故宮信息管理系統(tǒng)設計研究

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摘要：針對當下故宮網頁管理信息系統(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)設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)應用到三維平臺中，能夠實現(xiàn)三維場景交互，多種方式查詢屬性信息，真實、快速的展現(xiàn)故宮場景。

關鍵詞：信息管理系統(tǒng)；Direct3D；拾取

1概述

故宮網頁管理信息系統(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，以及相關工作人員工作協(xié)調。但其量測數(shù)據(jù)真實性差，交互性弱，且沒有模型數(shù)據(jù)。隨著信息技術的飛速發(fā)展，三維可視化已成為未來信息產業(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)、精細化建模模型，以及高像素影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故宮場景的真實化虛擬。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)進行有權限的維護，實現(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)原理構建

信息管理系統(tǒng)，需要實現(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。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、配準等處理完善的點云，貼圖完成后的真彩色點云，點云構建三角網，以點云為基礎利用應用軟件構建精細模型數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實現(xiàn)功能主要包括：數(shù)據(jù)的錄入與有權限維護，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點云、高像素相機獲取的高清影像數(shù)據(jù)是故宮信息管理系統(tǒng)信息的最原始來源。點云構建點云模型，高清影像貼圖點云模型構建真彩色點云模型和以點云模型為基礎，用應用軟件建造故宮建筑精細模型是該信息系統(tǒng)主要的信息來源。系統(tǒng)運行后，以界面響應的方式，通過OBJ網格數(shù)據(jù)讀取模型，錄入屬性信息的字段以及導入圖片信息。當原有的信息出現(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，在提示既有權限驗證的條件下，只保存一份數(shù)據(jù)，并能達到保護數(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。在實現(xiàn)拾取過程中，需要完成以下工作：根據(jù)屏幕上鼠標點擊的一點S，找到其對應的投影空間中的點Q，再將點Q變換到取景空間（viewspace）中為P點；計算出Eye經過點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。最后進行相交測試。如果相交，那么取與攝像機最近的相交點。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；判斷交點是否在三角形內部。常用判斷方法有：面積法、內角和法、重心坐標法。

2.2.2查詢方式。系統(tǒng)基于Direct3D，應用Windows窗口程序搭建框架實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)庫中建立對應表格。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，以及當下建筑的詳細信息。本文中實現(xiàn)三種方式查詢，一是通過建立數(shù)據(jù)庫樹節(jié)點，點擊數(shù)據(jù)庫節(jié)點拾取；二是通過屏幕點擊，利用射線相交法拾取。三是通過輸入建筑名字，以文字做關鍵字查詢。在建筑結構中ID為鏈接關鍵點。（1）新建數(shù)據(jù)庫以單個建筑為獨立單元。點擊數(shù)據(jù)庫節(jié)點，獲取對應建筑的ID，從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，進行繪制，從而顯示。（2）通過界面拾取，交互獲取到建筑數(shù)據(jù)結構，通過ID讀取數(shù)據(jù)，進行繪制。（3）建筑物數(shù)據(jù)結構中，名字同樣是獨一無二的。輸入名字，查詢到對應建筑物數(shù)據(jù)結構，獲取正確ID，從而獲取數(shù)據(jù)。

3結論

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

3.1系統(tǒng)基于Direct3D圖形繪制API，應用GPU可編程管線技術，實現(xiàn)對故宮精細建模模型、大數(shù)據(jù)點云實時繪制，實現(xiàn)高程度真實化渲染。

3.2系統(tǒng)設計多種方式查詢屬性信息，便于交互操作。

3.3以此為基礎，可以應用于其他古建，進行數(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)更多交互應用，實現(xiàn)現(xiàn)代模式的旅游。且以此原理為基礎，構建虛擬現(xiàn)實的場景，開發(fā)游戲以及鍛煉人的腦力等三維真實化項目具有很好的著力點。

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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 2測繪與城市空間信息學院 3代表性建筑與古建數(shù)據(jù)庫教育部工程中心