计算机虚拟现实技术的环境艺术设计系统构建

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摘 要： 传统通过二维图像描述环境艺术地理环境，获取的环境信息缺乏直观性和互动性。因此研究环境艺术的三维虚拟重现，通过Creator建模软件塑造虚拟环境中不同实体模型和地形模型。采集环境原始数据后，进行环境数据的边缘处理，产生三维环境设计系统。采用大地形环境数据库管理模型实现环境中数据库的管理。在环境的三维虚拟重现过程中，通过Vega驱动软件塑造环境的三维场景，采用Vega中Marine环境模块实现动态、静态环境仿真以及模拟效果。实验结果说明，所提方法重现的环境更为逼真、直观，可实现交互式操作，取得了令人满意的效果。

关键词： 环境艺术； 地理环境； 三维； 虚拟重现技术； 虚拟现实； 设计系统构建

中图分类号： TN99⁃34； P208 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）07⁃0062⁃05

Construction of environmental art design system based on

computer virtual reality technology

YAN Jun

（School of Art and Design， Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333000， China）

Abstract： The environment information captured by geographical environment of traditional environmental art using two⁃dimensional images description lacks of intuition and interaction. Therefore， the 3D virtual reproduction of environmental art is studied， and different entity models and terrain models in virtual environment are modeled by Creator modeling software. After collecting the original data of the environment， the edge processing is carried out for the environment data to produce a three⁃dimensional environment design system. The database management model of large terrain environment is used to manage the database in the environment. In the process of 3D virtual reproduction of environment， the 3D scene of the environment is modeled by Vega driver software， and the Marine environment module in Vega is used to realize the simulation of the static and dynamic environments and simulate its results. The experimental results show that the environment reproduced by the method is more realistic and intuitive， and the method can realize the interactive operation， and get the satisfactory results.

Keywords： environmental art； geographical environment； 3D； virtual reproduction technology； virtual reality； design system construction

0 引 言

我國的领土环境复杂多变，在陆地、空中、水面以及水下构成多维空间环境[1]。从二维图中获取环境地理信息数据库，依据这些地理信息实现环境的仿真设计，在环境虚拟战场、环境资源开发、环境气象数据预报等领域具有广泛的应用价值。

传统通过二维图描述环境，获取的环境地理信息缺乏直观性和互动性[2]。因此将二维电子图三维化，同时在三维图中融入虚拟现实技术，完成环境的三维虚拟重现成为人们分析的重点。

1 环境的三维虚拟重现系统开发关键技术

1.1 三维环境地形的生成

1.1.1 获取环境地形模型原始数据

采用Creator建模软件塑造环境中各实体模型和环境地形模型。该软件采用建模功能模块Terrain对相应格式的*.ded文件实施自主建模[3]，并对模型的纹理和颜色进行处理，构建环境特征物的模型，通过GeoFeature模块获取DFD格式的环境地形模型数据。

1.1.2 数据的边缘处理

来自二维电子环境图内的高程数据杂乱无章，此时需要修正初始图数据，得到相同区域的网格数据。将数据补充方法作为距离加权内插法[4]，对各不确定点数值实施预测，通过近邻的已知点数值实施加权计算，获取不确定点的数值，基于距离获取所给的权重：

式中：[W（di）]为权函数；[zi]表示第[i]个已知点的数量；[di]为[i]点与不确定点间的距离。临近离散点同不确定点间的分布情况不同，对[f（x，y）]产生不同的干扰作用。[W（di）=1d2i]是最佳结果，[di]的平方的反比决定了[W（di）]值的高低。

采集二维图高程点的经纬度信息，对经纬度实施Deluanya剖分后获取网格化结果，用图1描述，其中深颜色范围是数据密集范围[5]，也是环境地形波动明显的范围。得到环境地形三维三角剖分图。补齐高程点后经纬度信息的网格化结果，用图2描述。将补齐后的环境地理数据变换成Creator支撑的DED格式，完成规范化数据和曲线拟合，呈现经纬度值。

1.1.3 DED文件的获取

Creator建模软件的地形建模模块无法分析环境图数据格式，使得基于从电子环境图内采集的水深以及高程点信息不能塑造环境模型。因此构建环境的三维模型前，需要将环境地理信息库中的数据变换成Creator可分析的DED格式以及DFD格式。

采用Matlab运算软件对采集的环境数据实施数据格式变换，将环境数据存储到BIN文件内，通过3dem数据格式变换工具对BIN文件实施处理，获取USGSDEM格式的文件。再采用Create安装目录C：＼MulitGen＼Creator内的可执行程序redausgs，实现DEM格式到DED格式的变换。在运行命令行目录内能够得到DED格式文件CI068.ded，该文件中保存着3 229个数据点，依据这些数据点完成环境地形的三维建模。

1.2 三维环境地形模型的生成

通过Creator的地形建模模块能够塑造环境地形模型数据库。基于环境地形模型数据库内除地形数据外的全部拥有地理信息和属性信息的特征数据，塑造环境三维地形数据库，进而创建虚拟环境地形，确保地形逼近实际环境，同时涵盖地理纹理特征。采用Creator地形建模模块中的Polymesh地形变换算法，依据初始数字高程数据地形文件获取高程信息以及环境地形的顶点坐标，获取环境地形模型数据库。数据库内的矩形网格由均匀的三角形组成。Polymesh地形变换算法对原始网格地形数据库内每[n]个高程点实施采样，[n]点同网格的疏密程度相关。

在塑造环境三维地形过程中，应设置地图投影种类，采用Creator中的Flat Earth投影措施，将经度和纬度分别作为[X]坐标和[Y]坐标进行操作，获取矩形的环境地形模型数据库，采用WGS84坐标系，同时保留海岸线。将地球中心当成数据库原点，通过批量操作手段，获取Open Flight格式的块地形文件。

1.3 大地形环境数据库管理

大地形数据库管理LADBM模块对大范围地理区域内的数据库实施管理，其拥有可扩展的数据库以及层次操作，可对视景应用程序进行高层次的调控。避免进行动态漫游过程中被泊染的视景元素的位置产生间断问题，形成抖动或跳变。因此，为了确保数据精度，视景系统对数据库原点实施重置，在观测者周围采用大地坐标系原点，确保准确的位置描述。大规模数据库管理模块通过双精度内核能够对感兴趣的地面坐标原点实施调整和移动，确保观测者处于待显示的数据库周围。

1.3.1 大地形环境数据库管理的基本原理

Vega系统通过区域类、Area of Interest类、LADBM附加类得到高级数据库管理采用的LADBM[6]。其中区域类对数据库层级实施扩充。Area of Interst类可形成并控制区域列表。LADBM类对LADBM在Vega中的操作流程实施控制。区域可对环境数据库元素进行组织和汇总管理，基于空间边缘组织数据库使得LADBM模块判断何种数据元素能够在场景中实现观测，确保在筛选和渲染前过滤掉不显示的元素，提高运算效率。

1.3.2 大地形环境数据库管理的实现过程

1） 三维环境地形的分块。对环境地形模型进行矩形分割，完成环境三维地形的分块处理。将单个环境地图实施6×8的地形分块[7]。通过Creator模块中地形产生模块Terrain，基于数字高程数据文件C1068.ded对地形网格形成算法、地表颜色和纹理以及地形分块大小实施设置[8]。

2） 区域（Region）和AOI的设置。采用最小经纬度是（E119°26′23.220 6″，N23°28′0.363 3″），最大经纬度是（E119°45′35.514 3″，N23°47′13.453 3″）的矩形范围中包括16块相同的小矩形块，这些数据是相对于 （E119°11′59.000 2″，N23°03′59.000 7″）位置[9]，各地形块的文件名描述了40大块地形分割过程中，不同小地形块间的相对位置关系。

针对各块地形塑造一个区域，共塑造16块区域。当前的Vega能够完成球形AOI的Volume设置，设置AOI的Volume半径是地形分块的对角线的一半[10⁃11]。设置原点的坐标是0，区域Volume的大小取决于地形分块大小。设置各块地形的大小是8 280 m×8 786 m，通过折中的方法设置Volume半径是8 433。区域原点为Volume的位置，将三维地形模型融入该区域过程中，地形模型的位置相对于区域原点部署到[（xi，yi，0，0，0，0）]位置。[（xi，yi）]值是该地形模型对应区域原点的经纬度。

3） 大地形环境数据库管理的软件实现。将一个AOI[12]，16个小球用于描述同16块区域关联的碰撞体（Volume），1个大球用于描述同AOI关联的碰撞体 （Volmue）。基于仿真系统的需求，采用编程手段设置各碰撞體的位置和半径大小。在该仿真系统内，将AOI同观测者进行关联，如果观测者在场景中漫游，则AOI同观测者同步移动。如果AOI的Volume同场景内新的Rgeoin以及Voutme关联，则新Rgeoin内的物体在场景中进行渲染，完成对环境地理场景中大规模模型数据库的动态控制。

1.4 环境的三维虚拟重现方法实现

通过虚拟现实技术塑造逼真的环境，从中能够观测到环境地形、海浪、雨、雾等信息，其中的地形环境包括静态三维实体模型和动态三维实体模型。静态实体模型以及动态实体模型主要是环境地表的礁石、灯塔、飞机以及舰艇等。视景系统通过计算机实施生成技术，采用Windows 2000开发平台，Visual C++开发工具[13⁃14]，采用Creator建模软件以及Vega驱动软件实现环境的三维虚拟重现。Vega是用于虚拟现实、实时视景仿真的一种可视化软件工具，由图形环境界面、C语言应用程序接口API、实用库函数等构成。三维场景渲染实现了环境水面以及海底效果模拟、光模拟、水面效果模拟和舰艇模拟等。

1.4.1 塑造三维环境场景

塑造完环境相关的静态实体、动态实体的几何模型以及运动模型后，能够获取环境的三维场景。环境视景中常见的三维对象是舰艇以及海底地形，网格构成了三维物体，这些网格包括多个多边形。采用三维图像开发工具MulitGneCreator塑造舰艇、海底地形等模型，形成.ftl文件。

1.4.2 世界坐标系变换

在运用Creator软件构建环境三维模型中，全部顶点都需要进行世界坐标变换处理。若舰艇的几何中心是原点，舰艇右部、上部以及下部方向是X轴、Y轴以及[Z]轴，将舰艇模型进行世界变换的过程中，应先对模型坐标系统对应于世界坐标系的初始值实施设置，并对模型坐标实施平移等处理，最终获取舰艇各顶点在世界坐标系中的位置。

1.4.3 Marine环境模块设计

Vega软件模块通过Marine环境模块对环境状态实施模拟，基于视窗NT以及Unix操作系统设计环境仿真应用，采用Lynx图形界面实现不同环境仿真效果的规划。Vega Marine模块具有较多的航海特效，如海浪、云雾等。Vega Marine模块的各Ocean由静态和动态构成，将Observer同静态环境间的海域设置成动态的，能够对海浪进行模拟。三维动态环境由规则网格构成，则在各帧内三维动态环境的运算量同行以及列的乘积具有正比例关系。

模拟海浪效果，Vega环境模块采用连接点位置波动的波浪模型产生动态环境，基于6种环境状态模拟不同的海浪。其中海浪虚拟重现过程为：

通过10条正弦曲线和非谐波频率塑造实际的波浪，则采用式（2）获取波浪高度：

式中：海面控制点坐标是[（x，y，z）；]海面平均潮高是[Htide；]单元规则波的波动幅度是[Ai；]波数是[ki=ω2ig，]重力加速度是[g=9.81；]单元规则波的传递方向是[θi；]单元规则波的角频率以及相位分别是[ωi]以及[φi]。

对需要仿真的环境范围的浪级实施设置，运算获取浪级的波周期以及有义波高度，基于得到的值，采用波谱公式对[ω]实施离散化处理，获取[ωi]和某单元波的波谱值[S（ωi）]，得到单元波的波幅是[Ai=2S（ωi）Δω]。任意选择相位[φi，]基于离散获取的单元波的线性叠加获取对应波谱的等级。

在Creator中塑造环境物体的三角面片从高空看有纹理效果，而从下方看不到纹理效果。因此将500×500的方形平面部署到[（x，y，0）]位置，平面正面朝下。[（x，y）]是观测者的经纬度坐标，确保在任意物体漫游位置能观测到环境虚拟效果。

2 实验结果与分析

实验采用本文方法环境虚拟现实演示系统。基于二维电子环境图塑造图3a）中的三维电子环境图模型的近地图，分析该图能够清晰观测到环境地形信息的高层和地貌。图3b）是融入舰艇模型实施交互式操作的情况，图3c）是融入潜艇模型的海底虚拟环境。能够看出本文方法重现的环境更为逼真、直观，能够实施交互式操作，可广泛应用在环境虚拟战场、环境资源开发等领域中。

实验采用本文三维虚拟重现技术获取的某海域海底地形三维可视化效果用图4描述，通过ArcGIS 10.1生成晕渲图，获取的海底地形晕渲可视化效果用图5描述，能够看出本文方法获取的海底地形三维虚拟重现结果逼真、准确。

3 结 论

本文研究了环境的三维虚拟重现过程，获取了更为逼真和直观的环境三维虚拟效果，在环境虚拟战场、环境资源开发、环境气象数据预报等领域具有广泛的应用价值。

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