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34 信息化测绘技术应用TECHNOLOGY APPLICATION摘 要：基于osgEarth 开源库，使用其自带的dem 高程数据和dom 正射影像数据切片工具，对数据进行金字塔切片，通过配置文件实现矢量数据、瓦片数据、三维模型的加载和显示，快速构建简单的三维场景。
关键词：osgEarth；天地图；dem；dom;三维模型基于osgEarth 的本地化三维场景构建和应用刘洪双（河南省地图院，河南 郑州 450008）作者简介：刘洪双 (1977― )，男，汉族，从事地图测绘程序研发工作。
E-mail:37735159@1 引言openSceneGraph 是一个开源的三维引擎，被广泛地应用在可视化仿真、游戏、虚拟现实、科学计算、三维重建、地理信息、太空探索、石油矿产等领域。
osg 采用标准C++和OpenGL 编写而成，可运行在所有的Windows 平台、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、HP-Ux、AIX、Android 和FreeBSD 操作系统。
osgEarth 是基于三维引擎osg 开发的三维数字地球引擎库，在osg 基础上实现了瓦片调度插件，可选的四杈树调度插件，更多的地理数据加载插件（包括GDAL、ogr、WMS、TMS、VPB、filesystem 等），再结合一套地理投影转换插件，这样就能够实现高效处理加载调度地理数据在三维地球上的显示，实现三维虚拟地球。
本文主要介绍利用osgEarth 对本地三维数据的调用，包括对“天地图”发布的WMTS 服务的调用、本地矢量数据的调用、dem 高程数据的金字塔切片和调用、dom 影像数据的金字塔切片和调用、模型的制作和调用等技术。
2 “天地图”瓦片服务的调用“天地图”提供了丰富的矢量数据、栅格数据服务接口，提供了覆盖全球的地理信息数据。
其中中国的数据覆盖了从宏观的中国全境到微观的乡镇、村庄。
因此，利用osgEarth 调用天地图提供的数据，并跟本地数据结合，实现快速建模，快速更新，快速发布，将有利于地方虚拟城市和三维地形的建设和发展，提供新型的地理信息服务模式。
基于Unity3D的虚拟漫游系统基于Unity3D的虚拟漫游系统近年来，虚拟现实技术不断发展，为人们提供了更加沉浸式、真实的体验。
其中，基于Unity3D的虚拟漫游系统成为了一个备受关注的领域。
本文将介绍Unity3D的基本概念和特点，以及如何利用该引擎开发一个虚拟漫游系统。
Unity3D是一款强大的多平台游戏开发引擎，被广泛应用于游戏开发、虚拟现实、增强现实等领域。
其以其强大的功能、易用性和跨平台支持而倍受好评。
虚拟漫游系统是指通过虚拟现实技术，在计算机生成的虚拟环境中进行漫游。
用户可以通过头盔、手柄等设备，沉浸于虚拟世界中，自由行走、探索。
基于Unity3D的虚拟漫游系统可以提供更加真实的视觉和听觉体验。
首先，Unity3D提供了强大的图形渲染功能，可以创建高度逼真的虚拟世界。
这包括逼真的光影效果、高质量的纹理以及细腻的模型。
其次，Unity3D可以与物理引擎结合，使得虚拟环境中的物体具有真实的运动和交互性。
最后，Unity3D支持立体声音效，使得用户能够根据声音的定位感受到环境的真实性。
在开发一个基于Unity3D的虚拟漫游系统时，我们首先需要确定漫游的场景。
可以选择现实世界中存在的地点，如一座城市、一家博物馆，或是虚构的场景，如幻想世界、未来城市等。
在确定了场景后，我们需要进行建模工作。
使用Unity3D的建模工具，我们可以创建出场景中的各个元素，如房屋、树木、道路等。
这些元素可以使用预制件，也可以通过脚本进行生成。
建模完成后，我们需要为虚拟漫游系统添加交互性。
通过Unity3D的脚本编写，我们可以为用户提供虚拟环境中的各种操作。
例如，用户可以通过手柄控制自己在虚拟世界中的行走，还可以与虚拟环境中的物体进行交互。
这样，用户在漫游中就能够具有更加自由、真实的体验。
此外，我们还可以通过脚本编写虚拟人物的行为，使得虚拟环境中的人物具备更加智能化的表现。
此外，为了增加虚拟漫游系统的真实感，我们可以利用虚拟现实设备，如头盔、手柄等。
内河船舶航行环境视景三维仿真田延飞;黄立文;陈姚节;谭天力【摘要】Based on the development directions and requirements of navigation simulation,3D visual simulation of inland waterway navigation environment was taken as the research object,in order to expand the practice area and improve the simulation accuracy at the sametime.Elements composing the scenery of inland waterway navigation environment were deeply analyzed and divided into twocategories:topographic and geomorphic features,surface and offshore targets.The mainstream software in scene simulation field such as 3D MAX and Multigen Creator were adopted for 3D modeling of the composing elements.Under the environment of VC++,the open source software OpenSceneGrap (OSG) was chosen as the driving platform to realize data fusion of 3D model of inland waterway navigation environment and strengthen simulation authenticity with meticulous rendering.Simulation shows that the constructed 3D models of inland waterway navigation environment are of higher precision,and its driving scenario is of verisimilitude,which can meet the navigation simulation requirements and can be recommended for development of large ship handling simulator.%基于航海仿真的发展方向和发展需求,为增加练习海域并同时提高仿真精度,以内河船舶航行环境三维建模仿真为研究对象,分析了内河船舶航行环境视景的组成要素,将其主要划分为地形地貌、水面及近岸陆域物标两大模块,并以视景仿真领域3D MAX、Multigen Creator等主流软件对其进行三维建模.在VC++环境下,以开源软件OpenSceneGraph (OSG)为驱动平台,对内河船舶航行环境视景模块三维模型进行了数据融合,同时以细致的渲染来加强模拟的真实感.仿真显示:所构建的内河船舶航行环境三维模型具有较高的精度,场景驱动具有逼真的效果,能够满足航海仿真的要求并应用于大型船舶操纵模拟器建设.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】6页(P115-120)【关键词】航海工程;内河航行;视景仿真;OpenSceneGraph (OSG)【作者】田延飞;黄立文;陈姚节;谭天力【作者单位】武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063;武汉理工大学航运学院,湖北武汉430063;内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U675.790 引言随着计算机硬件和计算机图形学的发展,科学计算可视化已成为一门独立的新型学科。
自己开发一个仿真引擎实例
拟海水仿真技术一直是虚拟领域研究的难题，海水仿真在游戏开发、虚拟海战、航海模拟等应用的非常广泛。
许多科研机构也投入了大量的资金和人员去研发。
我自己研发了一个关于海水实时仿真的引擎，基于GPGPU实现的，效果可以达到CG的水平。
在其中运用了大量的数学运算，如何更逼真的实现海水的仿真，重点需要解决几个重点问题：
第一、是仿真真实海水在不同气候下的海浪效果；
第二、是要仿真真实海水的高光、反射以及折射效果；
第三、是要仿真船在海中航行的轨迹效果；
第四、是海水中的物体随海浪滚动自由上下浮动
第五、是解决海水靠近岸边有层次的滚动
我自己实现的海水引擎也是围绕这五方面的技术实现的，在给别人说原理之前先展示一下海水的效果图片，图片对应的也是上面五个技术点。
海水靠近岸边呈现效果图
该海水仿真实现的步骤如下所示：
1、在CPU中进行初始化工作，申请内存，动态的生成海水网格。
2、在GPGPU中计算海浪的生成，采用的是并行计算。
该算法是基于FFT的改进算法Gerstner waves实现的。
3、接下来利用傅立叶变换和统计波模型计算海浪产生的高度场。
4、生成波涛汹涌的海浪效果，这个主要是实时模拟浪花，泡沫，飞溅等效果，求解雅可比矩阵公式计算得到。
5、最后使用GPGPU对海水的高光、反射以及折射效果进行渲染。
OSG（OpenSceneGraph）是一个开源的高性能3D图形渲染引擎，用于构建交互式的三维图形应用程序。
它基于C++编写，并提供了丰富的功能和工具，使开发者能够方便地创建、渲染和管理三维场景。
OSG的原理主要包括以下几个方面：1.场景图（Scene Graph）：OSG使用一种称为场景图的数据结构来描述三维场景。
场景图是一个层次结构，由节点（Node）组成，每个节点代表场景中的一个物体或变换。
节点可以包含其他节点，形成树状结构。
这样的设计使得对场景进行遍历、渲染和操作变得高效而灵活。
2.渲染过程：OSG的渲染过程是通过遍历场景图来完成的。
在渲染过程中，OSG会递归地遍历场景图的节点，并根据节点的类型和属性执行相应的渲染操作。
例如，对于几何节点，OSG会将其顶点数据传递给GPU进行渲染；对于变换节点，OSG会根据其变换属性调整渲染状态。
3.渲染状态：OSG通过渲染状态来管理渲染过程中的状态信息，如光照、材质、纹理等。
渲染状态可以在场景图的节点中设置，它们会影响渲染过程中的渲染效果。
OSG 使用状态栈来管理渲染状态，使得状态可以方便地推入和弹出，以适应场景图的层次结构。
4.事件处理：OSG提供了事件处理机制，用于处理用户输入和交互。
通过捕获和处理事件，开发者可以实现对鼠标、键盘、触摸等输入设备的响应，并进行相应的场景操作，如选择、平移、旋转等。
事件处理通常与场景图的节点关联，以实现与特定节点相关的交互行为。
5.纹理和着色器：OSG支持纹理和着色器技术，可以实现高质量的渲染效果。
开发者可以将纹理映射到几何体上，以增加真实感和细节。
同时，OSG还支持多种着色器语言，如GLSL、HLSL等，使开发者能够自定义渲染管线，实现各种特效和高级渲染功能。
总之，OSG通过场景图、渲染过程、渲染状态、事件处理等原理和机制，提供了一个高性能、易于使用的3D图形渲染引擎，使开发者能够快速构建交互式的三维图形应用程序。
基于AR技术的虚拟漫游系统开发与应用随着科技的不断发展，越来越多的新技术应用于各个领域，其中AR技术是近年来最具有潜力的一项技术。
AR技术是一种可以将现实世界与虚拟世界相结合的技术，通过AR技术，我们可以将虚拟对象叠加到现实世界中，从而创建出一种全新的体验。
基于AR技术的虚拟漫游系统，正是一项可以利用AR技术为用户带来全新体验的应用。
一、基于AR技术的虚拟漫游系统概述基于AR技术的虚拟漫游系统是一种可以将虚拟现实与现实世界相结合的系统。
该系统可以通过手机、平板电脑等设备，将虚拟3D模型叠加到真实场景中，从而实现在真实场景中浏览虚拟世界的效果。
用户只需要通过AR技术识别出真实场景中的特定标志物，就可以在设备上看到虚拟世界中的内容。
基于AR技术的虚拟漫游系统可以被广泛应用于旅游、教育、文化艺术等领域。
例如，用户可以在使用该系统的时候，通过扫描特定标志物，浏览景点的3D模型、历史背景介绍等信息，从而更好的了解景点的历史背景，准确的了解景点的建筑和文化特色。
二、基于AR技术的虚拟漫游系统开发基于AR技术的虚拟漫游系统开发，需要多个领域的技术的综合应用。
首先，需要进行3D建模设计，将目标场景建模为3D模型，并且需要优化模型的细节，从而更好的欣赏视觉效果。
然后，需要通过AR技术将3D模型与真实场景结合起来，并且需要根据用户的位置和移动，实时的调整3D模型的位置和方向，从而客户可以看到真实、流畅的虚拟漫游体验。
AR技术的虚拟漫游系统开发，需要开发者对现有技术的理解和把握。
直接开发虚拟现实漫游系统的难度非常大，需要熟悉AR技术的相关算法和处理技术，在该技术的基础上进行优化和创新。
三、基于AR技术的虚拟漫游系统应用基于AR技术的虚拟漫游系统正在越来越多的领域中得到应用。
旅游、教育等领域都开始尝试使用该技术，让用户享受更多的沉浸感，获得更好的体验。
在旅游领域，该技术可以让用户更好的了解景点的历史和文化特色。
在游览景点时，用户只需要通过手机等设备，扫描特定的标志物，就可以获得景点的3D模型、历史介绍等信息。
QT+OSG的开发原理主要基于以下几个步骤：环境搭建：首先，需要安装QT和OSG的开发环境。
QT是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架，而OSG是一个基于OpenGL技术的开源3D图形引擎。
集成OSG到QT：为了在QT应用程序中使用OSG，需要进行集成工作。
有多种方式可以实现这个目标，包括使用osgQt库和
osgViewerQt样例。
osgQt是一个简单的小项目，核心是一个名为GraphicsWindowQt的类，只需要复制
GraphicsWindowQt.h和GraphicsWindowQt.cpp到QT工程里面就可以使用了。
osgViewerQt是一个样例，也仅仅只是个cpp文件。
创建OSG场景：在QT中创建OSG 场景，首先需要创建一个osg::Node对象，然后将其添加到osg::SceneGraph中。
osg::Node是OSG中的基本元素，可以表示一个几何体、一个相机、一个灯光等。
渲染OSG 场景：在创建了OSG场景后，需要使用OSG的渲染流程将其渲染到屏幕上。
这包括设置相机、设置灯光、遍历场景图并渲染每个节点等步骤。
与QT交互：为了实现与QT的交互，可以使用QT的信号和槽机制。
例如，当用户点击一个按钮时，可以触发一个信号，然后通过槽函数来更新OSG 场景或执行其他操作。
基于 OSG 的海洋漫游场景开发陈宁;聂垒鑫;刘炜;龚嫚;王之民【摘要】针对海上环境气候复杂，模拟困难等原因，本系统在基于OSG三维渲染引擎的基础上，借助OsgOcean场景实现了第一视角的海洋场景漫游，包括船舶模型的调换，天气变化，键盘事件响应来控制船舶运动。
首先通过将OSG视景窗口嵌入MFC框架下，并在OSG核心类cOSG中响应海洋场景的生成；其次在模型节点中通过添加和移除节点，动态实现船舶模型的加载和转换，然后通过天空盒中阳光在海面产生的不同光照效果，利用着色器，渲染不同气候下海面的颜色；最后通过OSG三维渲染引擎中的粒子效果，将自定义粒子模块实时加载到场景中，用来模拟大自然中的雨、雪效果。
%Since the maritime environment is complicated and it is difficult to simulate , an ocean scene ramble system has been designed based on the OSG 3-D rendering engine and osgOcean .The system included the fol-lowing functions:switch of ship models , weather variations and ship movements controlled through keyboard e-vents response .At first, the OSG view window was embedded in the MFC framework , the ocean scene was gen-erated in the core class cOSG , then by adding and removing the model nodes , ship models were loaded and switched dynamically .After this,the color of ocean surface under different climates was rendered by the shader based on the light reflection and refraction of the ocean surface .At last,the rain and snow effects were simulated by adding the particle system of OSG rendering engine to the ocean scene .【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】5页(P386-390)【关键词】OSG;海洋漫游;船模【作者】陈宁;聂垒鑫;刘炜;龚嫚;王之民【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U664.82;TP391.9虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统.此种虚拟世界由计算机生成,可以是现实世界的再现,亦可以是构想中的世界,用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互.它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,通过三维眼镜、数据手套等辅助传感设备,提供用户一个观测虚拟世界并与之交互的三维界面。
用户可直接参与探索仿真对象在所处环境中的作用与变化,并产生沉浸感.目前常用的视景仿真软件有Vega，QUSET 3D，Creator等,但是OSG相比它们来讲,仿真效率更高,渲染效果更加优秀.OSG是一个开源的场景图形管理开发库,主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化功能.它使用可移植的ANSI C++编写,并使用已成为工业标准的OpenGL底层渲染API.因此,OSG具备跨平台性,可以运行在Windows，Max OS X和大多数类型的UNIX和Linux系统上.OSG是公开源代码的,它的用户许可方式为修改过的GUN宽通用公共许可证.1 系统框架及海洋场景的生成本系统是利用MFC结合OSG实现海洋场景.利用OSG2.8.2和VC2008平台,编译OsgOcean1.0.1,并与MFC框架结合,开发了海洋漫游系统.系统框架如图1.图1 系统框架Fig.1 System frameworkOsgOcean是欧盟VENUS计划中的一部分开源代码,利用CMake软件编译OsgOcean1.0.1,把生成的OsgOcean.dll文件导入OpenSceneGraph-2.8.2的bin目录下,通过VC2008平台就能把OsgOcean移植到MFC中实现人机交互[1,5-6,8-9].利用OSG中的智能指针osg::ref-ptr定义两个变量oceanSurface和oceanScene,并分别赋值:oceanSurface=new osgOcean::FFTOceanSurface(64, 256, 17, osg::Vec2f(1.1f, 1.1f),12.0f,1000.0f, 0.8, 1e-8, true, 2.5, 10.0f, 256);∥参数含义(网格大小,分辨率,网格个数,风向,风速,海面深度,放射衰减,浪的大小,是否波动,波动幅度,循环时间,帧数)oceanScene=new osgOcean::OceanScene(oceanSurface);添加对应的事件操作器:viewer->addEventHandler(oceanSurface->getEventHandler());viewer->addEventHandler(oceanScene->getEventHandler());添加相机操作器,并设置观察者的位置、视点和方向,最后把场景添加到viewer，即显示窗口.添加天空盒、水花及反射,嵌入MFC结构中,生成OsgOcean场景,点击生成海洋.运行VC2008,效果如图2.图2 osgOcean效果Fig.2 OsgOcean scene图3 OsgOcean场景组织Fig.3 Design of OsgOcean scene2 系统功能2.1 船舶模型的加载在虚拟仿真动画中,船舶的运动是由矩阵操作的,需要实时对船舶的位置和姿态进行回调,以便实现船舶在海洋场景的运动.在OSG中,设置有osg::Node,osg::Drawable,osg::Camera等的回调.通常osg::Node可以在OSG执行更新和拣选遍历时进行回调;而osg::Drawable可以在拣选和绘制遍历时进行回调;osg::Camera可以在更新遍历时进行回调.在osg::NodeCallback类中,操作operator()非常关键,回调的操作代码都在其中.virtual voidoperator()(osg::Node* node, osg::NodeVisitor* nv){traverser(node,nv);},第1个参数是关联的节点地址,第2个参数是节点访问器[2].创建回调方案如下：1) 编写继承自osg::NodeCallback类的新类class BoatPositionCallback.定义回调函数:class BoatPositionCallback: public osg::NodeCallback;2) 重载operator()方法,实现场景的动态更新.定义船舶运动矩阵osg::Matrix mat,赋值mat=osg::computeLocalToWorld(nv->getNodePath())，得到回调节点的绝对坐标.定义float类型的变量height和osg::vec3f类型的normal,赋值height=oceanScene->getOceanSurfaceHeightAt(pos.x(), pos.y(), &normal)，实时传递海面的高度,并把mat赋值给船舶模型节点mModel,就能实现船舶随海面高度变化而变化的效果.3) 初始化一个回调实例,关联到对象.在MFC框架中定义cOSG类,这个类是实现OSG渲染的功能函数,在cOSG类中定义函数void cOSG::AddContainership(),在其中设置回调实例,setUpdateCallback(new BoatPositionCallback);据类似原理,本系统加载了游轮、集装箱船和拖船3种船型,运行效果如图4.a) 游轮b) 集装箱船c) 拖船图4 3种船型的调换Fig.4 Switch of three kinds of ships2.2 天气控制本系统可以实现3种天气的转换,实现原理是对3种天气的天空体进行贴图,并设置有海面,浪花,雾，阳光颜色及阳光发散效果.3种天气效果如图5.a) 阴霾b) 黄昏c) 晴朗图5 3种天气的转换Fig.5 Switch of three different weathers雨雪效果利用OSG粒子系统进行模拟实现,osgParticle能够高效模拟粒子系统,生成非常真实的效果.在OSG预定义的粒子系统中,大部分采用的是布告板与色彩融合技术生成粒子.本系统定义了一个class RainAndSnow类管理天气,利用osgParticle::PrecipitationEffect定义两种天气peRain和peSnow,并把浓度设置为0.5.代码为peRain->rain(0.5f),peSnow->snow(0.5f),把它们添加到场景管理节点中,实现动态的控制天气.实现效果如图6.a) 雨景b) 雪景图6 雨雪场景效果Fig.6 Effects of rain and snow在天气控制函数中添加m-fdensity变量,并添加键盘事件响应,每次按下“+”按键,对应的m-fdensit变量会自增,m-fdensity+=0.1,再利用peRain->rain(m-fdensity),peSnow->snow(m-fdensity)以实现雨雪的动态控制.效果如图7.a) 雨景b) 雪景图7 m-fdensity为1.8时的雨雪效果Fig.7 Rain and snow scene when M-fdensity is 1.82.3 视点跟随视点跟随原理是将船舶运动矩阵和相机(视口)矩阵关联起来,使船舶运动和视角观察矩阵同步,根据这个原理本系统定义了一个视点跟随矩阵class Follow继承自osgGA::MatrixManipulator类,把船舶运动矩阵mat传递给相机矩阵[3-4].其中virtual void setByMatrix (const osg::Matrixd &matrix),virtual void setByInverseMatrix (const osg::Matrixd &matrix),virtual osg::Matrixd getMatrix(),virtual osg::Matrixd getInverseMatrix () 4个虚函数是实现跟随的关键.在getMatrix()函数中mat=osg::Matrixd::rotate(osg::PI-2, osg::Vec3(1, 0, 0)) * osg::Matrix::translate(m-vPosition) * cameraMatrix,先旋转世界坐标系,平移到船舶上适合的位置,按照船舶的运动矩阵运动.船舶位置的更新需要重载osgGA::MatrixManipulator中的handle()函数,即每帧更新矩阵位置,case(osgGA::GUIEventAdapter::FRAME):updateCametaMatrix(),每帧更新相机位置.如图8.图8 视点跟随Fig.8 Viewpoint attachment2.4 实验室平台的使用视景渲染工作结束以后,通过预留的外部接口,将Matlab中Simulink模块的实船运动数学模型计算结果从数据库中读取出来并赋值给船舶运动矩阵,相应的车钟信号和油门信号通过研华采集卡采集并转为数字信号传递给数据库,再从数据库传递给Simulink模型的输入端,实时仿真船舶运动,如图9.图9 三维立体船舶驾驶模拟器运行效果Fig.9 Rendering of three-dimensional ship driving simulator3 结论目前,OSG可以在多种平台及操作系统上运行,作为一门近几年才发展起来的新兴仿真工具,已经得到了国内外多公司和研究机构的关注.OSG已经应用于高端制造,虚拟装配,虚拟展示,教育学习,数字城市等方面[7,10].OSG结合了计算机图形学,空间矩阵原理和计算机编程技术,通过本系统的开发得出以下结论:1)利用OsgOcean和MFC的结合,实现了可以人机交互的海洋场景漫游;2)通过搭建海洋场景的视景仿真,实现了键盘和数据库控制船舶运动,包括航向、速度,实现了风雪气候转换、视角切换,以及船舶模型动态更换.参考文献[1] Tessendorf J.Simulating ocean water[C]∥P roceeding of ACM SIGGRAPH.New York: ACM Press,2001:348-367.[2] 肖鹏,刘更代,徐明亮. 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