文摘
是非常重要的研究和探讨虚拟现实技术的应用在园林设计中,尤其是在当前环境下的三重网络集成和物联网建设,推动和促进数字园林设计的快速发展在中国。在本文中,我们研究虚拟景观园艺系统的实现方法,建立基于古城阳澄湖的虚拟环境。在计算机平台上,我们研究和实现虚拟漫游系统介质的复杂性和更完整的漫游功能。使用Quest3D软件平台,花园desktop-type虚拟仿真系统开发,专注于虚拟现实建模技术和虚拟系统实现方法。实验结果表明,基于GLSL GPU-accelerated图方法可以显著提高3 d绘制帧率的花园景观植被与少量的现场数据和场景有一定的可行性。基于OpenSceneGraph(用OSG)图形渲染引擎,各种类型的三维景观模型的可视化实现,和各种类型的景观空间布局与参数控制实现通过数字矢量图层,灵活管理和组织各种园林元素和合理组织各种类型的景观空间拓扑关系的三维空间。通过整合跨平台ArcGISEngine组件,花园场景的基本数据,包括地形数据和矢量数据的管理。通过场景视图种植和层次细节建模技术,绘图效率和实时渲染花园景观的改善。实现交互式三维场景浏览和提供了一个six-degree-of-freedom全面展示的整体景观。
1。介绍
景观作为城市建设的重要组成部分,具有多个生态、文化、社会、审美功能和艺术的载体,生态服务城市发展规划和绿化效果(1]。园林植物是城市生态系统的重要组成部分,和科学的植被景观建设不仅是扩大绿化面积,同时进行系统的生态景观的评价,这是具有重要意义的形成一个健康和有益的植物景观布局对城市发展2]。城市绿地系统景观形成的是一个保证改善城市环境,提高居民生活舒适的城市发展(3]。随着社会的发展和人民生活水平的提高,公众生活环境也提出了更高的要求。合理的景观配置代表一个城市的全面建设发展水平以及高质量的城市生活环境建设的概念,使城市的生态结构,促进城市环境规划过程而提高城市的形象4]。问题上把握景观的效果,传统的景观规划和显示使用了大量的规划和设计图纸,最终效果图纸,和规划设计书籍为景观设计意图的表达和景观效果,但仍存在各种实现现场施工过程中存在的问题,如规划图纸的标准化的表达的问题,调整地面点的问题,规划和实施的问题,和之间的协调规划和实施的问题5- - - - - -10]。
随着计算机技术的发展,计算机可视化技术和虚拟现实技术,更灵活的使用先进的计算机设备和各种类型的显示设备的建设和虚拟显示三维花园景观已逐渐成为主流的景观表达(11]。在三维景观建筑和虚拟显示,根据参数字段数据,计算机3 d建模技术用于构建整个花园3 d场景,并通过各种可视化技术手段和显示设备、虚拟3 d花园场景显示不同的人已成为一个热门的研究领域。一对多的3 d花园景观虚拟显示模式可以加强信息交流,促进相互之间的交流花园专家和公众,以及可视化花园景观旅游经验也可以提高整个花园景观方案通过公众参与决策和其他手段(12]。因此,应用程序的虚拟现实(VR)的三维景观建筑和虚拟显示已经逐渐认可和给定的重要性(13]。今天,随着虚拟现实技术的快速发展,身临其境的浏览方法大大提高虚拟场景的浏览体验建立在现实的景观等景观和大大扩展了虚拟场景的浏览体验的想法建立在现实的景观等景观。沉浸式虚拟现实是一项新技术不同于原来的传统三维场景浏览;其值为用户是染料全面,无限的360°身临其境的场景,这似乎在现实场景中,用户可以自由浏览、漫游和经验(14- - - - - -19]。花园景观的虚拟显示可以使用浸入式虚拟现实技术超越时间和空间的限制,观察和欣赏自然科学和艺术的整体景观方案,和弥补缺乏现实的信息在传统三维景观展示,包括植被景观之间的阴影,渗透率总体空间布局,景观上的地形起伏的感官影响(20.]。通过加入新的展示方法,如互动体验或全息视频,可以充分利用计算机仿真的优点,提供一个高信息密度虚拟展示的花园景观21- - - - - -27]。
虚拟现实三维花园植被景观的现实主义的矛盾的数据量:园林景观是一个更特殊的景观的三维场景,为了确保花园的现实主义植被模型,经常在现场挽救其复杂的三维几何结构,大大增加了大量的现场数据。植被(包括树、草和花)模型具有复杂结构和多样性的特点,构建一个更现实的三维植被模型,加载3 d场景中大量增加的压力呈现3 d的整体景观花园,在虚拟现实显示器,这种矛盾更加无疑放大由于虚拟现实呈现双通道的特性(双眼视野)。为了提高现场现实主义和渲染效率,如何寻求一个平衡的渲染优化方案也是一个关键问题3 d花园景观建设和虚拟显示。针对上述需求和问题,本文综合利用虚拟现实技术,虚拟植物、GIS和参数化建模技术来设计和实现一个三维景观建筑系统,支持多平台的虚拟展示。和相应的渲染树优化进行了植被模型数据量大,而且每个模块集成实现建设,组织和虚拟显示三维景观作为一个整体。
2。三维景观空间的建设
2.1。3 d图形渲染引擎
目前,建设和显示三维场景仍然是研究的重点领域的计算机可视化和游戏领域的浸入式虚拟现实交互已经发展成为一个更加成熟和常用技术。作为3 d场景的建设的基础,有各种各样的选项3 d图形渲染引擎。更广泛使用的3 d图形渲染和模拟引擎有自己的特点,适合不同的应用场景,如表所示1。
上面的图形渲染引擎,UnrealEngine具有良好的物理和灯光效果,但由于其高度的商业化,应用程序内容是用户的购买限制访问,所以它更适合游戏的杰作,不适合低成本的应用开发;CryEngine具有良好的灯光渲染。然而,应用时间短,缺乏丰富的技术文档支持,和跨平台疲弱,它不适合3 d场景仿真应用程序变量。然而,由于其互动模块开发特点,更难以反映景观的优势OpenSceneGraph开源三维图形渲染引擎。开发3 d图形API(应用程序编程接口)行业基于OpenGL图形标准具有跨平台的特点和灵活使用。由于其开源特性,它被广泛应用于植被景观可视化、虚拟园林景观三维地理场景,等等。整合各个方面的优势,本文主要研究选择用OSG开发3 d图形呈现引擎为基础图形渲染和场景可视化。
本质上,用OSG场景图是一个3 d场景组织和管理方法,从早期的显示列表对象及其相互关系。场景图也可以被认为是一个数据管理方法与内部k-tree数据结构,中根节点作为场景本身和现场内容作为任意数量的子节点,每个商店自己的现场数据组织,包括3 d场景对象本身的信息,它们的属性,光源、相机的观点,和矩阵转换。
用OSG的图形渲染引擎的场景图特征有许多优点,包括以下:(1)标准场景图结构组织可以直接优化场景图遍历的算法高效场景图访问速度,可以实现高效的操作多个cpu的并行性。(2)其内核支持OpenGL的新版本的功能,使灵活的实现各种图形操作。(3)有内置的标准GLSL支持,所以你可以控制GPU渲染线程通过材质语言,使得仿真有效和现实有一个很大的改进空间。(4)它允许使用c++语言作为发动机的基础,将实用技术和c++语言的新特性,如泛化和设计模式。基于上述场景图的特点和优势,用OSG图形渲染引擎三维景观的特点符合许多元素和更难以组织可以通过节点结构和管理现场统一管理的相同类型的景观,如植被、水体和建筑群体,通过装卸的根节点。
2.2。用OSG场景渲染
用OSG图形渲染引擎的渲染过程可分为三个阶段根据数据传输过程。用户更新用户数据和管理阶段和组织各种物体的3 d场景根据他们的州,包括相机位置,场景对象的位置和属性状态。筛选阶段负责确定需要渲染场景内容。过滤阶段负责决定哪些场景内容需要呈现和无形的内容需要被排除和忽视,和排序的渲染管道对象相似的呈现状态根据场景结点状态设置为避免不必要的增加呈现消费由于频繁切换渲染状态。的最后阶段绘画阶段是专门负责图纸和软渲染的各种场景,遍历所有场景的渲染数据得出通过OpenGL函数封装在用OSG图形渲染引擎,通过现场数据到OpenGL画管道,并最终实现终端显示的景观。
的呈现过程用OSG图形渲染引擎,有一个单线程和多线程系统的区别。对于单线程的系统,用户阶段,三个阶段的筛选阶段,和绘画阶段是顺序执行的每一帧图形渲染,而对于多线程系统呈现过程,三个不同的执行阶段的图形渲染过程在两个相邻帧重叠,特别是用户更新阶段和现场过滤阶段和渲染图阶段不能以重叠的方式运行,但多线程系统允许用户更新阶段的下一帧画完前一帧之前执行,从而提高程序的渲染效率。进一步用OSG的图形渲染引擎允许多cpu系统执行筛选和绘画不同的图形显示设备通过不同的cpu,这保证了系统资源的利用率,提高3 d场景的渲染效率在底层实现实时渲染效果的虚拟显示(图1)。
三维景观虚拟显示系统与多个图形渲染窗口展示多端,用OSG的图形渲染引擎屏幕和吸引每个呈现观点相机单独为每个图形渲染窗口,这是虚拟现实的一个关键步骤显示为每个观点相机可能有不同的投影矩阵和观测矩阵的左和右视图、分别。然而,在用户阶段,每个图形渲染窗口的处理不需要单独多次执行,因为现场数据用OSG的图形渲染引擎是图形设备之间共享,也简化了场景的渲染过程。
景观设计的花园植物的细度的准确性在很大程度上取决于园林植物的三维模型的建设。植物的三维模型重建不同于建筑物和地形的三维模型重建,各种植物通常有更复杂的和不同的组织结构,和模型的构建需要相对复杂的技术手段。研究植物生长,植物和其他植物三维模型重建,需要的知识支持植物学、生态学、和其他专业学科建立更复杂的计算机算法来实现真正的繁殖的植物。同时,植物的三维建模是研究热点在许多领域如农学、植物学、生态学、计算机图形学和自然景观繁殖。模型的准确性,不同的应用领域有不同的要求,在园林植物景观规划、植被模型需要形象,现实的和温和的数据量。因此,3 d植物建模是三维景观的基础建设和科学分析植物与环境之间的兼容性,因此有必要提高植被景观的质量建设和提高植物景观规划的科学和社会效益和模型驱动和数据驱动组植物建模技术。有许多成熟的植物3 d建模方法。表2列出了几种建模方法目前应用国内外进行比较的建模效率,成本数据,数据库来源,最后构造模型的现实主义在很多方面,阐述了相应的建模方法的优缺点和适用的具体领域。
一般来说,目前的主要方式为植物的精细三维结构建模是三维可视化重建在电脑上通过树结构测量得到的数据,例如,郭岩等人构建相应的三维模型的玉米树冠通过测量玉米树冠的形态结构在不同生育阶段和使用为基础来分析光分布的影响在玉米对玉米生长和发育的树冠。植物建模基于激光点云数据的主要特点是高精度,高速度,和3 d立体扫描结构描述,但激光点云数据的缺点是数据量大、冗余度高,和复杂的处理,通常需要结合其他聚类算法对3 d建模。
基于上述研究,本文正是构造3 d参数高的树模型通过参数建模方法,它依赖于现实主义视觉模型构建软件由于树结构数据,结合各种建模方法的优点。参数模型建筑可以保留完整的植物生态特征和丰富景观的信息内容,可以为科学景观框架和显示有独特的优势。在3 d建模、领域常用的建模软件包括SpeedTree, Xfrog,佛瑞斯特,ParaTree。其中,ParaTreet parametric-based树建模软件开发的福州大学的研究小组应用作为参数的建模工具。ParaTree可以迅速建立一个高度现实基于植物的现实形态特征树模型使用一个参数交互建模方法,不需要用户拥有丰富的植物知识的基础,是一个易于使用,植物建模软件面向用户。另一方面,参数树模型建立了基于树结构参数的字段集合拥有丰富的植物形态特征,它可以提供一些支持3 d植被景观的建设,实现模拟高的植被景观的现实主义。
2.3。三维地形模型可视化技术
地形、地理景观的基础,是构建3 d花园景观的基础。的常见手段获取地形包括遥感卫星获取地形高程、地面激光雷达扫描,和基于图像的机载三维点云重建。通常地形高程特征遥感卫星适合大规模收购地理分析,和分辨率通常是10米至30米。地形的激光点云数据采集精度高的特点,详细的取样,可以准确地获得地面点的高程和表达花园表面的起伏特征,但地面激光雷达扫描,需要获得准确的三维高程点云数据通过配置多个小区域的地形测量网站,准确地表达了一个小地区的地形特征。缺点是需要激光扫描不同,这并不适用于一般的景观地形面积几平方公里。地面激光扫描收集点数据在更高的分辨率,但这种高精度方法也有一定的缺点;例如,纯地面的点云采集地形将会受到各种类型的冗余特性,如车辆、树木和建筑物。因此,点云数据收集的无人机需要通过点云的方法消除拒绝,和点云属于nonground分建筑和植被等消除保留纯地面点云数据。在上述过程中,拒绝无关的错误点云将导致地形空洞的现象。通常,我们认为地形作为平面连续分布; therefore, by analyzing the critical points of the void part, the terrain point cloud location of the void location is inferred and the terrain points are appropriately spatially interpolated. Spatial interpolation algorithm is a common tool in the process of laser point cloud data estimation, and there are many mature interpolation algorithms, including Sisson interpolation algorithm, area averaging method, kriging algorithm, and distance inverse method, as shown in Table3。
短剑从数据分析得出的结论,对于插值空间密集的网络,逆距离的方法有一定的优势。作为一种距离逆法、反距离加权法在附近使用点集的线性权重来计算未知点的位置,这是更适合插值的3 d地形密集的点云数据收集的无人机,并方便构建连续起伏的地形表面的特性。IDW基本插补过程的算法如图2。
反距离加权法规定,观察点接近未知点对应的搜索半径,作出更大贡献和观察点和未知的点之间的距离成反比的贡献值;因此,它也被称为逆距离加权法。逆距离加权空间插值算法具体通过假设未知的地形点的尸体。受到相邻半径内的点,而不是地形点远,具体插值点位置是由逆距离幂函数,和具体计算如下:
在上面的方程中,e我相邻点的高程和吗d我相邻点之间的距离,未知点的总数在未知点的邻域点;功率值等于1时,邻近点云的变化呈现线性变化的点距离的倒数。
因此,它被称为线性插值,但当腔大,线性插值将有一个大的冗余错误;因此,在三维点云插值,通常通过定义功率值值大于或等于2,避免未知点的邻近点改变率太大,飞机变化趋势补充腔后点云更温柔。
通过IDW空间插值,它可以确保生成的预测地形点的海拔范围的最大和最小值之间的原始点云高程,保证了均匀分布的地形和促进一个简单的地面数字高程模型的生成相应的区域和三维数字地形配置网络。在GIS、三维数字地形称为数字地形模型,它可以包含面积,体积,海拔高度、地形的起伏坡度等。数字地形高程数据描述,这是一个数字高程模型。通过构造一个网络数字高程模型,可以生成连续的地形表面。在三维景观、地形作为整个场景的建设的基础,和一般没有复杂的波动变化,所以使用普通的三角网格地形建设有一定的优势。
类似于真正的视觉场景,在取景器内的成像空间,更遥远的景观元素的角度小,显示和更紧密的景观元素的观点显示更大,而景观元素在取景器是不可见的。锥形视图是由六个飞机包括远切平面和附近的切平面,和它的边界是四个射线的某个范围的观点。用OSG的图形渲染引擎,节点状态转换的透视投影矩阵变换,这消除了无形的景观元素节点并保持可见的景观元素节点内部的观点。当有许多景观元素节点的3 d场景,数据计算基于视图体实时动态裁剪和耗时大,不符合快速绘制的初衷;因此,粗裁剪基于视图的身体通常是用于提高数据处理速度,避免大量的空间位置计算。具体来说,景观节点的左右位置关系判断是基于特定的边界面(直线)的视图的身体,如相应的图所示,和六个平面方程构成视图的身体实时计算。 在哪里我= 1,2,3,4,5,6,整个区间的坐标位置的景观节点替换为每架飞机方程来判断,如果方程都是大于0的值,这意味着把身体内的景观节点,可以绘制;如果f我值的方程是小于或等于0,把身体外的景观节点,需要消除。
2.4。虚拟现实模块集成
目前,虚拟现实技术已经显示出良好的发展趋势下波发展的计算机技术。阳澄湖的虚拟现实的主要供应商包括HTC和眼睛。其中,眼睛是虚拟现实领域的先驱,和它的虚拟现实设备OculusRift比其他虚拟现实设备,成熟发达与轻量级的特点,多界面,和容易发展,和它完全支持用OSG扩展,提供一个强大的SDK(软件开发工具包,SoftwareDevelopmentKit)。一个典型OculusRiftcvl设备系统包括Head-Mount-Display (HMD),两个激光定位传感器,和控制处理用于左和右的手,分别。实现虚拟现实沉浸式显示,虚拟现实模块需要实现和集成到三维景观建筑和虚拟显示系统实现三维景观建设的程序接口和虚拟显示系统。虚拟现实模块包括数据传输、设备创建、场景重新划定,观点构建和身临其境的现场展示。眼睛提供了一个功能丰富的设备开发接口,以适应不同的发展需求和使用用OSG图形渲染引擎结合OculusSDK专门构建整个虚拟现实显示功能模块,根据其功能实现的过程,和虚拟现实模块是专门分为四子:虚拟现实设备创建、现场数据传输,场景纹理rerender,观点建设和矩阵转换。
虚拟现实头盔显示装置连接到三维景观系统和整体三维景观场景之间的数据传输模块和虚拟实现浸入式呈现。基于用OSG引擎,三维景观系统有一个明确的组织层次结构的场景,特别是通过BoundingVolumeHierarchy (BVH)实现管理各种3 d对象的场景,和每一个3 d对象构成了景观是完全包含在一个封闭的几何羊城。每个3 d对象构成了景观完全包含在一个封闭的封闭几何图形,包括封闭盒子(立方体),封闭球(球),封闭圆柱体(圆柱体)和K-Dop。这样的结构组织现场确定现场由用OSG可以通过树状节点组织结构来组织各种类型的花园3 d之间的空间关系特征。一个完整的3 d场景有一个根节点,多个内部分支节点,子节点景观特别代表场景的构成。花园3 d场景组织通过一个树形结构,高级节点可以完全将低层节点,和整个3 d花园景观数据加载和卸载,只能操作的父节点,提高了整体系统的现场数据访问性能。
如图3的框架的改进改善森林场景更好。从传统用OSG的渲染方法35-42帧每秒每秒约60图像,渲染速度平均是30%左右,最高的着色速度每秒60毛巾的场景。的主要原因并不局限的图像重复率最高的桌面终端硬件显示、虚拟现实头盔显示器,因为镜头显示设备图像重复率更高,通过指定一个较小的区域的第一个用户透视图,GPU-accelerated渲染的应用方法基于GLSL方法可以显著提高三维景观场景的渲染效率与大量的树木和植被。因此,GLSL编程的应用方法与GPU加速画树模型与大量的方面可以有效改善3 d场景的渲染效率与一个小用户视图范围和少量的视图体裁剪操作,这在一定程度上可以帮助在身临其境的虚拟现实展示。
3所示。结果和分析
当虚拟现实模块的初始化过程结束,3 d花园场景的整体数据信息被接受,用户的空间构成数据在现场需要获得虚拟现实身临其境的现场施工的基础。眼睛设备控制虚拟现实施工过程通过环境指针对象OvrSession OculusSDK提供的,通过过程控制对象,它获取预设的用户的视野(FieldofView FOV)阳澄湖的双眼。在眼睛的设备系统中,FOV被描述为一组四个正切值,如图4,并通过四个方向的正切值,虚拟浸现场可以获得上的视野范围,降低,左,右四个方向的边界信息。现场图也可以被看作是一个数据管理方法与内部k-tree数据结构,基本节点作为场景本身和现场内容作为任意数量的子节点,每个商店自己的现场数据组织,包括3 d场景对象本身的信息,它们的属性,光源、相机角度,和矩阵转换。当场景从桌面显示再转移到虚拟现实头盔显示器,FOV需要范围,和固定的长宽比的视野的桌面虚拟现实中描述需要耳机显示设备作为一个扩展边缘视场相同的大小,以提高用户的沉浸。
眼睛的图显示了标准的坐标系统设备,+X方向是正确的,+Y方向,+Z方向指向用户的视线的方向(屏幕);飞机ABCD代表用户的实时视觉范围,以及线的投影是NP视线在水平面XOZ平面范围,所以还有用户的视觉范围角= 0,这是在眼睛的代表tan6 >正切值。通过这种方式,获得的正切值在每个四个方向相对于彼此的眼睛坐标系统,和用户的实时的视野是准确,提供空间定位系统显示的参数。与其他方法相比,应用基于GLSL GPU-accelerated渲染方法的方法可以显著提高三维景观场景的渲染效率与大量的树木和植被。
在虚拟现实环境中,简单的虚伪表面纹理映射在虚拟现实环境中会极大地增强了由于这一事实,在虚拟现实环境中,小面积的几何纹理映射将形成一个大的视觉差异下屏幕分辨率有限,导致视觉跳跃闪烁,这是常见的3 d场景用OSG建造的图形渲染引擎,通常通过视差映射的方法。这种现象是常见的3 d场景由用OSG图形引擎和通常由视差贴图减轻但可以大大提高程序的负担。为更好的3 d模型和纹理,抗锯齿技术为各种类型的图形是主要的手段改善阳澄湖的场景的现实主义。眼睛分层组件提供了多种视觉效果包括sRGB纠正呈现提供更好的支持抗锯齿图形,如图5。通常,如果程序需要详细的虚拟现实呈现,那么多分钟纹理补丁应该尽可能避免出现在视觉范围内。总之,本文使用MultiSamplingAntiAliasing (MSAA)更多的边缘纹理映射和虚拟现实身临其境的场景显示模型的细节,和渲染过程。MSAA帧缓存过程是由禁用默认用OSG在渲染帧缓存对象。
看来距离越小,绘制场景的数据量越小,这主要是由于不同的种植范围的视图的视图锥在不同的领域;看来距离越小,越少现场内容视图锥在阳澄湖的视野。的帧率(FPS,帧速率)下的森林场景分别获得四个观点,和不同的绘图方法的渲染效率可以通过比较分析更直观地反映出来。为了便于比较,程序帧速率得到每3秒,总共25倍(75秒),如图6。
特定的帧速率是通过统计状态设置用OSG的图形渲染引擎,每秒的帧数呈现和3 d场景的遍历更新时间计算,分别。基于距离的不同视图,我们分析观点1和观点2场景数据量较大,分别独立,有以下结果(图7)。的观点1,观点2,整个场景的渲染帧率浮动约4帧每秒,和现场图效果不太满意的阳澄湖里。相应地,场景绘制的帧速率GPU-accelerated渲染方法有小幅上升,但仍不能满足最低要求每秒30帧的3 d场景的实时渲染。因此,可以得出结论,当现场的总体数据量很大,GPU-accelerated渲染方法基于GLSL方法不能满足需求的实时渲染3 d风景,受限于硬件设备的性能和需要考虑的各种因素。
4所示。结论
实时3 d场景的需求,研究GPU-accelerated绘制和渲染的植被叶方面数据进行基于GLSL和树叶的统一呈现由OpenGL实现材质语言,和执行统一的方向矩阵运算方面的数据来模拟用OSG图形渲染引擎的广告牌作用减少GPU调用的数量,同时改善花园植被。景观的渲染效率降低,并进行比较分析不同植被渲染方法在羊城。实验结果表明,基于GLSL GPU-accelerated图方法可以显著提高3 d绘制帧率的花园景观植被与少量的现场数据和场景有一定的可行性。结合当前新技术的3 d场景建设和可视化、基于现有的森林资源管理软件VisForest这个研究团队,软件扩展了植被的功能互动的组织和管理,实时波动的水体建设、多道风景园林建设,组织和景观元素基于几何向量层。集成系统能够灵活地构建三维虚拟景观的形成,并根据实际测量数据,它可以建立高度现实的植被,水体,和建筑,提供一定支持虚拟仿真的三维景观,以及为用户提供更方便的技术手段升值,评估,和参观风景。
数据可用性
数据共享不适用本文没有生成数据集或在当前的研究分析。
同意
知情同意是获得所有个体参与者包括在这项研究中引用。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。