趙迪 陳哲夫 莫操湖 金古月

摘要：空間地形數(shù)據(jù)三維可視化進(jìn)程的關(guān)鍵在于適合3D模型的構(gòu)建。本文主要討論虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）在空間地形數(shù)據(jù)三維可視化進(jìn)程中的應(yīng)用，該語(yǔ)言可以基于Web使客戶端/服務(wù)器系統(tǒng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)海量地形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交互式3D地形渲染可視化，是一種3D虛擬世界描述的Web標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也闡述了VRML在構(gòu)建、訪問(wèn)和可視化3D地形模型中的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：VRML;3D模型;地形渲染;交互式

1引言

許多應(yīng)用程序，例如3D地理信息系統(tǒng)（GIS）、天氣模擬和飛行模擬等，其演示目標(biāo)是提供使用客戶端/服務(wù)器系統(tǒng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)海量地形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互式渲染[1]。對(duì)于感興趣區(qū)域，可能需要調(diào)用非常大存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)據(jù)集，但用戶可能僅需要完整地形模型的相對(duì)較小區(qū)域。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)的3D地形模型的實(shí)時(shí)交互式可視化，可以使用專(zhuān)用渲染服務(wù)器和定制客戶端程序的方法解決[2]。這樣，渲染由服務(wù)器程序完成，結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，以便在客戶端的用戶界面中及時(shí)展示。但是，由于服務(wù)器需要大量的計(jì)算資源，因此只能同時(shí)服務(wù)于少量獨(dú)立客戶端，因此對(duì)于許多應(yīng)用不可行。

還有另外一種方法可以以專(zhuān)有的3D圖形格式創(chuàng)建數(shù)據(jù)，用于通用3D可視化程序，例如SGI的OpenInventor或者3D GIS程序[3]，可以從標(biāo)準(zhǔn)FTP或Web服務(wù)器下載數(shù)據(jù)，然后將其加載到可視化程序中。在這種情況下，渲染在客戶端完成，相比服務(wù)器端渲染具有更強(qiáng)的可伸縮性。

本文主要探討后一種方法，但沒(méi)有使用專(zhuān)有的3D可視化程序和數(shù)據(jù)格式，而是研究虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）的使用。

2基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 地形模型

通常，三維地形模型由兩個(gè)基本部分組成：數(shù)字高程模型（DEM）和衛(wèi)星圖像、航空照片等地理空間數(shù)據(jù)。DEM是特定網(wǎng)格包含的高度值矩陣。通過(guò)連接DEM中的點(diǎn)，可以生成基于多邊形的地形3D。然后在DEM上覆蓋2D圖像以創(chuàng)建由紋理映射多邊形組成的3D地形模型，其中“紋理”指的是對(duì)多邊形著色的一組像素[4]。

紋理映射的替代方法是將顏色與多邊形的每個(gè)頂點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，然后使用插值算法為多邊形著色。但是，紋理映射需要減少要渲染多邊形數(shù)量的同時(shí)保持表面圖像的分辨率。為了減少足夠的計(jì)算資源以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染，應(yīng)該最小化多邊形的數(shù)量以支持多分辨率地形模型表示，具體為允許渲染引擎使用較低分辨率模型。此外，對(duì)于通過(guò)廣域網(wǎng)訪問(wèn)的地形模型，客戶端可以根據(jù)實(shí)際可用帶寬選擇不同分辨率。

本文采用數(shù)據(jù)集選用西洞庭湖附近一個(gè)30米分辨率的Landsat衛(wèi)星圖像和一個(gè)100米分辨率的DEM，圖像數(shù)據(jù)約為3000x3000像素。由于地形模型覆蓋較大區(qū)域，因此通常通過(guò)平鋪將其分塊，每個(gè)小塊足夠小以便進(jìn)行可視化處理。論文主要設(shè)計(jì)了一種基于小波算法的網(wǎng)格優(yōu)化算法，以最小化模擬地形的多邊形數(shù)量。該算法通過(guò)對(duì)高度值指定誤差容限以生成不規(guī)則網(wǎng)格，然后使用Delauney三角網(wǎng)創(chuàng)建一組多邊形。由此產(chǎn)生的不規(guī)則網(wǎng)格DEM更加稀疏，地形更加平坦或者平滑，并且在海拔變化快的區(qū)域更加密集。即使在最低分辨率下，渲染圖像仍然能夠顯示地形的主要特征。

2.2 VRML

VRML是一種用于編碼3D虛擬世界的Web標(biāo)準(zhǔn)，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)器和瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)，并使用查看器在客戶端上以交互方式進(jìn)行可視化。VRML 1.0標(biāo)準(zhǔn)提供的功能主要包括：（1）基本形狀，使用IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)對(duì)多邊形對(duì)象進(jìn)行編碼;（2）幾何，LOD允許在對(duì)象的描述中使用不同級(jí)別的細(xì)節(jié)，其中包含多邊形對(duì)象的頂點(diǎn)集;（3）材料，可以為每個(gè)頂點(diǎn)或多邊形分配顏色，可以將紋理粘貼到多邊形;（4）網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)功能，能夠訪問(wèn)其他Web資源，可以將超鏈接嵌入到網(wǎng)頁(yè)中。

VRML 1.0是一種實(shí)現(xiàn)3D模型的便捷方式，但有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：（1）只允許靜態(tài)定義，與Web趨勢(shì)不相容，相比之下，Java和Javascript的成功表明了這一點(diǎn)，它們?cè)试S更靈活和動(dòng)態(tài)的Web界面。此外，世界的靜態(tài)定義意味著客戶必須存儲(chǔ)和處理與整個(gè)世界大小成比例的信息，則迫使作者根據(jù)客戶端機(jī)器的有限內(nèi)存和CPU頻率，對(duì)使用者可以遍歷的VRML世界大小設(shè)置上限。另一個(gè)問(wèn)題是VRML對(duì)象浪費(fèi)大量帶寬。VRML 1.0專(zhuān)注于3D圖形對(duì)象的規(guī)范，很少考慮最小化下載的時(shí)間問(wèn)題。這兩種現(xiàn)象在表示大規(guī)模地形模型時(shí)尤其突出。

3基于VRML技術(shù)的地形3D可視化

實(shí)際使用中，VRML瀏覽器并未針對(duì)地形渲染進(jìn)行優(yōu)化，因此必須向?yàn)g覽器提供提示信息，以便在何時(shí)何地可以節(jié)省渲染工作。精心構(gòu)建的VRML文件可以增強(qiáng)瀏覽器的渲染性能，可以通過(guò)提供多個(gè)細(xì)節(jié)級(jí)別以及何時(shí)顯示詳細(xì)程度的說(shuō)明實(shí)現(xiàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)的網(wǎng)格優(yōu)化算法，可以較快生成多分辨率地形模型。因此，基于觀看參數(shù)，瀏覽器可以通過(guò)最小化地形模型渲染中多邊形的數(shù)量來(lái)提供更好幀速率的高質(zhì)量圖像。那么，地形模型必須首先拆分為可管理的切片，可以將其視為獨(dú)立的VRML世界。

地形模型的VRML文件具有許多內(nèi)置VRML功能，例如紋理貼圖和細(xì)節(jié)層次（LOD）。LOD節(jié)點(diǎn)用于通過(guò)在每個(gè)VRML世界中提供額外的內(nèi)部平鋪來(lái)進(jìn)一步細(xì)分地形模型。此平鋪的目的是允許為每個(gè)LOD節(jié)點(diǎn)提供不同分辨率的多個(gè)數(shù)據(jù)集就，這樣VRML瀏覽器就可以用適當(dāng)?shù)姆直媛输秩久總€(gè)LOD節(jié)點(diǎn)，使得遠(yuǎn)離用戶的節(jié)點(diǎn)以較低的分辨率渲染，從而減少渲染工作量。使用LOD節(jié)點(diǎn)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)瀏覽器時(shí)只需下載遠(yuǎn)端LOD節(jié)點(diǎn)的較低分辨率數(shù)據(jù)，從而大大減少啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)用戶在地形上移動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)需要下載更高分辨率的數(shù)據(jù)。

每個(gè)LOD節(jié)點(diǎn)包含四個(gè)子節(jié)點(diǎn)，用于四種不同的地形數(shù)據(jù)集分辨率。使用用戶指定的誤差容限A創(chuàng)建第一組，則分別以2A、4A和8A的容錯(cuò)級(jí)別計(jì)算第二，第三和第四數(shù)據(jù)集。然后，使用WWWInline節(jié)點(diǎn)指定每個(gè)LOD節(jié)點(diǎn)中四個(gè)分辨率級(jí)別中的每一個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有用于特定區(qū)域和分辨率的自包含VRML文件的URL。由于使用CGI程序動(dòng)態(tài)生成VRML文件，因此URL不指向VRML文件，而指向CGI程序以檢索相應(yīng)的VRML地形數(shù)據(jù)，以及有關(guān)邊界大小和位置的信息，瀏覽器決定WWWInline節(jié)點(diǎn)是否可見(jiàn)。

當(dāng)VRML瀏覽器激活其中一個(gè)WWWInline節(jié)點(diǎn)時(shí)，Web服務(wù)器會(huì)生成一個(gè)CGI程序，以動(dòng)態(tài)生成指定的VRML地形數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)作為小波系數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。CGI程序通過(guò)SQL命令訪問(wèn)該數(shù)據(jù)，并選擇小波系數(shù)的子集將其傳遞到重建算法以創(chuàng)建稀疏DEM，生成的多邊形信息在VRML文件中進(jìn)行重新編碼，然后生成文件被發(fā)送到客戶端進(jìn)行演示。

4實(shí)施問(wèn)題和結(jié)果

VRML瀏覽器旨在為用戶提供交互式3D環(huán)境。如果瀏覽器在高端圖形工作站上執(zhí)行，可以始終在屏幕上維護(hù)詳細(xì)且完全紋理映射的地形模型。但是，為了使瀏覽器在具有較低功能的客戶端上渲染復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)保持其交互響應(yīng)和合理的幀速，則必須使用計(jì)算要求較低的技術(shù)來(lái)渲染圖像。例如，為了避免CPU密集型紋理映射，當(dāng)用戶在地形上移動(dòng)時(shí)，瀏覽器可以通過(guò)使用Gouraud著色或者線框表示來(lái)渲染圖像。當(dāng)用戶停止移動(dòng)時(shí)，將在屏幕上呈現(xiàn)完全紋理映射的模型。但是，除了紋理貼圖外，大部分VRML瀏覽器只能進(jìn)行單色而不是彩色Gouraud著色，除非在VRML文件中提供彩色頂點(diǎn)，此種現(xiàn)象大約增加VRML文件大小的25%。

另一個(gè)問(wèn)題是雖然VRML規(guī)范建議使用GNU壓縮工具gzip來(lái)減少數(shù)據(jù)大小，但目前還沒(méi)有找到一個(gè)可以接受來(lái)自WWWInline節(jié)點(diǎn)內(nèi)CGI程序的壓縮VRML數(shù)據(jù)瀏覽器，這是使用CGI程序即時(shí)創(chuàng)建VRML數(shù)據(jù)的一個(gè)主要缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致演示過(guò)程中的長(zhǎng)時(shí)間延遲。如果所有VRML地形模型數(shù)據(jù)在客戶端本地可用，并且客戶端具有良好的圖形功能，則交互式探索的渲染性能和幀速使用VRML瀏覽器的地形模型效果良好，其中的關(guān)鍵問(wèn)題是：當(dāng)必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載數(shù)據(jù)時(shí)是否具有較高的延遲和低帶寬。

在VRML 2.0版本中，使用Java腳本可以動(dòng)態(tài)下載VRML世界，從而消除VRML 1.0的靜態(tài)限制，以適應(yīng)客戶端可用的帶寬和計(jì)算能力。為了減少VRML世界中多邊形的數(shù)量，可以只使用用戶可見(jiàn)區(qū)域的圖塊以及一些其他用于緩沖的圖塊，這樣可以移除超出一定距離的分塊來(lái)模擬地球曲率的影響。為了隱藏訪問(wèn)新分塊所需的延遲，可以使用緩沖區(qū)并嘗試預(yù)測(cè)用戶的動(dòng)作。緩沖區(qū)可以降低由前向和后向運(yùn)動(dòng)引起的場(chǎng)景圖調(diào)整頻率，使得客戶端有時(shí)間在用戶飛過(guò)該區(qū)域前準(zhǔn)備新的瓦片。通過(guò)使用腳本，還可以在客戶端動(dòng)態(tài)調(diào)整VRML數(shù)據(jù)，可以克服匹配不同分辨率LOD節(jié)點(diǎn)的邊緣問(wèn)題，大大減少需要下載的數(shù)據(jù)量。

5結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，仔細(xì)選擇VRML文件的結(jié)構(gòu)，包括使用傾斜技術(shù)分割大數(shù)據(jù)集、優(yōu)化不規(guī)則網(wǎng)格和紋理映射以減少多邊形的數(shù)量、LOD和WWWInline節(jié)點(diǎn)提供較低分辨率的數(shù)據(jù)集以及JPEG VRML文件的紋理貼圖和gzip壓縮的JPEG壓縮，都可以使用VRML 標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建地形模型，可用于適度的地形區(qū)域。

VRML 標(biāo)準(zhǔn)還可以為更大區(qū)域的地形模型可視化提供更好的性能。使用傳感器和Java腳本可以更有效地利用可用帶寬，通過(guò)更有效的數(shù)據(jù)預(yù)讀取來(lái)隱藏延遲并動(dòng)態(tài)加載新的地形模型，以便于動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)可視化的分辨率，為用戶提供具有不同渲染幀速的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

未來(lái)工作的另一種可能性是使用Java，特別是用于3D建模的新Java3D類(lèi)庫(kù)，優(yōu)勢(shì)在于可以使開(kāi)發(fā)人員更自由地控制3D世界，而使用VRML的優(yōu)勢(shì)在于觀眾已經(jīng)存在。理想情況下，VRML和Java3D的結(jié)合將提供可以通過(guò)添加Java3D模塊實(shí)現(xiàn)用戶自由定制的查看器。

參考文獻(xiàn)：

[1]王梅艷. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的歷史與未來(lái)[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備， 2007， 1： 108-110.

[2]丁劍， 魏昕等. 基于Web的虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與應(yīng)用[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)， 2009， 5（33）： 88-90.

[3]張巖. VRML技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真場(chǎng)景中的研究. 黑龍江科技信息， 2014， 27： 186-187.

[4]王鋼. 使用VRML技術(shù)構(gòu)建虛擬現(xiàn)代客廳. 科技信息， 2013， 22： 233-234.

作者簡(jiǎn)介：趙迪（1980- ） ，男，博士/講師，研究方向?yàn)镚IS空間數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)三維可視化。

通訊作者：陳哲夫，主要研究方向是地形數(shù)據(jù)可視化。