GIS开发 / GIS原理学习（四十）

 第六章 空间信息的可视化

    本章概述：地理空间中的信息具有广阔的范畴，丰富的内容和复杂的结构。为了系统而又本质地表述、传输和使用地理空间信息，必须把握住它们的基本特征，可视化能够全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传递和接收它们，因此空间信息从来离不开可视化；而可视化技术成为空间信息阅读、理解进而交互作用最重要的工具手段。

§6.1 空间信息与可视化

    讲述从地图数据库中获取数据，经过预处理后的根据需要配置矢量或者栅格符号符号化，并介绍地图符号配置的详细算法，最后讲述地图数据可视化后的输出。

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§6.6 虚拟现实技术的空间

一、虚拟现实技术简介

    虚拟现实技术是计算机硬件、软件、传感、人工智能、心理学及地理科学发展的结晶。它是通过计算机生成一个逼真的环境世界，人可以与此虚拟的现实环境进行交互的技术。
    从本质上讲，虚拟现实技术（VR）是一种崭新的人机交互界面，是物理现实的仿真。它的出现彻底改变了用户和系统的交互方式，创造了一种完全的、令人信服的幻想式环境，人们不但可以进入计算机所产生的虚拟世界，而且可以通过视觉、听觉、触觉，甚至嗅觉和味觉多维地与该世界沟通。这是一种具有巨大意义和潜力的技术，正在迅速的发展之中。
    虚拟现实技术的相关知识：VR硬件、VR的硬件级别、软件系统、VR的分类。

（一）、VR硬件：

    VR的硬件目前并不定形，主要有以下几种

    1、图像生成器，它的作用是快速进行图形运算；

    2、操纵和控制设备：
    ①实现位置跟踪和控制的鼠标器，跟踪球和游戏杆；
    ②数据手套，其手指部分装有传感器；
    ③数据紧身衣；
    ④最新的操纵是通过眼睛和思维操纵，这是通过测定神经系统的微小电流来操作的；

    3、位置跟踪装置：
    ①机械盔甲：提供快速准确的跟踪；
    ②超声波传感器；
    ③光学位置跟踪器；
    ④惯性跟踪器；

    4、立体视见装置：
    采用偏光眼镜或屏幕分割或立体镜产生图像的左右视差等手段来产生立体。

    5、头盔：产生立体图像或二维地图。

（二）、VR的硬件级别

    1、初级VR是以PC机或低档工作站为硬件基础；
    2、基本VR是在初级VR上，增加立体观察器，3D或6D鼠标或游戏杆和数据手套等；
    3、高级3D是在上述基础上增加图像加速器，帧缓存等，对于PC机则是必须增加3D加速卡和3D音卡；
    4、沉浸式VR，其中必须增加沉浸显示装置，如多个大型投影式显示器，还可以增加触觉、力感和接触反馈等交互设备。
    5、驾驶舱仿真器：这是一个封闭式的虚拟环境，设备个人化并较为昂贵；
    6、DIVE（Distributed Interactive Virtual Environment）分布式交互虚拟环境，这是一个Internet上开发基于多个网络用户的虚拟环境、其用户界面及地域广阔，用户众多，分布式交互，共享性高；基于其享式或3D综合环境等应用系统上的实验平台，这完全称得上是一个小型的世界；
    7、SIMNET和作战仿真互联网（Defense Simulation Internet）是目前世界上最大的VR项目，目的是使不同的仿真器可在网络上互联，用于部队的联合训练和演习，即位于德国的坦克仿真器可与位于美国的坦克仿真器一起联合进行军事演习。
上述7种VR，硬件部分一级比一级复杂、投入也高得多。

（三）、软件系统

    共分两类：一类是工具包，即程序库，往往需要程序员根据具体需要来进行编程；另一类是创作工具，后者不需要复杂的编程，有较多不同层次的商品软件:
    1、免费VR：这些是VR系列的入门级产品，代表产品为Rend386、Maltiverse。一般可从国际互联网上免费下载。
    2、低价VR程序：代表产品为Dimension International 的Virtual Reality Stud10（VRS）。
    3、中档VR软件包：它们一般可称是优秀的专业软件包，而且仅要求计算机作为基本硬件，这类代表产品有Vitus 的Virtus Walkthrough, Quick Time Vr以及Sense 8的World Tollkit For Windows。
    4、高价VR软件：是高档的精彩的VR产品，需要多种硬件支持。代表产品有Straylight公司的MotoVB, Dimension, International 的Superscape VRTB等。

（四）、VR的分类

    VR的类型是根据它的交互性质来分的，也即是根据它能实现人的视感、听感、触感、嗅感和传感器的程度和质量来区分。根据目前所见资料，可分下列几种：
    1、世界之窗（WOW: Window on World System） 它仅用显示器和音卡来显示虚拟世界，它的衡量标准是"看起来真实，听着真实，物体的行为真实"；
    2、视频映射 它在上述WOW基础上把用户的轮廓剪影作为视频输入与屏幕二维图形合成，屏幕上显示用户身体和虚拟世界的交互过程；
    3、沉浸式系统 完全的VR系统把用户的视点和其它感觉，完全沉浸到虚拟世界中，它可以是头盔加其它交互硬件，也可以是多个大型投影仪产生的一个洞穴；
    4、遥视、遥作 遥视把用户的感觉和真实世界中的远程传感器、遥测仪连接起来，并用机器人，机器手进行远程操作。实际上，阿波曼登月计划和网络会诊，网络手术已显现了这方面的实际进展；
    5、混合现实 遥现和虚拟现实的结合产生了混合现实和无缝仿真，例如脑外科手术时，脑外科医生看到的是由真实场景，预先得到的扫描图像和实时超声图像组合而成的场景；领航员则在它的头盔或显示屏上既看到电子地图和数据，又看到真实景象。  

二、VR的意义

    由上已完全可以见VR具有极大深远的意义。它将组成人们的环境--一个极其广阔的世界级环境，它本身是共享的，协同的，分布的。这个环境是虚拟的现实，必须是真实世界的仿真，因而地理信息的可视化将是第一位的。
    世界是不能试验的，大的环境工程也不能试验。甚至小到一个雕塑、一个零件，进而一栋房屋，一项工程，大而言之一场战争，其实际运作需要很多时间和经费，而且大型的过程无法重新进行，现在可能以在虚拟现实中进行模拟和实验，找出最佳方案。VR技术使用前景是无可估量的，其意义是极其巨大的，它是影响整个21世纪及未来的信息技术。
    要制造好一个虚拟现实，就必须加深理解我们的现实世界，尤其是地学环境，这是不可缺的。途径几千年历史长河的地学科学，它对地学环境的描写，对浩瀚信息的综合概括，层次化图形符号的模型化表达是正在迅速发展中VR的基石和向导。相对而言VR技术的发展，对地理信息的可视化将提出更高、更复杂的要求。

三、 VR技术的应用与VR－GIS

    VR技术最先进的应用领域就是军事国防。
    飞行模拟：飞行员的飞行训练是一件十分昂贵、危险和困难的事，由于飞行费用昂贵，飞行均在高速中进行，天空中对飞行员的保护又很有限，对飞机的保护几近于零。一个细小的疏忽，就会造成机毁人亡的严重事故。因此，世界上VR的应用均首先从飞行模拟开始。飞行员载上头盔，坐在VR装备的飞行座仓内，由VR制作的飞行"气氛"和电子地图及飞行仪表的显示，以及驾驶员进行操作，机械和仪表的相应运作及反馈，使飞行员在虚拟的飞行状态中进行各种训练。大大提高了飞行员训练密度、强度和质量以及降低了训练的费用。
    战斗模拟：VR应用不仅用于飞机，而且还用于船舰、坦克通讯及步兵演习。随着网络VR技术的出现，美军得以在被其称为"防御模拟互联网"的全球范围内实施Simnet坦克战斗计划。最先广泛应用的场合是海湾战争，Simnet几乎可以使每场战斗或战役之前在VR中进行模拟训练。海湾战场已变成大规模的电子沙盘实景，用于其中的地形环境仿真。

    实际上，今后的VR技术在利用电子地图技术制作大型电子沙盘实景，给出战斗、战役的地形地貌环境，使每场战斗之前能够进行模拟实习，将大大提高战争艺术，减少伤亡，争取胜利是十分有利的。
    制作虚拟现实环境与利用地理信息，制作数字地图，三维电子地图，具有直接的联系，在VR技术中，存放在"世界数据库"中的VR环境数据是不可缺少的部分。VR是一个正在迅速发展的技术领域, 其前景无可限量。(参见万像GIS的VR-GIS实例)

VR－GIS的实例：

    万像GIS的三维模拟飞行截图：

图 6-6-1 万像GIS的三维模拟飞行

    万像GIS的三维沙盘截图：

图 6-6-2 万像GIS的三维旋转电子沙盘