2023年三维虚拟树木建模在虚拟旅游中的应用.docx

2023年三维虚拟树木建模在虚拟旅游中的应用 三维虚拟树木建模在虚拟旅游中的应用 1 引言 虚拟现实技术是指利用计算机硬件与软件资源的集成技术，提供一种实时的、三维的虚拟环境(Virtual Environment)，使用者完全可以进入虚拟环境中，观看并操纵计算机产生的虚拟世界，听到逼真的声音，在虚拟环境中交互操作，有真实感觉，可以讲话，并且能够嗅到气味。它涉及到计算机、传感与测量技术、仿真技术和微电子技术等相关技术。虚拟现实系统作为一种崭新的人机交互界面形式，能为用户提供现场感和多感觉通道，并依据不同的应用目的，探寻一种最佳的人机交互方式。究其根本，它有3个最基本的特征，即3 I，它们是immersion(沉浸)、Interaction(交互)和Imagination(构想)。3 I的基本特征强调人在虚拟现实技术中的主导作用。从过去人只能从计算机系统的外部去观测计算机的处理结果，到人能够沉浸到计算机系统所制造的环境之中；从过去人只能通过键盘、鼠标与计算环境中的单维数字化信息发生交互作用，到人能用多种传感器与多维化信息的环境发生交互作用；从过去的人只能从以定量计算为主的结果中得到启发而加深对事物的认识，到人有可能从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识从而深化对概念的认识和萌发新意。虚拟现实技术系统，正是通过3 I才能真正实现虚拟世界对真实世界的替代，从而达到一种境界的虚拟。这样不仅可以使用户沉浸于虚拟现实环境中，还可以查询、浏览以及分析虚拟现实中的物体，如地形、地物、资源环境状况等，辅助用户进行分析、评价、规划或决策。 虚拟现实技术应用范围非常广泛，几乎渗透到社会生活的各个方面，如娱乐业、医疗、汽车与飞机制造、建筑设计、军事、航天、教育等领域。根据三维场景生成的过程划分，可以将虚拟现实技术分为基于图像的虚拟现实技术和基于矢量建模(或称几何建模)的虚拟现实技术两种。基于图像建立起来的虚拟现实环境反映的景观真实感强，基于矢量建模方法建立起来的虚拟环境，需要大量的计算机矢量建模过程，对计算机系统的速度性能有很高的要求。近年来还发展了矢量建模与图像纹理粘贴技术，可渭二者的融合，但对虚拟环境建立所需的硬件性能要求更高。虚拟旅游的场景中，树木构成了自然景观的重要部分，因此树木的三维可视化问题成为研究旅游电子商务实现的关键。本文从虚拟旅游的特点和现状出发，着重探讨如何实现三维虚拟树木的可视化。 2 虚拟旅游中的虚拟现实技术 2.1 旅游电子商务、虚拟旅游及其特点 旅游是涉及人多、面广、业务量大、信息处理性强的行业，而因特网具有范围广、费用低、使用方便等众多优点，通过Internet进行旅游信息管理并以电子办公方式处理旅游业务，称之为旅游电子商务。目前这方面的研究与应用已很普及，并出现了众多Internet上的旅游信息查询与预订系统，但所提供的信息没有从旅游者对旅游景观美学取向上的需求去考虑。因此，现有的旅游信息提供主要体现在商务信息的支持上，缺少景观信息或仅有少量静态的风光照片，很难让人们对旅游景点有一个整体的、比较真切的认识。如果通过互联网或其他载体，将旅游景观动态地呈现在人们面前，让旅游爱好者根据自己的意愿，来选择游览路线、速度及视点，足不出户就可以遍览遥在万里之外的风光美景，这便是虚拟旅游。 要实现这一美好愿望，必须解决两个问题。首先解决的是空间信息的提供。传统的方法是使用旅游地图。传统地图的特点是空间信息平面化、地理信息符号化、地图内容的凝固化和静止化。打破传统地图的凝固性和静止性的是电子地图。电子地图技术是集地理信息系统(GIS)技术、数字制图技术、多媒体技术和虚拟现实技术等多项现代技术为一体的综合技术。它是一种以可视化的数字地图为背景，用文本、照片、图表、声音、动画、视频等多媒体为表现手段，展示城市、企业、旅游景点等区域综合面貌的现代信息产品，有“大众GIS”之称。可以存贮于计算机外存，以只读光盘、网络等形式传播，通过桌面计算机或触摸屏计算机等提供大众使用。它具有大容量、交互式的查询、分析功能。电子地图产品比传统地图产品信息容量大，生产周期短，信息更新快，具有数据查询和分析功能等特点。其次是解决实际景观虚拟空间移植并再现。旅游观光过程实际上是一个动态的过程，空间信息的传统地图表示法及旅游景点的有限数量的静态照片的展示，在旅游电子商务应用过程中存在重大缺陷，既不能再现真实景观，亦不能完成动态过程。旅游地图的平面信息和符号化的地理信息，对许多旅游爱好者来说，过于抽象，缺乏视觉上的美感和吸引力。因此要求虚拟旅游能够实现景观和地图的完美互动。 虚拟景观漫游中的视觉效果与实际的视觉效果基本相一致，能给人以身临其境的视觉满足感。构建这样一个具有身临其境的沉浸感、完善的交互能力的旅游环境，主要是利用计算机图形技术，对真实环境进行抽象从而建立其三维矢量模型，实时漫游过程中根据观察者的位置、光照、消隐信息由计算机绘制相应的视景。其场景是由计算机根据一定的光照模型绘制的，色彩层次能够体现实际的自然丰富景观。 2.2 旅游场景中实际景观的虚拟可视化技术 虚拟旅游中，要对各种真实场景、物体景观、树木构建模型，再运用图像纹理粘贴技术，实现各种景物的可视化。运用三维矢量建模虚拟现实技术，生成的虚拟旅游场景。 在众多的场景中，作为重要的地物树木的虚拟已有多种表达方法：(1) 实体几何模型。由一些几何要素如圆、球体和一个表达树杆的尖锥组成。(2) 线框模型。由一系列树枝环绕树杆组成，树枝用几何图案表达，树杆同样用一个尖锥表达。(3) 图像模型。即图像替代模型，其实质是在一个空间长方形区域通过 融合方式粘贴树木图像来表达树木 2.3 虚拟景观中树木模型的可视化技术比较 目前在虚拟旅游的漫游系统中，树木的三维可视化效果尚未达到令人满意的程度。如前所述，运用实体几何模型和线框模型实现的树木结果只能代表树木实体本身的基本特性，应用到旅游电子商务中来虚拟树木景观，根本不能满足树木在场景中以美感效果来吸引用户的要求。而采用图像模型生成的树木，虽然利用纹理映射和透明混合技术将树木的二维影像交叉地贴加到特定位置上，取得了逼真的效果。但是这种使用贴图方法对树木的表达没有体现出树木的真实形体，只有一定的位置属性，失去了其它空间特性。另外树木在近视点观察效果不够理想，不能达到虚拟景观在视觉上的美感要求。树木作为自然景色中重要的景观实体，在虚拟场景漫游系统中占有重要地位，对真实再现旅游景点来吸引游客有很大帮助。因此采用一种理想的方法虚拟树木，对更好的开发旅游电子商务应用起着关键作用。 3 虚拟旅游中三维树木可视化的实现方案 实现树木三维可视化涉及到两方面的技术：一是建立树木的结构模型，利用分形理论中的自相似性构造出成树木的生长算法；二是对生成的树木模型进行可视化，展示出树木的三维效果。 3.1 树木结构模型的建立及树木生长算法的产生 通过观察发现，任意一棵树木都是由若干树枝和树叶组成的，每一条树枝又是由若干枝段组成。因此枝段和树叶是树木最基本的组成单位。 枝段(Segment)模型：枝段用一个可以弯折和扭转的六边形台体表示。每一个枝段用以下的数据结构来描述：Segment Twist, Expand, Length, Radius 。其中Expand 和Twist为枝段的弯折和扭转程度，体现了树枝生长的不规则性，Length 和Radius 分别为该枝段的长度和半径，用于描述树枝生长越来越短、越来越细的特征。 树叶(Leaf)模型：树叶为一个可以转动的平面正方形，它可以用以下的数据结构来描述：Leaf Expand, Twist, Scale 。其中Expand 是指绕X 轴的转动量，Twist 指其绕Y 轴的转动量，Scale 为树叶的大小。 树枝(Branch)模型：树枝由若干相似的枝段构成，这里将用迭代表达式来描述一条树枝各枝段的生成过程。假定前一个枝段的各参数分别为 T, E, L, R ，那么次枝段的参数为：其中，Tinc、Lscale、Rscale为常数；Tinc用来控制树枝逐段扭转的速度，Lscale和Rscale 用来控制树枝变短变细的速度，Efix 指定了树枝每一次弯折的程度。从上述迭代表达式中可以看出，树枝将逐段发生扭转，各枝段的长度和半径将以指数的速度缩小，而各枝段的弯折程度则保持不变。然后，次枝段将在前一个枝段的坐标位置基础上以向量 Cos(T), 0, Sin(T) 为轴转动E度，形成一个新的本地坐标系，以后的生长将以这个本地坐标系为参考，不必考虑其实际的坐标位置。 建立好树木的结构模型后，利用树木生长的自相似性构造树木的生长算法。用一个树干和两个分枝的二叉树作为基本图形(即分形元)，对其进行迭代： 1）在主枝的顶端侧生两个侧枝。 2）将这两个侧枝看成新的主枝。 3）在每一次生成枝段的同时，在次枝段弯折的反方向产生一条新的树枝，即确定新树枝的初始枝段，当枝段为末梢时（最后第 一、二个枝段），停止产生新的树枝，而改为产生树叶。 在若干次这样的迭代之后，一条简单的枝杈就变成了一颗枝叶丰满的树了。 3.2 三维虚拟树木的可视化技术 对上述建立好的树木结构模型进行可视化，本文选用OpenGL 作为图形编程的平台。OpenGL 是被包括SGI、Microsoft、IBM、SUN 等公司接受的标准图形软件接口，由于OpenGL 的高度可重用性，现在已经成为高性能图形和交互视景处理的工业标准。如Autodesk 的三维建模软件3D Studio Max,以及ID SOFT 的全视角三维游戏Quake 都是以OpenGL 为底层图形接口的。 本文中使用OpenGL 对树木结构模型进行可视化的过程，采用了大量诸如坐标变换、纹理映射、法向量、反走样、光照、材质等图形编程技术。这里不再一一累述，详见参考文献7,8。 4 结论与展望 本文探讨的三维虚拟树木建模及可视化方法适用于两种虚拟旅游方式中：其一，可针对现有旅游景观中的树木进行虚拟，通过这种方式的虚拟旅游，不仅可以起到对旅游景点宣传、扩大影响力和吸引游客的作用，而且还能够在一定程度上满足没有条件到达旅游景点的游客的游览和审美的需求，如香山虚拟旅游、植物园虚拟旅游等；其二，可针对现在已经不存在的旅游景观中的园林树木展开虚拟旅游，这可以再现已不存在的旅游景观，具有景观珍藏的意义，如对于某些著名古建筑园林的虚拟旅游等。三维虚拟树木的可视化技术为虚拟景观中树木的表达提供了比较理想的解决方案，从而为旅游电子商务更好的应用创造了条件，结合时下旅游产业的蓬勃发展，其应用前景十分广阔。 三维虚拟树木建模在虚拟旅游中的应用 三维虚拟展馆 三维地质建模在料场储量计算中的应用 基于虚拟现实的三维重建复原技术 三维地质建模 三维建模设计 三维建模技术 实景三维GIS在安保中的应用 基于虚拟现实技术的三维教学环境研究论文 三维虚拟声音与立体声音区别