道路工程网络三维交互式可视化关键技术及应用Word格式文档下载.docx
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第一章绪论
1.1引言
科学计算可视化是发达国家在80年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。
美国国家科学基金会（NSF）1987年2月专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化”这一全新的解决方案,简称ViSC（VisualizationinScientificComputing）或SV（ScientificVisualization），一门崭新的交叉学科应运而生[1]。
此后，科学计算可视化成为近二十年来国际学术会议讨论的一个热点问题。
自1990年以来，美国电气和电子工程师学会（IEEE）每年举行一次有关科学计算可视化的学术会议，出版论文集。
自1995年开始，美国IEEE汇刊中又增加了一种刊物“IEEETransactionsonVisuali-zationandComputerGraphics”。
与此同时，美国、德国的超级计算机中心、研究所及大公司着手开发用于科学计算可视化的软件系统，并形成商品推向市场。
如美国Stardent计算机公司推出的AVS系统，美国俄亥俄超级计算机中心开发的APE系统，德国达姆斯达特FHG-AGD研究中心开发的VIS-A-VIS系统等。
经过近二十年的发展，科学计算可视化理论和方法的研究已经在国际上蓬勃开展起来并开始走向应用[2]。
随着互联网的迅速普及，传统的单机科学计算可视化也开始逐步朝着网络三维可视化（Web3DVisualization，本文中简称为Web3D）的方向发展，网络三维可视化技术的目的在于在互联网上建立三维的虚拟世界。
由于具有信息表现形式直观生动、跨越地域限制、最大程度地实现了数据共享和融合等显著特点，网络三维可视化技术已经成为当前科学可视化新的发展方向。
Web3D是三维可视化与互联网的有机结合，是三维可视化在广域网环境下的一种应用。
Web3D技术虽然是近十年才逐渐发展起来的，但它的出现使得远程用户能够突破地域限制身临其境地浏览到三维交互式动画场景，所以从信息技术的角度而言，Web3D能最大程度地保证使用者实时、生动、直观地从任意角度浏览到三维场景所要表达的信息，并能借助于无处不在的网络将这种信息的触角延伸到世界每一个角落。
Web3D技术的应用极其广泛，几乎可涉及自然科学和工程技术的所有领域，能很好地推动传统科学可视化的进一步发展和普及，在道路工程中的应用更是可以贯穿设计、建设及运营的全生命周期，更好地促进道路工程领域的信息化、科学化进程。
作为构建“数字公（铁）路”的基础核心技术之一，Web3D技术在道路三维可视化协同设计、道路建设与运营的远程管理等方面都将具有广阔的应用前景。
1.2研究目的及意义
当前的道路三维可视化还只能实现单机环境下道路三维建模与动态交互式浏览，为了实现网络环境下的道路三维可视化，还存在网络框架总体设计、海量三维模型数据的调度与快速传输、与网络地理信息系统集成等问题尚需研究。
针对道路工程网络三维可视化的难点问题，本研究提出了一揽子相应的算法和策略，并将研究成果运用于高速公路建设管理中。
本研究的研究意义如下：
1.道路设计：
可在设计过程中逼真呈现道路建成后的场景，为方案评审、环境评估、安全审计等提供直观的辅助设计工具，特别是通过互联网不同地域设计人员可以进行可视化的协同设计，可充分满足道路设计的群体性、交互性、分布性和协调性的客观需求。
2.道路施工：
可完全呈现道路建设区域地理环境、施工进度的真实情况，使各级决策层及管理、技术人员无论走到哪里，无论何时，都可按优先级别在道路虚拟场景中得到任何一个地方、任何部门的信息，这一信息以动静结合、具有高度沉浸感和临场感、交互方便的特性及表现方式展现在用户面前，为决策及生产指挥提供依据。
3.道路运营：
建立反映道路运输状况的虚拟电子沙盘，能较好地适应道路点多、线长、面广的特点，为事故抢险、设备维修、路径优化选择、列车追踪、道路安全管理等提供科学决策的依据。
通过网络平台上可视化数据的共享，使管理者及时直观地了解全线道路信息，对全线运转状态进行统一的调度与管理，真正做到管理意义上的“所见即所得”。
1.3国内外研究现状
自20世纪90年代初开始，国内外学者、研究机构及著名软件公司针对道路三维可视化开展了长期深入的研究，取得了丰硕的成果，主要进展工作有：
1.3.1道路三维建模
国外几个著名的道路设计系统如：
美国Intergraph公司的InRoads和InRail系统，英国的MX系统和德国的CARD/1系统均具有三维建模功能[3,4]，其中英国的MX系统最具代表性，其最大的特点是采用了独特的“串”的概念，地表面模型表达采用串线，将“点集串”的概念扩展到“建议面”用来表达人工构造面模型。
国内学者在道路三维建模方面研究的总体思路是采用Delaunay三角化算法建立数字地形模型；
采用Coons曲面片或三角网建立道路设计面模型，然后将二者拼合成整体模型[5,6]。
其中，道路模型与地形模型的拼合问题是道路三维建模的难点，东南大学王福建博士将其归纳为线与面、面与面、面与网的相交等几种情况分别处理，并对求出的交线（点）作有效性判别[7]；
中南大学道路与铁道工程研究所提出的“地形裁剪算法”[8]，应用约束Delaunay三角网理论将道路模型区域内的地形首先删除，再与道路模型无缝拼合，使原来的分段分情况进行的交、并、差运算，转化为全线一次性的求并运算，简化了拼合计算过程。
可见，国内外现有的三维建模方法都是采用分割—归并的思想，分别建立道路和地形的三维模型，然后将二者拼合。
这种方法虽然实现了道路模型与地面模型外观的整合，但模型之间的拓扑结构是完全割裂的，给后续的模型简化带来困难。
因此，迄今为止，国内外现有的算法只能针对道路场景中的部分模型（地形模型或道路模型）实施简化，针对道路整体模型的简化问题还有待进一步研究。
1.3.2道路模型视相关简化
早期的道路三维解决方案[9,10]通常采用前述方法建立道路三维模型，然后导入3DSMAX（或其它三维图形处理软件）渲染，生成指定路径的道路三维动态场景。
这一技术已被广泛地应用于道路的设计方案审查，并在国内各道路勘测设计部门推广应用，该技术存在以下不足：
（1）缺乏实时性：
由于道路三维场景十分复杂、庞大，使得制作过程需要耗费大量的时间和空间，即使采用较高档的硬件配置，用户也往往要等候较长的时间才能浏览到道路的三维动态效果。
（2）缺乏交互性：
浏览路径一旦选定，难于再次修改，浏览者只是被动的听众或者观众，无法成为方案的体验者。
为了解决这些问题，国内外学者开展了实时交互式可视化的研究，其核心问题在于复杂模型的视相关简化，即通过采用适当的算法，在不影响视觉效果的前提下，对场景的绘制进行简化加速。
模型简化技术的研究可以追溯到1976年，Clark首次提出了LOD技术[11]，其基本思想是：
用具有多层次结构的物体集合描述一个场景，即场景中的物体具有多个模型，其模型间的区别在于细节的描述程度，实时显示时，细节较简单的物体模型就可以用来提高显示速度。
一直到上世纪90年代前半期,研究工作主要集中在离散LOD（LevelsofDetail,LOD）模型的生成及实时显示方面[12,13]，即预先生成多个离散的不同细节层次的模型，交互过程中对于每个特定的场景只需选择一个合适的LOD模型进行渲染。
由于不同的LOD模型之间在拓扑结构上互不相关，因此不同模型间进行切换时，在视觉上会引起明显的突跳感。
为了从根本上改变离散LOD技术存在的上述问题，近年来出现了连续LOD模型。
它是一种紧凑的模型表示方法，从这个表示中可以生成任意多个不同分辨率的模型，从而实现模型的连续显示。
其优点是两个前后相继的LOD模型的差别相对较小，进行模型切换时只会引起视觉上非常微小的变化。
Hoppe[14]提出的可根据需要控制生成三角形的数目的视点相关累进网格法；
MarkDuchaineau等[15]提出的一种基于三角形二叉树划分的实时优化自适应网格（ROAM，Real-TimeOptimallyAdaptingMeshes）算法是这一类方法的典型代表。
中南大学道路与铁道工程研究所是国内较早从事道路模型视相关简化研究的单位之一，针对道路场景模型，提出了基于边的数据结构，依据二次误差测度构建有序的边折叠操作层次结构，建立了综合考虑视锥截取、背面剔除及屏幕投影误差的视相关简化准则，根据这些准则从层次结构中确定视相关网格模型，从而构建出连续的道路LOD模型[16,17]。
模型简化技术的研究为实现道路场景的实时交互式可视化奠定了基础，但由于现有的模型简化算法普遍针对单机硬件环境，较少考虑数据I/O所耗费的时间，不能直接将其应用于道路工程网络三维可视化的研究与应用中。
因而，网络环境下面向模型数据快速传输的模型视相关简化方法还有待进一步深入研究。
1.3.3网络框架总体设计
在网络框架总体设计研究方面，面向道路三维场景的研究很少见诸于文献，相关的研究以三维地形网络可视化为主：
（1）1995年,DavidKoller等人提出了三维地球的初步设计模型VGIS[18],对于虚拟三维地球的研究做出了很好的探索。
（2）美国Keyhole公司[19]在2001年开发的EarthSystem是迄今为止较为完善的网络三维图形信息系统。
但它对计算机的配置特别是显卡要求很高,一般运行在配有NVIDIA显卡的客户端上。
（3）Teler等人提出了服务器端只渲染最低层次的元素,并把处理结果以图像的形式返回客户端,而其它的LODs作为三维模型传到客户端,可视化工作在客户端进行[20]。
这样做的好处是最低一层的LOD渲染时间加上图像传输时间比直接传输三维模型的时间要少，但大量元素和客户机同时运行时,即使最低层次数据的可视化过程也会非常复杂,服务器的负载过重。
（4）用Scense8和SGI的OpenGLVizserver开发的虚拟环境软件WorldToolKit提供了一个基于client/server虚拟场景的开发环境[21]。
WorldToolKit虽然能够提供高质量的图形,但所有的渲染工作全部在SGI服务器上完成,三维场景作为图片传到客户端上,即使客户端的计算机配置很高,也需要昂贵的服务器.
（5）武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室朱庆教授结合数码城市GIS软件的研发，提出了基于Web的3D城市模型浏览器插件的体系结构[22]，采用Java和Java3D实现了客户端三维数据在线操作与动态显示。
（6）中科院遥感科学国家重点实验室张立强等借助COM技术设计了一个基于网络的地形三维可视化系统[23]。
该系统采用椭球四叉树空间索引、渐进传输技术和地形简化算法,通过把海量空间数据发布到PC上,满足多用户并发浏览、查询和分析的需要。
网络环境下三维地形可视化信息系统的研究已经取得了一些进展，对道路工程网络三维可视化研究具有一定的参考价值。
但总体看来，现有研究成果在网络框架总体设计、海量三维模型数据调度与传输、模型整体简化等方面仍然缺少成熟而简单易行的方法。
并且，大多数成果都基于虚拟现实造型语言（VirtualRealityModelingLanguage，简称VRML）开发，随着Web技术的迅速发展和VRML应用领域的扩展，VRML逐渐暴露出了它的缺点，如属性过多难于实现、处理复杂场景时数据冗余过多、与其它应用集成困难、稳定性和一致性不能满足用户要求等问题。
因此，选取适应道路工程Web3D需求的客户端渲染引擎、开发海量模型数据快速传输的策略和算法、在客户端高效地渲染道路三维场景是本文需研究的几个重点问题。
1.3.4客户端渲染引擎
当前Web3D客户端场景渲染引擎尚处于群雄割据的状况，有多种实现方式，主流的客户端引擎有多种，如VRML、Java3D、Jogl、Cult3D等，还没有形成各个开发者都遵守的统一标准，这是Web3D走向普及面临的最大问题之一。
但从另一角度而言，目前Web3D还处于发展阶段，这种格局更有利于它的创新和发展，以下简要介绍几种主流的Web3D客户端引擎技术。
1）VRML[24,25]
1994年3月在日内瓦召开的第一届WWW大会上，首次正式提出了VRML（VirtualRealityModelingLanguage,虚拟现实造型语言）这个名字。
1994年10月在芝加哥召开的第二届WWW大会上公布了规范的VRML1.0草案，以期待像Html（超文本标记语言）作为互联网文本传输协议那样，在互联网界形成一个统一的三维虚拟场景构建的国际标准。
1996年在新奥尔良召开的优秀3D图形技术会议Siggraph’96上公布通过了规范的VRML2.0第一版。
它在VRML1.0的基础上进行了很大的补充和完善。
它是以SGI公司的动态境界Movingworlds提案为基础的。
1997年12月VRML作为国际标准正式发布，1998年1月正式获得国际标准化组织ISO批准，简称VRML97，VRML97只是在VRML2.0基础进行上进行了少量的修正和改进。
SUN公司于1997年推出专门应用于三维图形应用领域的Java3D开发包。
Java3D是在OpenGL、DirectX等三维图形标准的基础上发展起来的，它的编程模型是基于图像场景的，这就消除了以前的API强加给编程人员的繁琐细节，允许编程人员更多的考虑场景及其组织，而非底层渲染代码。
2002年VRML设计小组发表了VRML的后续技术“X3D”，但由于运行缓慢，功能不完备，所以并没有得到开发商等方面的普遍认可。
虽然VRML及后续的X3D是作为Web3D领域的国际标准，但由于其存在数据文件太大、缺乏数据库接口、效率很低、缺乏场景控制等明显弱点，很多Web3D应用特别是大型复杂场景的项目都没有应用它来实现。
2）Java3D[26-28]
Java3D由SUN公司在1998年年底正式推出，它是一个应用程序接口（API），用来构建带有三维图形的桌面应用程序和Applet网页程序，它作为Java语言的扩展，将Java“一次书写，随处运行”的优点带给了三维图形领域，使得Java3D能运行于多种平台。
采用Java3D编写的应用程序和Applet可以访问所有的Java类，使它易于与Internet集成。
Java3D的思想来源于现存的各种图形API及多种新技术，其低层图形结构综合了其他低层API（Direct3D、OpenGL、QuickDraw3D和XGL）的优点，相应的其高层结构也综合了多个图形系统的优点，它为开发者提供了高层建造工具，用来创建和操作三维图形，并构造了用于渲染图形的组织结构。
Java3D的设计有几个目标，最重要的一点是高性能，另一些重要目标包括：
图1-1采用Java3D实现的网络三维虚拟社区
（1）提供一套丰富的特性，避免枝节性和模糊性；
（2）提供一个高层的面向对象编程模型，使开发人员能快速开发复杂的应用程序和Applet；
（3）支持运行时装载器，这样Java3D就可以兼容多种文件格式，包括各种厂商自定义格式和VRML97。
Java3D实现了以下三维显示所需要的功能：
（1）生成简单或复杂的形体（也可以调用现有的三维形体）。
（2）使形体具有颜色、透明效果、贴图。
（3）在三维环境中生成灯光、移动灯光。
（4）具有行为的处理判断能力（键盘、鼠标、定时等）。
（5）生成雾、背景、声音。
（6）使形体变形、移动、生成三维动画。
（7）编写复杂的应用程序，用于各种领域如VR（虚拟现实）。
Java3D是一个面向对象的API。
应用程序把单独的图形元素作为分离的对象来构造,然后将其连接到一个树型结构（场景图）中，其编程模型基于图形场景，从而为描绘和渲染场景提供了一个简单灵活的机制。
场景图即对整个场景的完整描述，包括图形数据、属性信息和视点信息，利用这些数据，就可以从一个特定视点来渲染图形。
Java3D消除了以前的API强加给编程人员的繁琐细节，允许编程人员更多地考虑形体本身，而不是组成它们的那些三角形面—即考虑场景及其组织，而非底层渲染代码。
因此Java3D能为Web3D提供很好的性能，一个使用Java3D作为网络虚拟社区应用的案例如图1-1所示。
3）Jogl[28-31]
Jogl即Java+OpenGL，由Sun公司的两位资深计算机图形学专家KenRussel和ChrisKline最先开发而成的开源Web3D引擎，是Java语言对OpenGL的绑定，即通过Java本地接口的方式（JavaNativeInterface—JNI）对OpenGL技术进行访问和使用。
JNI是Java与其它编程语言的集成编程接口，它允许在Java虚拟机（JavaVirtualMachine，即JVM）上运行的Java代码调用其他语言，例如C,C++和汇编语言编写的动态连接库。
而且也允许在本地应用程序中嵌入Java虚拟机。
这样Java代码与其他语言编写的库和应用程序就能够互相调用。
在Java中调用其它编程语言生成的代码是通过动态连接库或者共享对象库的方式实现的，而在其他语言中调用Java对象是通过引用指向Java对象的指针来实现的。
如前文中所述，Java3D软件包在底层使用了OpenGL技术作为支持，是结合Java语言和OpenGL的一种有效解决方案，但是它并没有保留OpenGL程序的编写规则，而是将实现过程封装在API内部。
这样实现的优点是简化了使用者的编程工作量，在构造简单场景时候更是非常有效。
但缺点也很明显，就是这种封装掩盖了内部细节实现，束缚了程序员的思想。
并且由于代码编写上和传统的OpenGL规则基本没有相似的地方，这对于一个熟练的OpenGL程序员转来编写Java3D程序的话，原来的开发经验不会有任何用处，这个特性降低了Java3D的开发效率，局限了Java3D的推广。
而Jogl所采用的Java通过JNI调用OpenGL的方式可使复杂的运算转移到系统级，大大提高了运算速度和效率，使得互联网上复杂的三维场景通过程序实现成为可能。
当前Sun公司游戏小组正在使用Jogl来开发各种高级三维应用，如虚拟社区、游戏等，使用该Jogl最著名的案例是美国NASA的WorldWind数字地球项目，如图1-2所示。
图1-2采用Jogl实现的NASAWorldWind数字地球
其它Web3D引擎如Shockwave3D、Cult3D等偏重于满足电子商务所需求的场景精细化要求，多用于小规模三维场景的构建，在此不赘述。
Web3D最初应用于电子商务、小型游戏等场景简单、数据量小的领域，但随着其应用领域的扩大和应用程度的加深，针对复杂场景和海量数据的处理方法逐渐成为Web3D领域研究的重点。
1.4主要研究内容
本文的研究内容主要为以下几个方面:
1.道路工程Web3D网络框架总体设计
网络框架是Web3D应用系统的基础，直接关系到Web3D系统的效率、稳定性和可扩展性，因此选择合适的网络体系结构和客户端引擎是本文需要考虑的首要问题。
2.海量数据的管理、调度与传输
道路三维场景的模型数据量通常呈海量分布，如何将海量数据在“服务器硬盘-服务器内存-网络-客户端内存-客户端硬盘”这条“传送链”上高效地管理和快速地传输是本文需要研究的重点问题，本文从如建立缓冲区、压缩传输、多线程数据下载等多个方面着手，并结合模型离散化、网络环境下模型简化等“软”的技术手段来解决此问题。
3.网络环境下三维模型简化
在Web3D应用中，客户端的硬件水平参差不齐，为解决海量三维模型数据场景渲染与网络带宽及客户端微机硬件的矛盾，必须从三维模型内部几何结构着手进行面向网络快速传输的模型简化，即：
在保证尽可能小的视觉损失的前提下减少初始需要渲染的几何体的数量，并且简化后的模型应具有恢复到原始精度的能力。
本文运用多分辨率细节层次模型和可视范围撷取两种模型简化方法，实现了网络环境下地形三维模型的简化，进一步提高了海量模型数据的传输效率。
4.与WebGIS平台集成及其应用
WebGIS（WebGeographicInformationSystem,网络地理信息系统）是GIS与分布式计算技术发展相结合的产物，它将目前作为信息发布共享的平台因特网作为一个能够承载地理信息空间信息的平台，在Web上提供地理空间数据的共享访问。
将Web3D技术与WebGIS结合集成起来构建成一个信息可视化综合平台则可以从更多维度来管理、展示和分析道路工程中的各种信息。
本文研究了基于MapXtreme的道路工程WebGIS系统构建技术，将其与道路工程Web3D系统集成，并综合运用于高速公路建设信息可视化综合查询中，使得远程用户可以随时随地在二维平纵电子地图或三维交互式场景中查询各种工程建设信息和道路属性信息。
1.5论文结构
本论文共由八章组成。
第一章绪论，介绍论文的研究目的、意义及国内外发展概况，主要研究内容等。
第二章网络框架总体设计，研究了道路工程Web3D系统的基础网络结构的构成方法，设计了基于三层B/S模式的道路Web3D系统框架，并介绍了实现各层的途径。
第三章道路三维模型构建，研究了三维几何模型的主要表示方法，并详细阐述了组成道路场景的地形三维模型和道路三维模型的构建方法。
第四章网络环境下模型数据的调度与传输，首先研究了传统的面向单机三维可视化场景快速绘制的层次细节模型算法，以此为基础提出了一种面向网络快速传输Delaunay不规则三角网数字地面模型的多分辨率简化算法，并提出了一揽子优化海量模型数据网络传输的策略。
第五章客户端三维模
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