18、虚拟城市环境构建与模拟技术解析

虚拟城市环境构建与模拟技术解析

1. 拓扑网格（Topo Mesh）

在大型虚拟城市环境中，处理、存储、渲染和可视化的信息量极为庞大。传统的多边形网格通常使用一组不相关的多边形，由顶点列表和面列表描述。其中，顶点代表街角，面代表街区，边代表两个街区之间的边界。然而，要模拟虚拟人群，还需要更多信息，例如虚拟人从一个地方移动到另一个地方时，需要知道（最佳或最短）路径信息。

如果系统仅提供多边形列表，路径查询操作会很耗时。通过对多边形列表进行预处理构建的平面嵌入多边形网格，即平面拓扑网格（topo mesh），能有效解决路径查询问题。它是多层数据模型的第一级，能创建并维护多边形之间的邻接关系。

拓扑网格是一种类似半边的数据结构，存储半边而非边。半边是有方向的边，有助于确定面的方向，适合对凸或非凸可定向二维流形进行建模。每个面由半边的循环链表界定，链表方向可以是顺时针或逆时针，一旦选定，网格中所有面都要保持一致。每个半边有指向下一个半边、端点顶点、所属面及其配对半边（反向相邻半边）的指针；每个顶点持有其在三维空间中的位置，并指向一个半边；每个面指向一个半边。大多数邻接查询直接存储在数据结构原语中，例如，找到公共半边，获取其配对半边并找到对应面，就能得到相邻面；通过围绕面的循环查询可检索到界定该面的半边或半边列表。

在实际应用中，顶点、边和面分别代表城市的街角、街道和街区，半边编码街道方向。该数据结构维护城市元素之间的邻接关系，可高效实现各种查询，如哪些街区使用了某个街角、哪些街道界定了一个街区等，还能高效实现最短路径算法。

拓扑网格可通过图像分割结合其他图像处理技术（如图像量化、标记和角点检测）获得。具体操作步骤如下：
1. 对彩色图像（