故宮信息管理系統(tǒng)設(shè)計研究

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摘要：針對當(dāng)下故宮網(wǎng)頁管理信息系統(tǒng)仿真性差、可交互性弱、數(shù)據(jù)二維等不足，本文提出一種基于Direct3D的信息管理系統(tǒng)，具體介紹了該信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)應(yīng)用到三維平臺中，能夠?qū)崿F(xiàn)三維場景交互，多種方式查詢屬性信息，真實(shí)、快速的展現(xiàn)故宮場景。

關(guān)鍵詞：信息管理系統(tǒng)；Direct3D；拾取

1概述

故宮網(wǎng)頁管理信息系統(tǒng)展示了故宮的基本屬性信息，能夠滿足故宮游客基本的信息需求，以及相關(guān)工作人員工作協(xié)調(diào)。但其量測數(shù)據(jù)真實(shí)性差，交互性弱，且沒有模型數(shù)據(jù)。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，三維可視化已成為未來信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然方向。作為中國最具代表性的古建，更需要用現(xiàn)代技術(shù)的手段保存信息。本文提出一種基于Direct3D的信息管理系統(tǒng)，存儲三維激光掃描數(shù)據(jù)、精細(xì)化建模模型，以及高像素影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故宮場景的真實(shí)化虛擬。通過交互操作的方式入庫數(shù)據(jù)，查詢屬性信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行有權(quán)限的維護(hù)，實(shí)現(xiàn)對故宮現(xiàn)有條件下高精度數(shù)據(jù)存儲與管理。

2信息管理系統(tǒng)原理構(gòu)建

信息管理系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入，數(shù)據(jù)的交互查詢，以及數(shù)據(jù)信息的維護(hù)。在本文中信息數(shù)據(jù)主要包含最原始數(shù)據(jù)：三維激光點(diǎn)云，高像素影像，建筑屬性描述文檔；中間處理后的數(shù)據(jù)有：精簡、配準(zhǔn)等處理完善的點(diǎn)云，貼圖完成后的真彩色點(diǎn)云，點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)，以點(diǎn)云為基礎(chǔ)利用應(yīng)用軟件構(gòu)建精細(xì)模型數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能主要包括：數(shù)據(jù)的錄入與有權(quán)限維護(hù)，數(shù)據(jù)處理；主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的顯示以及交互操作查詢上。

2.1信息錄入。三維激光掃描儀獲取的故宮建筑精細(xì)點(diǎn)云、高像素相機(jī)獲取的高清影像數(shù)據(jù)是故宮信息管理系統(tǒng)信息的最原始來源。點(diǎn)云構(gòu)建點(diǎn)云模型，高清影像貼圖點(diǎn)云模型構(gòu)建真彩色點(diǎn)云模型和以點(diǎn)云模型為基礎(chǔ)，用應(yīng)用軟件建造故宮建筑精細(xì)模型是該信息系統(tǒng)主要的信息來源。系統(tǒng)運(yùn)行后，以界面響應(yīng)的方式，通過OBJ網(wǎng)格數(shù)據(jù)讀取模型，錄入屬性信息的字段以及導(dǎo)入圖片信息。當(dāng)原有的信息出現(xiàn)錯誤以及建筑信息更新的情形，則只需要重新錄入數(shù)據(jù)，覆蓋原有的數(shù)據(jù)就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新。數(shù)據(jù)是通過表格存儲，在提示既有權(quán)限驗(yàn)證的條件下，只保存一份數(shù)據(jù)，并能達(dá)到保護(hù)數(shù)據(jù)的目的。

2.2信息查詢

2.2.1拾取原理。拾取是用戶通過鼠標(biāo)在屏幕上的單擊行為來選中三維場景的某個對象的過程。在實(shí)現(xiàn)拾取過程中，需要完成以下工作：根據(jù)屏幕上鼠標(biāo)點(diǎn)擊的一點(diǎn)S，找到其對應(yīng)的投影空間中的點(diǎn)Q，再將點(diǎn)Q變換到取景空間（viewspace）中為P點(diǎn)；計算出Eye經(jīng)過點(diǎn)P發(fā)射出的一條射線的方程。把射線、物體變換到同一空間中。最后進(jìn)行相交測試。如果相交，那么取與攝像機(jī)最近的相交點(diǎn)。射線-三角形相交判斷主要包括：計算射線和三角形所在平面的交點(diǎn)；判斷交點(diǎn)是否在三角形內(nèi)部。常用判斷方法有：面積法、內(nèi)角和法、重心坐標(biāo)法。

2.2.2查詢方式。系統(tǒng)基于Direct3D，應(yīng)用Windows窗口程序搭建框架實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)庫中建立對應(yīng)表格。建筑屬性表格包含名字、建筑等級、建筑所在區(qū)域、建筑構(gòu)件使用彩色樣式、該建筑中存放珍品字段，用以描述該建筑特性。而建筑隔間表格則包含面積大小、區(qū)域功能、特殊注釋字段，用以描述建筑隔間特性。同時，在拾取中，通過利用新建彈出框，顯示建筑的特色攝影照片，以及當(dāng)下建筑的詳細(xì)信息。本文中實(shí)現(xiàn)三種方式查詢，一是通過建立數(shù)據(jù)庫樹節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)拾??；二是通過屏幕點(diǎn)擊，利用射線相交法拾取。三是通過輸入建筑名字，以文字做關(guān)鍵字查詢。在建筑結(jié)構(gòu)中ID為鏈接關(guān)鍵點(diǎn)。（1）新建數(shù)據(jù)庫以單個建筑為獨(dú)立單元。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)，獲取對應(yīng)建筑的ID，從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行繪制，從而顯示。（2）通過界面拾取，交互獲取到建筑數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過ID讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行繪制。（3）建筑物數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，名字同樣是獨(dú)一無二的。輸入名字，查詢到對應(yīng)建筑物數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，獲取正確ID，從而獲取數(shù)據(jù)。

3結(jié)論

本文提出基于Direct3D的信息管理系統(tǒng)，融合與故宮精細(xì)建模平臺上，實(shí)現(xiàn)了對故宮現(xiàn)有精細(xì)化數(shù)據(jù)的存儲、管理，以及可視化交互展現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)快速、虛擬現(xiàn)實(shí)程度高、可靠性好。

3.1系統(tǒng)基于Direct3D圖形繪制API，應(yīng)用GPU可編程管線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對故宮精細(xì)建模模型、大數(shù)據(jù)點(diǎn)云實(shí)時繪制，實(shí)現(xiàn)高程度真實(shí)化渲染。

3.2系統(tǒng)設(shè)計多種方式查詢屬性信息，便于交互操作。

3.3以此為基礎(chǔ)，可以應(yīng)用于其他古建，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。在古建信息存儲管理、在旅游開發(fā)上，可以開發(fā)更多交互應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代模式的旅游。且以此原理為基礎(chǔ)，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)的場景，開發(fā)游戲以及鍛煉人的腦力等三維真實(shí)化項(xiàng)目具有很好的著力點(diǎn)。

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作者：1冉俊勇 2朱光 3黃明 單位：1北京建筑大學(xué) 2測繪與城市空間信息學(xué)院 3代表性建筑與古建數(shù)據(jù)庫教育部工程中心