WorldWind学习系列十六：3D Cross Section插件功能分析——TerrainViewer

原文转自：/article/4777667.html

很长时间没写WorldWind方面的东西啦！一方面是自己最近工作上忙点，一方面因为自己热情衰减了，俗话说，“一鼓作气，再而衰，三而竭”，我现在学习WW就有点没太有毅力和士气了！本来想这周末总结一下前段时间的WorldWind学习，没想自己放假期间自制力很差，没一点效率，几乎都上网玩了。
WW的总结只能拖后了，可能过段时间有兴趣有时间了，可能会把总结写了，然后继续深入研究吧。我感觉自己学习或做事都缺点毅力，总是搞定虎头蛇尾的！本来研究WW好好的，可是看了.NET互操作方面的书感觉很好，于是兴致勃勃地学习.NET互操作。看了三章，遇到难点又想放弃来搞线程方面的。我有时都服了自己了：三心二意的！不扯周末的思想了。

WW学习研究虽没像以前那样专注，但也还是时不时关注一下的，前段时间看到3D Cross Section插件，感觉很惊奇，就想研究一下，没想到自已一拖再拖，现在才准备写点东西。

3D Cross Section插件主要是提取WW中当前视图的地形数据和影像数据，然后在新的窗口TerrainViewer中显示。也就是提取一部分三维在新的窗体里重点显示。功能就简单一说，3D Cross Section插件中实现提取WW数据的插件部分我们下次再说，我这次主要是关注TerrainViewer的实现。



TerrainViewer的功能可以单独使用，正如其名字就是一个简单的三维地形数据的浏览器，简直是Mini型的WW。但它里面内容很丰富，有很多知识点值得我们学习借鉴：一方面是C#知识；一方面是Direct3D方面知识；还有就是其中涉及数据算法方面的处理。

首先，说一下其中的C#拖拽文件到窗体打开功能的实现，看过很多软件特别是视频播放器软件，只要将视频文件拖到上面就能播放该视频；看过Office软件普遍支持拖放打开相应的文件；看过只要将文件拖入回收站就能自己删除等等。这些拖拽方法是如何在C#实现的？自己搞编程很久了，没遇到过这样的需求，也没见过这样代码实现案例，所以自己也就没深入研究这方面的知识。在研究TerrainViewer功能时，看到支持拖拽功能，就首先学习了一下它是如何实现的。自己以后的程序支持类似的拖放打开文件功能多酷？！分析一下该功能代码，与大家分享一下。

// Drag drop
this.AllowDrop = true; //允许窗口拖放
//注册拖放开始事件
this.DragEnter += new DragEventHandler(this.OnDragEnter);
//注册拖放处理事件
this.DragDrop += new DragEventHandler(this.OnDragDrop);

看看this.OnDragEnter和this.OnDragDrop事件处理中都分别做了什么。

// File drop handling
private  void  OnDragEnter(object sender, System.Windows.Forms.DragEventArgs e)
{
e.Effect = DragDropEffects.Copy;  // set the cursor to show a drop copy
}

上面的代码里主要是告诉，拖放的目的和效果是COPY。从下面的截图中，可以看到各种各种拖放效果。



从MSDN上截取的DragDropEffects说明：



真正处理拖放文件的打开实现的代码：

Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware) http://www.CodeHighlighter.com/ 
-->private  void  OnDragDrop(object sender, System.Windows.Forms.DragEventArgs e)
{
string theFile;
try
{
// check to make sure the dropped item is of type FileDrop
if (e.Data.GetDataPresent(DataFormats.FileDrop))
{
//获取拖放数据
object filename = e.Data.GetData(DataFormats.FileDrop);
//这里是数组，说明支持多选文件的同时拖放
theFile = (string)((System.Array)filename).GetValue(0);
// Create map from file
// MessageBox.Show("Dropped file : " + theFile);
//获取拖放文件的后缀名
string ext = Path.GetExtension(theFile);
string sky = skyFileName == null ? "" : skyFileName;
string tex = textureFileName == null ? "" : textureFileName;
if (!tex.StartsWith("colors")) tex = "colors/Geo_Water_1.png";
//根据不同的文件类型，分别处理
switch(ext)
{
case ".jpg" :
break;
case ".png" :        // Load terrain from 8bit .png
DisposeMap();
terrainFileName = theFile;
skyFileName = sky;
textureFileName = tex;
mapName = terrainFileName;
mapSpan = 0;
mapWidth = 0;
dem16 = false;
verticalFactor = 1.0f;
LoadMap();
break;
case ".bil" :        // Load terrain from 16bit SRTM binary .bil
DisposeMap();
terrainFileName = theFile;
skyFileName = sky;
textureFileName = tex;
mapName = terrainFileName;
mapSpan = 0;
mapWidth = 0;
dem16 = true;
verticalFactor = 1.0f;
LoadMap();
break;
case ".xml" :        // Load map list from .xml
DisposeMap();
mapListFileName = theFile;
InitializeMapList();        // Create Map menu from .xml
MapMenuSelectMap(0);        // Load first map
break;
}
}
}
catch (Exception ex)
{
//MessageBox.Show(ex.Message.ToString());
}
}

从上面分析可知，我们如果要在自己的程序中实现拖放功能，只需分别实现相应的自己的事件处理。大家也可以在网上搜搜相关资料，相信大致步骤是一样的。

其次，说一下其中的键盘事件监听处理，其实在前面WW学习系列中已经分析了键盘监听处理。但是这次要分析的有的不同是，DirectX里面的键盘监听实现。该思路很新颖，自己之前没见过，在DirectX编程里可以借鉴一下。但不推荐使用，Form里的键盘监听处理已经很好很方便了，而且DirectX里键盘监听需要DirectX运行环境的。另外，除了新颖方面，我没看到该方法的优势。

Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware) http://www.CodeHighlighter.com/ 
-->        private Microsoft.DirectX.DirectInput.Device keyb;
//完成输入设备（键盘）对象的初始化
public void InitializeKeyboard()
{
keyb = new Microsoft.DirectX.DirectInput.Device(SystemGuid.Keyboard);
keyb.SetCooperativeLevel(this, CooperativeLevelFlags.Background | CooperativeLevelFlags.NonExclusive);
keyb.Acquire();
}

键盘监听处理方法实现：

DirectX键盘监听实现

Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware) http://www.CodeHighlighter.com/ 
-->private void ReadKeyboard()
{
//获取键盘所以按键状态
KeyboardState keys = keyb.GetCurrentKeyboardState();
//通过keys[Key.LeftShift]方式获取SHIFT键是否按下
bool shift = keys[Key.LeftShift]  || keys[Key.RightShift];
bool ctrl = keys[Key.LeftControl]  || keys[Key.RightControl];
double moveFactor = dist * 0.01f;
// Toggle Light
if (keys[Key.L] && !shift && !ctrl)
{
showLight = true;
menuItemShowLight.Checked = showLight;
redraw = true;
}
if (keys[Key.L] && shift && !ctrl)
{
showLight = false;
menuItemShowLight.Checked = showLight;
redraw = true;
}
// Create/delete light map
if (keys[Key.L] && !shift && ctrl)
{
if(textureFileName.IndexOf("colors") == -1) // only on textured maps
{
if(lightMapTexture != null) lightMapTexture.Dispose();
lightMapTexture = null;
this.Cursor = Cursors.WaitCursor;
lightMapTexture = LightMap(device, DEM, 1);
this.Cursor = Cursors.Default;
redraw = true;
}
}
if (keys[Key.L]  && shift && ctrl)
{
if(lightMapTexture != null) lightMapTexture.Dispose();
lightMapTexture = null;
redraw = true;
}
// Create/delete section mesh
if (keys[Key.S]  && !shift && !ctrl)
{
if(sectionMesh != null) sectionMesh.Dispose();
sectionMesh = null;
showSection = true;
sectionMesh = TerrainSection(device, DEM);
showTransparentTerrain = true;
menuItemShowSection.Checked = showSection;
redraw = true;
}
//按下S键+shift键
if (keys[Key.S]  && shift && !ctrl)
{
if(sectionMesh != null) sectionMesh.Dispose();
sectionMesh = null;
showSection = false;
showTransparentTerrain = false;
menuItemShowSection.Checked = showSection;
redraw = true;
}
// Toggle Fog
if (keys[Key.F] && !shift)
{
showFog = true;
menuItemShowFog.Checked = showFog;
redraw = true;
}
if (keys[Key.F] && shift)
{
showFog = false;
menuItemShowFog.Checked = showFog;
redraw = true;
}
// Toggle map spin
if (keys[Key.Space])
{
spin = false;
menuItemShowSpin.Checked = spin;
redraw = true;
}
if (keys[Key.Return])
{
spin = true;
menuItemShowSpin.Checked = spin;
redraw = true;
}
// Rotate map
if (keys[Key.RightArrow] && !shift)
{
angle -= 0.02f;
redraw = true;
}
if (keys[Key.LeftArrow] && !shift)
{
angle += 0.02f;
redraw = true;
}
if (keys[Key.UpArrow] && shift)
{
angle2 += 0.02f;
redraw = true;
}
if (keys[Key.DownArrow] && shift)
{
angle2 -= 0.02f;
redraw = true;
}
// Move map
if (keys[Key.RightArrow] && shift)
{
dx -= (float)(Math.Sin(angle) * moveFactor);
dy -= (float)(Math.Cos(angle) * moveFactor);
redraw = true;
}
if (keys[Key.LeftArrow] && shift)
{
dx += (float)(Math.Sin(angle) * moveFactor);
dy += (float)(Math.Cos(angle) * moveFactor);
redraw = true;
}
if (keys[Key.UpArrow] && !shift)
{
dx -= (float)(Math.Cos(angle) * moveFactor);
dy += (float)(Math.Sin(angle) * moveFactor);
redraw = true;
}
if (keys[Key.DownArrow] && !shift)
{
dx += (float)(Math.Cos(angle) * moveFactor);
dy -= (float)(Math.Sin(angle) * moveFactor);
redraw = true;
}
// Change Distance
if (keys[Key.NumPadPlus] && !shift && !ctrl)
{
dist -= dist * 0.02f;
redraw = true;
}
if (keys[Key.NumPadMinus] && !shift && !ctrl)
{
dist += dist * 0.02f;
redraw = true;
}
// Change FOV
if (keys[Key.NumPadPlus] && shift && !ctrl)
{
fov -= 0.01f;
redraw = true;
}
if (keys[Key.NumPadMinus] && shift && !ctrl)
{
fov += 0.01f;
redraw = true;
}
// Change alt scale factor (vert exaggeration)
if ((keys[Key.X] || keys[Key.NumPadPlus]) && !shift && ctrl)
{
verticalFactor *= 1.3333f;
MenuClearCheck(menuItemVerticalFactor);
menuItemVerticalFactor.MenuItems[0].Text = "x" + verticalFactor.ToString(CultureInfo.InvariantCulture);
menuItemVerticalFactor.MenuItems[0].Checked = true;
this.Cursor = Cursors.WaitCursor;
// Rebuilt terrain mesh
DisposeTerrainMesh();
BuildTerrainMesh();
if(sidesMesh != null) sidesMesh.Dispose();
sidesMesh = TerrainSides(device, DEM);
this.Cursor = Cursors.Default;
redraw = true;
}
if ((keys[Key.Z] || keys[Key.NumPadMinus]) && !shift && ctrl)
{
verticalFactor *= 0.75f;
MenuClearCheck(menuItemVerticalFactor);
menuItemVerticalFactor.MenuItems[0].Text = "x" + verticalFactor.ToString(CultureInfo.InvariantCulture);
menuItemVerticalFactor.MenuItems[0].Checked = true;
this.Cursor = Cursors.WaitCursor;
// Rebuilt terrain mesh
DisposeTerrainMesh();
BuildTerrainMesh();
if(sidesMesh != null) sidesMesh.Dispose();
sidesMesh = TerrainSides(device, DEM);
this.Cursor = Cursors.Default;
redraw = true;
}
}

上面按键处理，主要是通过特定的按键实现一些功能的执行，跟菜单里相应项是对应的。这里并没有事件调用，只是个键盘按键响应处理方法而已，真正的调用是放在OnPaint()事件处理中1089行：

// Read keyboard

if(this.Focused) ReadKeyboard();

再者，讲一些TerrainViewer的核心实现，即Direct3D编程方面。这个TerrainViewer虽然很小，总共只要三千多行代码，但这该说“麻雀虽小，五脏俱全”，我称TerrainViewer是Mini版的WorldWind一点不过分，它完全拥有了WW的核心实现：Direct3D编程和地理坐标转换。Direct3D编程如果想写好是有点难，但是要实现Direct3D编程还是不难的，因为所有的Direct3D编程的套路都是一样的，简直是工厂流水线式的。大的基本步骤为Device基本参数设置和Device初始化——》构建Mesh集合——》设置Texture——》绘制渲染参数设置——》渲染。真正的难点是构建Mesh集合，就是三维建模吧！最后渲染过程是在OnPaint()事件里实现的，这里一般会在最后调用 this.Invalidate();实现不断刷新界面实现不断重绘。

OnPaint()里面的重绘渲染，是通过redraw标识来控制是否需要重绘的。

else // No redraw

{

device.BeginScene();

device.EndScene();

device.Present();

System.Threading.Thread.Sleep(50);

}

上面的代码很好地解决了不必要的重绘问题，WorldWind的里面的重绘是“牵一发而动全身”，我一直在想能否减少WW里不必要的重绘，难道不能尽可能地只重渲染必须的部分嘛？！WW提高效率问题可以考虑从此点开始。这部分Direct3D编程是重点，但是没有深入一步步分析各部分MESH的如何构建，因为几乎所有插件在实现三维渲染上步骤一致，实现上也是反复说Direct3D编程，几乎跟处理上WW里的一致，所以就不再赘述啦！

最后，说一下DEM数据的使用，主要包括两方面：DEM文件使用和高程值获取。

DEM文件使用：jpg和png直接使用，bil格式的先要转换成BitMap.请看下面LoadMap()方法的734行代码：

Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware)http://www.CodeHighlighter.com/-->                string filePath = GetFullPathTo(terrainFileName);
if(Path.GetExtension(terrainFileName) != ".bil")
{
DEM = new Bitmap(filePath); // .jpg, .png
dem16 = false;
}
else
{
DEM = BitmapFromBil(filePath); // .bil
dem16 = true;
}

将bil格式转换成BitMap:

Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware)http://www.CodeHighlighter.com/-->        // Converts a .bil elevation data file into a Bitmap object
private Bitmap BitmapFromBil(string bilFile)
{
int width = 150; // default size
int height = 150;
//Bitmap DEM;
using( Stream s = File.OpenRead(bilFile))
{
// Find out dem size
FileInfo demFile = new FileInfo(bilFile);
long length = demFile.Length;
if(length != 0)
{
width = height = (int)Math.Sqrt(length / 2);
if(width * height * 2 != length) throw new ApplicationException(".bil file size not double of a square (eg. 150x150x2)");
}
DEM = new Bitmap(width, height, System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format32bppArgb);
byte[] tfBuffer = new byte[width * height * 2];
if (s.Read(tfBuffer,0,tfBuffer.Length) < tfBuffer.Length)
throw new IOException(string.Format("End of file error while reading file '{0}'.", bilFile) );

int offset = 0;
for(int y = 0; y < height; y++)
{
for(int x = 0; x < width; x++)
{
// 16 bit values
int low = tfBuffer[offset++];
int hi =  tfBuffer[offset];
int hi2 =  (short)(tfBuffer[offset++] << 8);
// Scale down to 0..255
int alt = (int)((float)(hi2 + low) * 255f / 9000f);
if (alt < 0) alt = 0;
if (alt > 255) alt = 255;
// Store altitude in red, and original 16 bit value in g and b
DEM.SetPixel(x, y, Color.FromArgb(0xff, alt, low, hi));
}
}
}
dem16 = true;
return DEM;
}

高程值获取获取方法, float GetAlt(Bitmap DEM, float x, float y)和int GetAlt(Bitmap DEM, int x, int y)。这两个不同之处是，第一个方法里面调用了第二个方法，第二个是真正获取高程值的，而且是获取整数点上的高程值。

Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware)http://www.CodeHighlighter.com/-->        // Get elevation from DEM at exact location (integer coord)
public int GetAlt(Bitmap DEM, int x, int y)
{
int alt = 0;
if(x >= 0 && x <= DEM.Width - 1 && y >= 0 && y <= DEM.Height - 1)
{
Color p = DEM.GetPixel(x, y);
alt = (int)p.R; // Get altitude from red (8 bit)
if(dem16)
{
// Get 16bit altitude from g/b
alt = (short)(p.B << 8) + (int)p.G;
// Check for negative values
if(alt > 32767) alt = 65536 - alt;
}
}
return alt;
}

第一个方法是通过调用第一个方法，然后通过插值计算的方法，获取任意点的插值。

获取任意点高程的代码

Code highlighting produced by Actipro CodeHighlighter (freeware)http://www.CodeHighlighter.com/-->        // Get averaged elevation from DEM at decimal location (float coord)
public float GetAlt(Bitmap DEM, float x, float y)
{
float alt = 0f;
if(x >= 0 && x <= DEM.Width - 1 && y >= 0 && y <= DEM.Height - 1)
{
int xNW = (int)Math.Floor(x);                // North-West corner
int yNW = (int)Math.Floor(y);
float xF = (float)x - xNW;                    // x factor 0...1
float yF = (float)y - yNW;                    // y factor 0...1
//分别获取包含该点的最小矩形的四点的高程值
int altNW = GetAlt(DEM, xNW, yNW);            // Alt north-west
int altNE = GetAlt(DEM, xNW + 1, yNW);        // Alt north-east
int altSW = GetAlt(DEM, xNW, yNW + 1);        // Alt south-west
int altSE = GetAlt(DEM, xNW + 1, yNW + 1);    // Alt south-east
//插值获取该点的高程值
float altN = (float)altNW * (1f - xF) + (float)altNE * xF;    // North average
float altS = (float)altSW * (1f - xF) + (float)altSE * xF;    // South average
alt = altN * (1f - yF) +  altS * yF;    // North-South average
}
return alt;
}

太晚了，不再详细分析最后部分代码了。下次有时间说一下3D Cross Section插件加载部分的代码实现，也算是完整分析个插件功能。希望大家能有所收获。