1、1,第八章 虚拟城市建模技术,81 虚拟环境建模概述 82 虚拟环境建模的特点 83 虚拟环境中虚拟实体的表现形式 84 虚拟环境几何建模技术 85 虚拟环境物理建模技术 86 虚拟环境行为建模技术,2,81 虚拟环境建模概述,（1）精确度 （2）显示速度 （3）易用性 （4）广泛性,评价一种建模技术的主要指标,3,82 虚拟环境建模的特点,（1）实体的广泛性。虚拟环境中有非常广泛的实体对象，往往要构造不同类型的实体。 （2）实体行为的独特性。虚拟环境中有些实体须有其自己的行为，而其它图形建模系统一般只是构造静态的物体，物体的行为往往是比较简单的平移或旋转等。 （3）交互性。虚拟环境中的实体须
2、能够对观察者做出反应。当观察者与物体进行交互时，物体须以某种适当的动作来响应。,虚拟环境建模的特点,4,82 虚拟环境建模的特点,（1）可重用性。 （2）在对虚拟环境进行交互时，模型应能提供某种暗示，使得交互可以按观察者的意图进行。 （3）在构造物体的几何结构时，必须充分考虑到是否有利于表现物体的行为。,虚拟环境建模特点对建模技术和软件的特别要求,5,83 虚拟环境中虚拟实体的表现形式,（一）视觉外形 （二）物理特征 （三）实体信息 （四）环境信息,6,83 虚拟环境中虚拟实体的表现形式,（一）视觉外形,虚拟环境中每个仿真对象都包含形状和外观两个方面。物体的形状由构成物体的各个多边形、三角形及
3、顶点来确定；物体的外观则是由表面纹理，材质，颜色，光照系数等决定的。 仿真对象的外观特性主要由表面反射属性和表面纹理来决定。表面反射特性需考虑光源的位置和类型；纹理则能大大增强物体的细节层次和真实感。,7,（一）视觉外形,8,（一）视觉外形,9,83 虚拟环境中虚拟实体的表现形式,（二）物理特征,虚拟实体的物理特征包括定义实体的质量、重量、惯性、表面纹理、光滑或粗糙、硬度、形状改变模式等等。 物理特性与几何建模和行为规则结合起来，形成更真实的物理模型。,10,83 虚拟环境中虚拟实体的表现形式,（三）实体信息,实体信息包括实体的动力学特征、视觉特征、听觉特性等多种方面。在虚拟城市中的实体信息，
4、常用的包括实体的地理位置、方位、外部特性、姿态、运动速度等。如飞机、滑翔机等飞行器在空中六自由度运动的动力学描述，汽车在道路上和地形起伏地区运动的动力学特征描述等。,11,83 虚拟环境中虚拟实体的表现形式,（四）环境信息,在虚拟城市中，环境信息包括城市地形地貌、气象条件、光照等环境的信息。,12,84 虚拟环境几何建模技术,（一）对象形状 对象的图形通常可以通过对三维物体的表面的测试得到离散三维数据，然后将这些数据用多边形描述从而构造得到对象的多边形描述。 （二）对象外表 虚拟实体对象的外表的真实感主要取决于它的纹理和表面反射。以前，提高一个对象真实感的主要办法是增加物体的多边形细节。在需要
5、实时仿真时，增加多边形细节会使图形处理速度变得缓慢。,实体对象的特点,13,84 虚拟环境几何建模技术,（一）层次（Hierarchy）建模方法 （二）属主（Clone）建模方法,几何建模技术方法,14,84 虚拟环境几何建模技术,（一）层次（Hierarchy）建模方法,层次建模方法利用树形结构来表示实体的各个组成部分，即可以表示成分层结构。 可以使用自顶向下的方法将一个几何对象分解，也可以用自底向上的构造方法对几何对象进行重构。,15,84 虚拟环境几何建模技术,（一）层次（Hierarchy）建模方法,16,84 虚拟环境几何建模技术,（一）层次（Hierarchy）建模方法,实 例,1
6、7,84 虚拟环境几何建模技术,（一）层次（Hierarchy）建模方法,实 例,18,84 虚拟环境几何建模技术,（二）属主（Clone）建模方法,属主对象建模的思想是让同一种对象拥有同一个属主（或称为母体），属主包含了该类对象的详细的结构和属性特征。当要建立属主的一个实例时，只要复制指向属主的指针就可以了。,19,84 虚拟环境几何建模技术,（二）属主（Clone）建模方法,（1）简单高效：同一种物体的结构只要建立一次，且被克隆的对象不占用内存空间，提高了系统的显示效率。 （2）易于修改：修改一种对象时只需修改好它的属主，被克隆的对象可以自动继承下属主被修改的部分。 （3）一致性好：由于继
7、承性，不可能出现属于同一个属主的多个对象实例不一致的结构。,20,84 虚拟环境几何建模技术,（二）属主（Clone）建模方法,Clone,21,84 虚拟环境几何建模技术,（二）属主（Clone）建模方法,Clone,Clone,22,84 虚拟环境几何建模技术,人工几何建模方法,如3DS、3DMAX、Creator、Maya等建模软件,23,84 虚拟环境几何建模技术,半自动的几何建模方法,三维扫描成型技术 ，如Cyrax 2500 等,24,84 虚拟环境几何建模技术,半自动的几何建模方法,三维扫描成型技术 ，如Cyrax 2500 等,25,84 虚拟环境几何建模技术,半自动的几何建模
8、方法,基于3D Scanner的方法:,26,84 虚拟环境几何建模技术,半自动的几何建模方法,利用三维扫描仪，获取彩塑的精细几何模型。,27,技术路线,技术路线,28,数据来源,数 据 获 取,高清晰度航空像片高分辨率卫星遥感像片GIS数据（DEM，TIN，SHP等）建筑三维结构模型数据数字摄影相片,29,虚拟城市典型示范区数据源,仙林新校区,仙林地区1：5000地形 图 仙林地区1：21000彩红外航空象片 仙林校区1：1000校园平面设计图 仙林校区三维及二维建筑结构图,玄武湖地区,玄武湖地区1：2500彩红外航空象片 玄武湖地区1：500电子地图 玄武湖地面控制点刺点像片 地面控制点文
9、件 相机检校文件,30,玄武湖数据采集,玄武湖地区大部分为水域，而且湖中还有樱洲、梁洲等陆地地块对水域进行分割，地形比较破碎。整个区域共计10条航带，而只提供了四条航带的控制点刺点象片。控制点数目不足，分布不均，无法采用常规的数据处理方法。,地理特征,31,玄武湖数据采集,分区域测量 控制点加密 地面特征点预测,解决方法,32,利用地面特征点构TIN,33,数据采集结果,数字地面高程DEM 测图数据 （属性数据）：房屋建筑、道路、水系等 数字正射影像,34,数 据 处 理,全数字摄影测量系统VirtuoZo、GIS和虚拟 现实建模软件MultiGen之间空间数据一致性 匹配的问题，研究三者各自
10、的数据结构对象 之间的空间映射关系，确定系统之间空间数 据的快速转换算法，实现系统之间的数据互 操作。,数据互操作,35,数 据 处 理,直接转换：通过开发用户转换工具，由一种空间数据格式直接转换成VR系统所需的格式,数据互操作方法,VirtuoZo空间数据 (DEM、XYZ),MultiGen空间数据 (DED、DFD),CNSDTF空间数据 标准,ArcInfo空间数据 (TIN、Grid),36,数 据 处 理,间接转换：即以一个公共的数据转换标准（如：CNSDTF）为桥梁，实现空间数据之间的共享,数据互操作方法,VirtuoZo空间数据 (DEM、XYZ),MultiGen空间数据 （
11、DED、DFD）,CNSDTF空间数据 转换标准,ArcInfo空间数据 （TIN、Grid）,37,DED数据结构,38,DFD逻辑结构框图,39,参数设置界面,数据存储模块,数据转换模块,投影转换模块,数据分析模块,矢量数据互操作系统,数据存储模块,数据转换模块,投影转换模块,数据预处理 模块,格网数据 互操作系统,空间数据互操作的实现,40,DED,选择算法,建立地表模型,正射影象,地理坐标纹理图像,三维地貌景观,DFD,分层输入,选择地物,选择投影方式,Feature ID,Texture,Material,SMC,FLT,地 貌 景 观,喷泉流水,树木花草,建筑模型,可视化 数据库,
12、近景摄影图片,数字相机,扫描数字化,数字图片,Photoshop,纠正处理,其他来源图片,输出影像格式,纹理材质库,虚拟环境构建 | 流程图,41,虚拟环境地形建模,地 形 地 貌 生 成,42,虚拟环境单体建筑模型,层次建模：对可视化数据库进行编辑和整理，利用层次建模方法重建图书馆的二维数据树组织。使其结构与实际的复杂模型的层次结构相一致，清晰明了。便于模型的添加，修改、删除等操作以及材质、纹理的修饰。,43,虚拟环境单体建筑模型,多边形简化：在保证系统实时性及尽量不损害图书馆模型的真实性的情况下，利用多边形简化算法，对模型进行多边形简化工作，删除一些次要的多边形，减少模型的数据量。,真实感
13、模型生成：图书馆纹理来源于设计效果图，经扫描和图像处理后，分别对图书馆的各部分进行纹理映射。图书馆的顶部依靠对颜色和材质的控制来表现真实的效果。由于图书馆左右两部分是对称的，可以先处理一部分，对另外的部分采用镜像（Mirror）的方法来完成。,44,三 维 建 模 | 图 书 馆 三 维 模 型,45,虚拟环境 | 城 市 仿 真 模 型,利用转入的DFD文化数据，将建筑群、道路、湖泊 等真实世界的信息，映射到地形地貌中去，然后赋 予它们相应的纹理、颜色和材质等物体表面的属性。,46,虚拟环境 城市仿真模型,将特征数据中的经度和纬度与地形显示中对 应的经度和纬度联系起来进行匹配和映射。 将现实
14、世界的数据融入到虚拟城市的三维地 形地貌环境中去。 对于单独建立的实体模型，可以先读出它们 实际的坐标值，然后转换为相应的经纬度坐 标，即（x，y）（ Lon ， Lat）， 再将 其映射到地形上，生成三维城市仿真环境模 型。,47,m：ObjectSpace TextureSpaceT：ScreenSpace ObjectSpace,三维建模 纹理映射技术,基于地理坐标（Geo-specific Projection）的纹理映射方式，用于在地形上添加纹理。 二维纹理映射，即从二维纹理平面到三维模型表面的一个映射，从而建立起纹理空间与模型空间以及模型空间与屏幕空间之间的映射关系。,48,仙 林 三 维 仿 真 模 型,49,玄 武 湖 三 维 仿 真 模 型,50,玄 武 湖 三 维 仿 真 模 型,51,玄 武 湖 三 维 仿 真 模 型,52,玄 武 湖 三 维 仿 真 模 型,
