与现实情况相匹配，做到形象感与真实感相结合；其次是可视化视角的确定，可视化视角对三维地形可视化至关重要，通过视角变化可以了解地形变化情况，是可视化实现的核心内容，实现视觉方面的虚拟现实。

研究选取3Dmax软件建模，在系统真实性方面选择2个主要技术手段：

(1)地形建模贴图实现效果真实

针对采沉区多类地物，系统建模需要针对每一个方面进行细致建模，建模过程中模型贴图可能出现紊乱，这就需要在建模完成后导出3DS格式文件，并进行网格编进和顶点绘制修改，如图3所示。在导出过程中可能中断，部分原因是场景中部分模型可能没有准确贴图；为了解决室外地形的显示效果，在地形模型外面添加一个长方体模型，并为长方体模型添加相应贴图，显示天空。

(a) 可编辑网格修改器 (b) 定点绘制修改器

(2)添加参照物实现地物比例匹配

为了能够成功做成实景地物，控制好模型的比例比较关键。在建模过程中，添加“流星蝴蝶剑”官方参照物，才能够同视角人物相匹配，使得建好的地形模型符合真实世界的比例。

地形可视化视角设计解决地图浏览问题：

游戏地图的浏览需要对假定人物的设定，这就需要对导出的DES格式文件(用记事本打开)进行了解，“流星蝴蝶剑”游戏地图内部地物排列以相对坐标呈现，每一个模型对应DES文件内部的一个物体模型(Object)，添加浏览视角时需要对导出的DES文件加以修改，主要是添加地形浏览人员以及其初始位置，人物同样作为一个模型展示在系统场景内部，如图4所示为添加人物模型简码，其位置作为相对位置可以改动。

图4 添加人物模型

3 建模可视化实例

研究选取了地形起伏比较大的承德市山区地形作为试验，使用对应的影像作为地形的贴图文件，本次实例中并没有添加其他地物，通过前面介绍的技术路线，对地形上面天空部分同样进行了贴图。地形DEM由线划图等高线生成，如图5所示为山底角度可视化效果，地图是真三维展示，可以控制游戏人物对三维场景内部的任意一个角落进行浏览。

4 结论

(1)以游戏人物作为第一视角对三维地形可视化浏览是可行的，借助“流星蝴蝶剑”的视角配置以及人物设定，在游戏内部进行虚拟现实效果良好，作为试验研究实例，并没有添加植物、建筑物以及公路等其他模型。

(2)针对比较复杂的采沉区进行类似可视化浏览，可以减少编程所使用的时间，但同时增加了三维建模的工作量，在煤矿采沉区添加地理实物进行可视化浏览是一种可视化思路。

(3)今后的研究重点在于如何实现快速三维建模，以减少整体的三维可视化实现问题，在采沉区范围内应该对重点塌陷积水区进行标记以及添加属性信息，以实现三维可视化与属性相结合。

[1] 吴安湘,林选妙,林志彬.基于VRMap+3D Max的复杂地形区域三维集成数据模型构建[J].科技创业月刊,2012(11):183-185.

[2] 张先为.基于OpenGL 的三维地形可视化研究[J].交通科技与经济,2008,10(02):75-76.

[3] 谭冬生,洪政,袁小龙,等.基于OpenGL 的滑坡三维可视化计算及动态模拟研究[J].铁道工程学报,2013(08):57-61+114.

[4] 曾照华,张永梅.基于OpenGL 的三维人脸标准模型[J].机械工程与自动化,2007(04):34-36.

[5] 杨润,刘悦翠.三维GIS 和3DMAX 相结合制作园林地形场景的应用[J].安徽农业科学,2008,36(02):550-553.

3D Visualization of Terrain of Mining Subsidence Area in Character's Point of View

YANG Shao-qiang, ZHANG Yong-bin, JI Jiao, LIU Jia-li

(College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

visualization;3D modeling;virtual reality

In order to simulate the real terrain in reality, the terrain is conducted simulating modeling by using 3Dmax modeling technology, and a real world created by 3Dmax is imported to the game scene by using the idea of the game map, the virtual reality in the aspect of visual sense is realized. In this way, the code writing intensity is reduced away, with the help of visual allocation in the game, the terrain could be browsed in all-around view. The results show that this research idea is effective ,and put forward a new view in the modeling of 3D visualization in mining subsidence area.

2095-2716(2016)02-0100-05

TP391.98

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