新技術(shù)在虛擬地理環(huán)境中的應(yīng)用

1、蔡地201248600108079中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院空間數(shù)據(jù)可視化方式的變遷精細(xì)化數(shù)字化立體化虛擬化計(jì)算機(jī)與人類認(rèn)識(shí)的隔閡 自從計(jì)算機(jī)發(fā)明以來(lái),計(jì)算機(jī)一直是傳統(tǒng)信息處理環(huán)境的主體,它只具有在數(shù)字化的單維信息空間中處理問(wèn)題的能力。而事實(shí)上,人類是依靠自己的感知和認(rèn)知能力全方位的獲取知識(shí),是在多維化的信息空間中認(rèn)識(shí)問(wèn)題。 這樣就產(chǎn)生了人類認(rèn)識(shí)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)空間與計(jì)算機(jī)處理問(wèn)題的信息空間不一致的矛盾,人類被排斥在計(jì)算機(jī)為主體的信息處理環(huán)境之外,而、且較難以直接理解信息處理工具的處理結(jié)果,更難以把人類的感知能力和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)信息處理環(huán)境直接聯(lián)系起來(lái)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality

2、,簡(jiǎn)稱VR;又譯作靈境)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。它是一項(xiàng)綜合集成技術(shù),涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域。 它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽、嗅等感覺,使人作為參與者通過(guò)適當(dāng)裝置,自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互,最終使得參與者產(chǎn)生身臨其境感覺,并且能直接參與該環(huán)境中事物的變化與相互作用。傳統(tǒng)方式與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的對(duì)比從外部去觀察仿真建模的結(jié)果通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)環(huán)境中的單維數(shù)字化信息發(fā)生作用沉浸(Immersion)到仿真建模的環(huán)境中通過(guò)多種傳感器與多維化信息的、適合人的環(huán)境發(fā)生交互作用傳統(tǒng)方式虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn) 動(dòng)態(tài)交互性-通過(guò)多種傳感器與多維化信息的、適合人的環(huán)境發(fā)

3、生交互作用 信息豐富-空間數(shù)據(jù)、影象、聲音等多媒體信息和遙感數(shù)據(jù) 時(shí)空維-既再現(xiàn)它的歷史,又虛擬它的未來(lái) 沉浸性-人能夠沉浸到仿真建模的環(huán)境中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成硬件構(gòu)成： 圖形工作站 顯示設(shè)備 傳感裝置軟件構(gòu)成： 交互控制軟件 場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)軟件 建模與渲染軟件 數(shù)據(jù)處理軟件顯示設(shè)備空間數(shù)據(jù)三維建模軟件三維渲染軟件三維模型圖形工作站用戶動(dòng)作傳感裝置交互控制軟件場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)軟件控制參數(shù)地理信息系統(tǒng)虛擬地理環(huán)境 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS技術(shù)高度結(jié)合實(shí)現(xiàn)二者一體化, 可形成虛擬地理環(huán)境系統(tǒng)。 虛擬地理環(huán)境源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),高于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).它最早是從地學(xué)的網(wǎng)絡(luò)可視化研究提出的,是一個(gè)關(guān)于地理系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室,強(qiáng)調(diào)

4、人的感知性和沉浸感,讓更多的地學(xué)工作者利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同時(shí)在虛擬的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行交流和討論. 虛擬地理環(huán)境集成了多源信息采集、地理信息系統(tǒng)、地理模型管理、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)、智能體等技術(shù)。虛擬地理環(huán)境的特征 以化身為基礎(chǔ) 多用戶 分布式 虛擬環(huán)境虛擬地理環(huán)境與傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)技術(shù)的區(qū)別：在虛擬地理環(huán)境中,從地理數(shù)據(jù)到多維表現(xiàn)以及多通道感知,貫穿了以人為中心和面向問(wèn)題解決的空間認(rèn)知關(guān)于數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)、模型的全過(guò)程,多維與動(dòng)態(tài)的分析方法自然就成為全面深入研究空間問(wèn)題的基本途徑.虛擬地理環(huán)境如何對(duì)人的認(rèn)知的影響1、虛擬地理環(huán)境拓展了人的空間認(rèn)知手段和范圍由計(jì)算機(jī)生成的虛擬地理環(huán)境是一個(gè)能給人提視覺、聽覺、觸覺

5、、嗅覺以及味覺等多種感官刺激的世界,即在虛擬地理環(huán)境中,不能只有一種感官刺激構(gòu)成。這樣的環(huán)境給身在其中的用戶帶來(lái)一種沉浸感。沉浸感帶給用戶對(duì)空間環(huán)境的“場(chǎng)依存性”,這種依存性能夠讓用戶覺得自己是計(jì)算機(jī)所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中的一部分,使人由旁觀者變?yōu)閰⑴c者,全身心的投入到虛擬世界中。2、虛擬地理環(huán)境改變了人的空間思維方式由符號(hào)構(gòu)成的地理空間知覺過(guò)程對(duì)地理事物本質(zhì)的映像將知覺的圖形再現(xiàn)出來(lái)回憶聯(lián)想心象地圖形成對(duì)地理空間整體的、動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的認(rèn)識(shí)記憶與聯(lián)系再現(xiàn)地圖二維地圖：包含制圖人員的抽象邏輯思維，直觀性差，圖面要素多，相互關(guān)系復(fù)雜。虛擬地理環(huán)境：形象思維與邏輯思維的結(jié)合，感性與理性并重，無(wú)論使用者是

6、否具有地圖使用經(jīng)驗(yàn),在虛擬地理環(huán)境中總是容易得到更多的潛在的空間信息。在虛擬地理環(huán)境中,使用者對(duì)外部環(huán)境的認(rèn)知是一種主動(dòng)的、導(dǎo)航的方式。他獲得的主要是過(guò)程性知識(shí),這與二維地圖有很大的不同。如何加強(qiáng)人在虛擬環(huán)境中的感受與認(rèn)知 視覺上： 高精度三維建模，最大化模擬現(xiàn)實(shí)世界的場(chǎng)景。 真實(shí)渲染引擎，模擬現(xiàn)實(shí)世界的物理現(xiàn)象及光影效果。 建立化身與用戶的協(xié)同控制（動(dòng)作一致，行為一致，最大化模擬用戶行為） 頭戴顯示裝置，使用戶沉浸在虛擬環(huán)境中 聽覺上： 環(huán)繞立體聲，使用戶可根據(jù)聲音判斷發(fā)聲物體（虛擬物體）的位置 知覺上： 模擬現(xiàn)實(shí)世界的觸感（技術(shù)還不完善） 嗅覺上： 模擬現(xiàn)實(shí)世界中的各種氣味（鳥語(yǔ)花香）加強(qiáng)

7、視覺感受 三維建模： Autodesk 3DS MAX Autodesk MAYA 渲染引擎： 虛幻4渲染引擎（UnrealEngine4） OpenSceneGraph（OSG）關(guān)于虛幻引擎的一些介紹 虛幻引擎的特性：引擎可以支持制作人員創(chuàng)建一個(gè)數(shù)百萬(wàn)多邊形組成的超精細(xì)模型，并對(duì)模型進(jìn)行細(xì)致的渲染，從而得到一張高品質(zhì)的法線貼圖，這張法線貼圖中記錄了高精度模型的所有光照信息和通道信息。在游戲最終運(yùn)行的時(shí)候，游戲會(huì)自動(dòng)將這張帶有全部渲染信息的法線貼圖應(yīng)用到一個(gè)低多邊形數(shù)量(通常在5000-15000多邊形)的模型上。這樣的效果就是游戲的模型雖然多邊形數(shù)量比較少但是其渲染精度幾乎和數(shù)百萬(wàn)多邊形的模

8、型一樣，這樣可以在保證效果的同時(shí)在最大程度上節(jié)省顯卡的計(jì)算資源。 虛幻編輯器（UnrealEd）：虛幻的編輯器(簡(jiǎn)稱為“UnrealEd”)是一個(gè)以“所見即所得”為設(shè)計(jì)理念的操作工具,它可以很好地彌補(bǔ)一些在3DStudioMax和Maya中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的不足,并很好地運(yùn)用到游戲開發(fā)里去。在可視化的編輯窗口中游戲開發(fā)人員可以直接對(duì)游戲中角色,NPC,物品道具,AI的路點(diǎn)及光源進(jìn)行自由的擺放和屬性的控制,并且全部是實(shí)時(shí)渲染的。(并且這種實(shí)時(shí)渲染還有動(dòng)態(tài)的光影效果。)在虛幻的引擎中為了游戲開發(fā)的程序員們能夠更好地進(jìn)行編寫,提供了3個(gè)非常具體的編寫實(shí)例和百分之百開放的源代碼,編輯器,Max/Maya的輸出

9、插件,以及一些公司內(nèi)部開發(fā)游戲所使用到的游戲代碼?；砼c用戶的協(xié)同動(dòng)作 MicrosoftKinectKinect是微軟在2010年6月14日對(duì)XBOX360體感周邊外設(shè)正式發(fā)布的名字特點(diǎn)： 不需要使用任何控制器，依靠相機(jī)捕捉三維空間中玩家的運(yùn)動(dòng) 可進(jìn)行全身動(dòng)作的捕捉（步伐，手臂，手指，腿部動(dòng)作等） 多點(diǎn)陣列式麥克風(fēng)，可辨認(rèn)聲音 面部識(shí)別 2011年6月推出了KinectforWindowsSDKBeta，可以使用C#與.NETFramework4.0來(lái)進(jìn)行開發(fā)沉浸于虛擬環(huán)境之中 SONYHMZ-T23D頭戴顯示器 分辨率：1280*720 支持3D顯示 相當(dāng)于在20米處觀看750寸屏幕虛擬地

10、理環(huán)境的設(shè)備架設(shè)示意圖 在硬件設(shè)備搭建完成后，通過(guò)軟件模擬，即可形成一個(gè)虛擬地理環(huán)境，供用戶使用?；碛脩籼摂M地理環(huán)境動(dòng)作控制交互視聽感受、知覺、觸覺化身對(duì)虛擬地理環(huán)境的控制，可包括對(duì)環(huán)境的觀察，聆聽，觸摸甚至改造而在控制的過(guò)程中，環(huán)境也能對(duì)化身進(jìn)行，觸覺，嗅覺等的反饋，進(jìn)而影響用戶虛擬地理環(huán)境的應(yīng)用方向 在城市規(guī)劃中的應(yīng)用（時(shí)空維度與數(shù)據(jù)分析） 虛擬旅游（空間維度與時(shí)間維度的跨越） 建筑設(shè)計(jì)（在建筑物中漫游，更易獲取建筑給人的直觀感受） 虛擬實(shí)驗(yàn)（降低實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性，縮短時(shí)間，降低成本）虛擬地理環(huán)境在虛擬旅游方面的應(yīng)用 虛擬地理環(huán)境能逼真動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)旅游規(guī)劃設(shè)計(jì)方案,給人以身臨其境的沉浸感。目前的

11、旅游規(guī)劃設(shè)計(jì)方案,主要是通過(guò)文字、表格和圖件等靜態(tài)形式展現(xiàn)出來(lái),其中絕大多數(shù)圖件都是二維平面的,即使是透視效果圖,也只能反映兩個(gè)側(cè)面,缺乏逼真的全方位立體感和動(dòng)態(tài)感,也不利于規(guī)劃方案的評(píng)判。 然而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)卻不同,它是由規(guī)劃設(shè)計(jì)人員根據(jù)客戶及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,將一個(gè)旅游地的地形地貌、氣候水文、植被土壤、土地利用現(xiàn)狀、社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景、區(qū)位條件、旅游資源、旅游線路以及各種旅游需求等大量信息建成數(shù)據(jù)庫(kù),并變換成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),然后通過(guò)該系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話工具,進(jìn)入具有視聽功能的三維動(dòng)畫效果的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境(模型)中漫游,給人以身臨其境的沉浸感(包括視覺、觸覺和聽覺)。這是傳統(tǒng)規(guī)劃方案難以達(dá)到的。 虛擬旅游通常包括以下4種方式：u 現(xiàn)存景觀的虛擬旅游。u 再現(xiàn)景觀的虛擬旅游。u 未建成景觀的虛擬旅游。u 目前人類還不太可能到達(dá)的虛擬旅游。 虛擬旅游為人們提供了2種超越現(xiàn)實(shí)的旅游