随着现代城市的不断拓展延伸,城市空间多层次、立体模式管理逐渐成为城市规划管理的发展趋势[1],实现城市空间信息管理模式从二维到三维的转变,三维虚拟城市技术,已经成为人们关注和研究的热点[2]。
三维虚拟系统具有多维信息处理、表达和分析的特点,在空间信息的社会化服务中,三维虚拟城市的应用有着越来越明显的优越性和不可替代性[3]。
文中采用了一种新的模式进行三维虚拟城市的设计,采用三维算法初步建模,Photoshop 进行贴图加工,3DMAX 进行图形的渲染,三维引擎 Unity3D 技术实现三维虚拟城市。 该方式制作过程简洁,三维引擎技术编程难度低,能高效率、高质量完成三维虚拟城市的建设。 整个建设过程包括地理信息数据采集、三维算法建模、3DMAX 后期渲染以及三维引擎技术编程[4]。
1 三维虚拟城市实现设计
首先,获取地理信息数据。 包括数字高程数据、建筑物类型(如草地、水域、道路等)的矢量数据、数字遥感影像图数据以及地理坐标等[5]。
其次,使用三维建模算法,生成三维数字模型,包括不规则三角网 TIN(顾及地性线)、规则格网 DEM等[6。
第三,进行精细处理,包括建筑物点投影变换和裁剪处理、光照模型选择、建筑物要素叠加、点坐标变换、消隐与纹理映射等[7]。
第四,三维模型制作,使用 3DMAX 和 Photoshop工具,对粗糙模型进行加工和渲染,得到高逼真的三维模型。
最后,三维模型的导入,将三维模型根据地理坐标依次导入到 Unity3D 中,进行虚拟技术的开发。具体系统实现设计如图 1 所示。
图 1 系统实现结构图
2 数据采集与处理
数据的收集与处理,主要包括基础数据准备、实地采集和后期处理。
基础数据准备主要是收集整理乐山某区域的1: 2000 地形图和高程点,以及最新的航空影像。 通过地形图与影像图的对比和实地考察,划分区域分布图和编号图,用于指导实地数据采集和三维模型建设[8]。
区域分布图分为基础模型、标准模型和精细模型三个级别,编号图主要是依据道路和景点的分布划分编号,作为模型和纹理命名的依据。需要对前期准备和实地采集的数据进行处理[9],如照片的整理、纹理的收集、属性的汇编,然后建立分片景区照片库、通用纹理库、属性记录表等。 例如树的采集,按照树的种类建立照片库,对照片进行处理后,按照树的种类建立通用纹理库[10]。
地形模型建模采用高精度数字高程模型( DEM)和高分辫率数字正射影像(DOM),制作高精度地形模型[11]。 根据划定的建模范围,将 DEM 裁切出来,同时结合航空影像,通过 GIS 软件将 DEM 和 DOM 转换到统一坐标系,保证两者坐标一致,将 DEM 和 DOM 数据导入专业软件中,自动生成地形模型,将生成的地形模型转换为三维建模软件(如 3DSMAX)兼容的格式,进行纹理映射,生成高精度地形模型。 这种建模方式的主要特点是建模快速、高程精确、模型真实。
对于细节要求高的地形实体,如植被、景观路等,主要是根据地形图等高线、高程点以及特征点线,通过三维建模软件,可采用两种方式建模。 一是以 1: 2000 地形图和航空影像作为参考,先勾勒出整个建模范围的道路,以道路作为控制,建立每个景点或者街坊,通过点的高度来表现地形的起伏;也可通过地形图,先在 CAD 勾勒出道路、建筑或人工湖、花坛等封闭的线,参考高程点,在 CAD 调节线中点的高度,然后导入 3DSMAX 中形成面,后者更方便,更准确。 主要特点是表现细腻、色彩美观协调,能够细致表现对象变化细节。
3 三维模型建立
模型的建立是整个虚拟系统的重要部分,因此在该过程中工作量较大,工作较繁琐。 主要实现过程:建筑物形状分析、建筑物分类和纹理贴图处理[12]。
3. 1 建筑物形状分析
建筑模型屋顶建模难度较大,因为屋顶的形状各有不同,都是由一些简单的几何体组成,因此可总结出该区域建筑物屋顶的大体几何体模型如图 2 所示。
图2 屋顶几何模型
3. 2 三维模型分类
为了便于系统模型和场景的建立,对场景和建筑物进行了分区,在建模过程中可以方便建筑物与场景地形坐标进行对应,同时也方便多场景的集成。 具体分区如图 3 所示。
图 3 三维模型分类
3. 3 纹理贴图处理
为了保证模型的高精度和高质量,在建模之前必须要确定各模型的材质,因此首先用相机拍摄一系列的照片来提取材质,建模过程中进行纹理贴图和实体对比[13]。 具体流程如图 4 所示。
图 4 纹理贴图处理过程
4 实现方法
本系统的业务逻辑处理用 C#、Javascript 技术实现,使用 Unity3D 引擎开发平台进行开发。 实现中最主要的技术是:场景漫游技术、物理效应仿真技术和场景切换技术[14]。
4. 1 场景漫游技术
场景漫游技术主要包括键盘控制和鼠标控制,能让用户在虚拟城市系统中前后左右任意方向行走。 同时能控制运动的速度。 内容描述如下:
该段代码实现的功能就是按键盘上面的 W、S、A、D 键 能 实 现 前 后 左 右 的 移 动。 先 定 义 两 个 变 量MoveSpeed(移动速度)和 RotateSpeed(旋转速度),接下来进入函数入口 Update,如果按 W 键时程序就回运行 forward*deltaTime*MoveSpeed;也就是摄像机向前移动 MoveSpeed,因为 MoveSpeed 的初始值为 5,所以移动的速度为 5,以此类推,当按下 S 键的时候,程序运行 forward*deltaTime*-MoveSpeed,这时运动的方向为一个负值所以表现出来的就是往后退。 速度也为5;当按下 A 键时程 序运行 up * deltaTime * - RotateSpeed 此时摄像机会往左边旋转,其旋转速度为20;当按下 D 键时程序运行 up * deltaTime * RotateSpeed 此时摄像机会往右边旋转,其旋转速度为20。
4. 2 物理效应仿真技术
本系统中物理效应仿真技术主要是实现动画场景的仿真,动画仿真技术包括水池波浪仿真、重力仿真等。 内容描述如下(对水池波浪仿真的描述):
