三维场景中自动漫游技术的研究

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1、三维场景中自动漫游技术的研究12杨伟铭，孟丽（1.总后勤部科学研究所，北京1000792.总参测绘信息中心，北京100088）摘要:分析和总结了三维场景中漫游操作各种方式及其算法实现，提出了一种基于矩阵运算的自动漫游方法，并对特殊情况进行了处理。实验表明，该方法具有一定的实用性。关键词:三维场景；自动漫游；视点；视线漫游是三维场景的重要功能，通过漫游，观察者可以浏览三维场景任何一个角落，可以驻足观察三维场景中的任何一个物体。三维场景中漫游的算法和应用已经较为成熟，而有关三维场景中自动漫游的研究相对较少。本文就是在研究三

2、维场景中漫游操作算法的基础之上，结合实际应用的需求，对三维场景中自动漫游技术进行研究，并设计现实了一种三维场景自动漫游的方法。1漫游的概念及几种漫游方式分析1．1漫游的概念漫游操作是三维图形系统非常重要的功能，三维场景的漫游就是观察者在三维空间中不断改变视点的位置，并进行俯视、仰视．环视等多种方式的观察。由计算机图形学理论可知，对于一个构造在世界坐标系中的三维场景，漫游的本质就是通过改变观察空间来达到从不同位置、不同角度观察场景的目的。三维场景漫游的应用较为成熟，国内外的许多著名三维场景浏览软件都提供了漫游的功能，目前

3、应用较为广泛的漫游方式主要有以下几种。1.2鼠标漫游鼠标漫游是观察者通过操纵鼠标来实现在三维场景中的精准漫游。首先根据鼠标的动作得到鼠标在视点坐标系（相对于显示器）内的位移dx、dy，然后将dx、dy变换到世界坐标系中的视点的位移dX、dY。鼠标漫游的算法原理和实现都很简单，但应用存在明显的局限性。鼠标漫游是在显示器屏幕的二维平面内操作实现的，首先，这种操作不可能完全控制三维空间中的三维方向，只能实现左移、右移、上移、下移四种操作。其次，显示器的屏幕范围有限，也导致每次鼠标漫游范围的有限性，这就不适合大范围场景的漫游。

4、因此，鼠标漫游多作为三维场景漫游的辅助方式。1.3键盘漫游键盘漫游是三维软件漫游应用最为广泛的方式，键盘漫游的过程就是一个根据键盘漫游命令连续不断改变视点位置或视线方向并渲染场景的过程。系统通过定义不同的键值来控制视点和视线的参数，观察者就可以操纵键盘轻松实现三维场景的任意漫游。按照这种操作方式，通过空间向量的分解运算，就可以计算出新的视点坐标和视线方向。如图1所示，当系统响应键盘前进操作时的计算公式为：CamPos.X=CamPos.X+Speed*sin(angY)CamPos.Z=CamPos.X+Speed*c

5、os(angY)426CamPos.Y=CamPos.Y其中，CamPos为视点当前的空间坐标，angY为视线绕Y轴的旋转角度，View为视线的方向，Speed为视点前进的步长。YXangYZView图1键盘操作前进示意图通常键盘漫游命令包括：前进、后退、左转、右转、上升、下降、俯视、仰视、左移、右移十种。通过键盘操作实现对三维场景漫游虽然灵活、方便，但其最大的不足在于操作时观察者需要不断的按键，操作烦琐。1.4路径漫游路径漫游是通过先设置漫游路径，然后在将视点沿着路径移动，并将视线和路径方向保持一致的漫游方式。路径漫

6、游有很多种设置方式，最常用的是在场景平面图上用鼠标点取控制点设置路径的方式。该方法的设置过程如下：首先，将场景在顶视图中显示，然后用鼠标在窗口点取一系列控制点，并指定每个控制点的高程，这样得到一条空间的折线。然后计算相邻两个控制点之间的空间距离，根据漫游速度计算线性插值的密度，每计算出一个插值点就将该点作为新的视点，并由相邻两个点来计算视线的方向向量。路径漫游的优点是，观察者可以设置任意路径到达场景的任何位置；路径可以由控制点准确、直观地加以确定；插值点计算简单。但这种路径表示也有一个缺点，就是控制点之间连线容易穿越场

7、景中的物体，控制点的高程必须逐个设定。1.5视点列表视点列表是一种少见的漫游方式。观察者通过在漫游的过程中，把选择好的当前观察点保存至视点列表，当观察者选择列表框中的视点位置时，三维场景将定位到视点名称对应的场景位置。视点列表最大的优点是可以快捷的进行场景漫游，并在各种视点位置间进行切换。缺点是必须以他漫游方式为基础，预先编辑好一个视点列表。除上述的漫游方式外，新出现的方向杆和三维鼠标可以方便的用于三维场景的漫游，然而其硬件的昂贵费用使得这些漫游方式的应用很难推广。2自动漫游的基本原理及实现步骤2.1自动漫游的概念所谓

8、自动漫游，就是当三维场景浏览系统处于无人操作的环境时，系统应该能够切入一个自动漫游的状态，即系统自动的改变视点的位置及视线的方向，从而引导观察者进行三维场景自动漫游浏览，表现在视觉效果上为在场景中自动飞行。自动漫游场景涉及到场景中视点的变换，因此，还必须解决以下三个问题：4271)漫游路线的随机性，自动漫游时，漫游路线由系统随机选