一种三维虚拟现实演示的建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于公路生态监测技术领域，尤其涉及一种三维虚拟现实演示的建立方 法。
【背景技术】
[0002] 交通运输是国民经济的命脉，是推动国民经济发展的"先行官"。目前，我国公路建 设正处在前所未有的高速发展时期，公路建设的效益与质量问题关系十分重大。路线设计 是非常重要的一个环节，现代公路路线的最优设计已突破传统意义上的概念，不仅要求通 行时间短、工程费用少，而且要与周围的社会、人文、自然环境协调，要考虑沿线的经济、人 文自然景观、生态环境等因素。公路生态监测是及时、准确、全面地掌握公路建设和运营过 程中生态破坏的实际情况，为采取有效的生态保护与治理提供科学依据，同时还可以掌握 生态恢复措施的运行效果。公路生态监测是公路环境保护管理的基础，对保护公路沿线生 态环境，促进公路运输事业可持续发展，具有重要意义。
[0003] 地理信息系统（Geographical Information Systems)是一种采集、存储、管理、分 析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。随着计算 机技术的发展，GIS也从原来的二维向三维可视化迈进。当今大量信息是以数据为载体存 储在数据库中，人们对这类信息的获取主要是从数据库中获得数据，对数据进行解译而得 到，但是获得的信息缺乏直观性和可读性。数据可视化技术的发展使这个问题的解决成为 可能，三维GIS也成为近年来GIS研宄领域的热点。
[0004] 虚拟现实（Virtual Reality)是指利用计算机和一系列传感辅助设施来实现的使 人能有置身于真正现实世界中的感觉的环境，是一个看似真实的模拟环境。通过传感设备， 用户根据自身的感觉，使用人的自然技能考察和操作虚拟世界中的物体，获得相应看似真 实的体验。具体含义为：
[0005] ①虚拟现实是一种基于计算机图形学的多视点、实时动态的三维环境，这个环境 可以是现实世界的真实再现，也可以是超越现实的虚构世界；
[0006] ②操作者可以通过人的视、听、触等多种感官，直接以人的自然技能和思维方式与 所投入的环境交互；
[0007] ③在操作过程中，人是以一种实时数据源的形式沉浸在虚拟环境中的行为主体， 而不仅仅是窗口外部的观察者。
[0008] 由此可见，虚拟现实的出现为人们提供了一种全新的人机交互方式。与三维动画 相比，虚拟现实技术具有很好的真实感和沉浸感，能够做到真正的动态性、实时性和交互 性。
[0009] 公路虚拟现实可以将平、纵、横设计资料结合起来，生成道路三维场景，虚拟建成 后的道路景观，这对于提高设计质量有着重要意义。目前，国内外大多数公路虚拟现实设计 方法是在AutoCAD环境下做出道路模型后，再利用适当的三维制作软件，在指定浏览路径 情况下，进行渲染着色，制成动画。这是静态的三维可视化，只能察看指定渲染路径的三维 动画效果，并且非常耗时，难于溶于设计过程中。如果能够实时动态的对道路设计方案进行 三维可视化，并且在实时浏览过程中，通过与地形属性数据库的连接，进行动态交互查询， 就可以实现在道路设计过程中应用虚拟现实技术来提高设计质量。
[0010] 随着计算机软、硬件技术的发展，虚拟现实技术会在公路虚拟现实中得到广泛的 应用。
[0011] 国内外公路虚拟现实研宄概况
[0012] 国内的公路虚拟现实研宄从CAD的研宄开始。80年代末期至90年代中期，随着 AutoCAD等图形支撑软件的发展，线路计算机辅助设计技术也从单纯的数值计算分析发展 为图形交互式自动设计，开发出了集地形资料处理、工程费计算、图形交互设计、纵断面自 动设计以及绘制线路平、纵断面图为一体的一套完整的计算机辅助设计系统。到90年代中 期，国内己经能方便地获得供铁路或公路路线计算机辅助设计用的数字地形信息，现场设 计部门在航测技术的研宄与应用方面、计算机辅助勘测与设计方面、以及计算机辅助成图 方面均做了大量的研宄与开发工作。
[0013] "九五"期间，交通部组织实施的国家"九五"重点科技攻关项目"GPS、航测遥感、公 路CAD集成技术"，现已开发完成。该项目基于国内已有的公路CAD系统的水平和当前较高 起点的硬件、软件平台，着重研宄地形数据采集（如GPS、航测及数字测图、遥感、地面速测 等）、工程数据库、系统的集成化、可视化、智能化、三维设计、动态仿真、高交互性等先进技 术在公路设计领域内的应用，将我国的公路CAD基础理论及实际应用推上了一个新台阶， 从而大幅度提高了我国公路的测设水平。中南大学道路与铁道工程研宄所结合湖南省科委 课题"公路数字地形图机助设计系统"开发了道路设计的动态实时的三维可视化系统，可以 将三维可视化融入设计过程。
[0014] 国内一些单位的道路三维景观模型的建立和漫游大多采用的方法是将设计平台 (例如AutoCAD)的设计成果数据导入其他三维动画渲染平台（例如3DStudfo MAX)，对每个 面进行手工增贴纹理，然后设置灯光和漫游路线，最后进行场景渲染生成动画文件并保存。 这种方法针对三维道路及其地形景观实现较为逼真、细腻的表现结果，但存在三大局限：
[0015] (1) -条公路或铁路长达上百公里，表面多边形多达几十万个，手工贴图操作的工 作量很大，耗时耗力，成本昂贵。
[0016] (2)观察者通过渲染得到的动画只能沿着固定的一条路线浏览，无法自由地进行 交互式漫游；
[0017] (3)无法实现三维的空间查询、分析和属性管理。
[0018] 这些缺陷不同程度地制约着公路三维景观模型在公路设计和管理应用领域中发 挥更加积极的作用。
[0019] 国外主要是研宄开发自己的三维道路设计平台，除了一些通用的设计平台软件如 Autodesk公司的产品AutoCAD和Adobe公司的产品3DS Max之外，还有一些专用的道路设 计模块值得注意，例如Multigen-Paradigm公司的软件产品Creator推出的道路建模与漫 游模块Road，它通过手工输入道路设计参数构建道路表面几何模型，具备灵活的纹理映射 工具，加上固有的地形构建工具，可以构建道路场景的整体景观模型，并可在Creator平台 上对构建的道路场景及时进行简单的驾驶模拟，因而在国外三维道路景观模型的建模和浏 览方面有广泛应用。
[0020] 但是，针对当前国内道路设计行业中的大量设计成果（包括平、纵、横断面和矢量 地形）Creator并不能直接支持这些数据格式尤其是各个设计单位自己定义的数据存储和 组织的方式，也就不能将道路设计的成果导入系统中进行自动化建模，要想达到动态可视 化的目的，必须在Creator中按照己有的设计成果数据进行再一次手工建模，显然耗时耗 力，成本昂贵。
[0021] 国内一些生产单位针对道路勘测设计中的三维景观模型的建模和浏览方法提出 直接支持道路设计成果数据的实现途径。主要可分成以下两类：一类是以交通部公路第一 勘测设计研宄院为代表，它保持原有CAD数据结构和文件组织方式，使用CAD系统的二次开 发工具对CAD系统进行扩展，增加三维道路景观模型贴图和动态浏览的插件。这种方法的 优点是道路二维和三维设计和表现真正集成到同一平台，能借助商用CAD系统获得很强的 三维几何编辑能力，便于道路几何模型的修改，但由于受到CAD系统本身数据结构的制约 和二次开发能力的限制，很难生成真实感较强的景观模型，无法实现勘测信息与图形的关 联查询、修改，另外还受到CAD数据内存管理方式的影响，对于大数据量地形和道路模型动 态调度处理能力很弱；另一类是以中南大学土木建筑工程学院为代表，它设计新的三维数 据结构和道路场景组织方式，开发独立于CAD系统的三维建模、浏览和分析应用平台。它把 勘测设计的成果数据看成是外部数据源，依据勘测设计成果DTM、平纵横断面数据进行道路 三维景观模型的建模和浏览，包括对三维道路模型映射纹理从而生成道路的真实感景观模 型。
[0022] 第二类研宄代表着未来的发展方向，但依然还有几个有待完善的技术问题：
[0023] (1)直接支持道路勘测设计结果数据的道路及其地形的整体景观模型的自动枚 建；
[0024] (2)海量地形和道路模型数据一体化管理与无缝动态漫游；
[0025] (3)高分辨率遥感影像应用于地形景观的表达（由于道路专业背景的限制，行业 应用的地面纹理大多使用人造假纹理），包括对带状地形遥感影像的处理和建库方法；
[0026] (4)勘测信息与道路几何模型的关联查询、编辑等。
【发明内容】
[0027] 本发明实施例的目的在于提供一种三维虚拟现实演示