三維地形可視化技術(shù)研究

1、計算機(jī)工程與應(yīng)用，（）三維地形可視化技術(shù)研究許兆新，花文華，哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，哈爾濱，：，（）：，：，；，；，：；摘要：為了獲得較好的三維可視化效果，在對地形數(shù)據(jù)組織和實(shí)時繪制技術(shù)進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基于四叉樹結(jié)構(gòu)的地形模型的連續(xù)多分辨率渲染；在考慮視點(diǎn)和地形粗糙度的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種合理的節(jié)點(diǎn)評價系統(tǒng)；提出了一種快速自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保證地形真實(shí)感的前提下，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維地形顯示的三角網(wǎng)剖分方法，有效消除了不同分辨率節(jié)點(diǎn)間的裂縫。可以獲得較好的圖形質(zhì)量和顯示速度。關(guān)鍵詞：三維地形；可視化；四叉樹；節(jié)點(diǎn)誤差評價系統(tǒng)文章編號：（）文獻(xiàn)標(biāo)識碼：中圖分類號：；但與二叉樹相比，四

2、叉樹主要具有以下優(yōu)點(diǎn)，首先四叉樹與地理信息在坐標(biāo)系方面有天然的統(tǒng)一；四叉樹結(jié)構(gòu)便于同紋理影射技術(shù)相結(jié)合；能夠降低選擇節(jié)點(diǎn)的時間，加速地形簡化算法。因此，可用四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)字高程模型（）數(shù)據(jù)進(jìn)行表示。如圖所示，在圖中每一個正方形為四叉樹的一個節(jié)點(diǎn)，灰色為觀察者能看到的區(qū)域。四叉樹對網(wǎng)格數(shù)有一規(guī)定：大小必須為（）×（）的情況，可以將地形進(jìn)行補(bǔ)充），對于地形網(wǎng)格數(shù)不是或分割使之滿足這一規(guī)定。對數(shù)據(jù)作等間距格網(wǎng)采樣，采樣結(jié)果即構(gòu)成四叉樹的一層節(jié)點(diǎn)。四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示地形模型時，樹中的每一個節(jié)點(diǎn)都覆蓋地形中的一塊相應(yīng)的矩形區(qū)域。上層的節(jié)點(diǎn)涉及的采樣點(diǎn)較少，用其來表示地形時具有更高的繪制效率

3、，但具有較低的分辨率，地形表示的誤差較大。底層地形的分辨率高，誤差小，但繪制效率低。因此，用四叉樹表示地形場景時，可以由分辨率的變化，動態(tài)選擇節(jié)點(diǎn)層次，使其具有最高的繪制效率，這在交互式的地形漫游中，具有重要的意義。引言近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)，特別是計算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)形象的三維實(shí)、三維可視化技術(shù)的飛速發(fā)展，使得開發(fā)出直觀、地形系統(tǒng)日益成為三維圖形領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。相比于二維平面地形，三維地形可以將地理數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為用戶能夠直觀理解的信息，并且可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地理信息顯示和空間分析。具有真實(shí)感的三維地形可視化最大的難點(diǎn)是，如何跟蹤視點(diǎn)的變化和漫游的需要實(shí)時的模擬地形的各種形態(tài)。由于地形

4、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用數(shù)學(xué)方法建立地形的物理模型將非常復(fù)雜，而且地形本質(zhì)特征也決定了其存儲數(shù)據(jù)量將非常巨大，要實(shí)時模擬地形的動態(tài)變化將非常困難。因此，在不顯著減低視覺效果的情況下如何提高顯示效率是關(guān)鍵。本文在對地形數(shù)據(jù)管理和實(shí)時繪制技術(shù)進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，給出了節(jié)點(diǎn)誤差評價系統(tǒng)和自適應(yīng)三角剖分方法，實(shí)現(xiàn)了一個完整的地形三維可視化系統(tǒng)，并給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三維地形多分辨率渲染技術(shù)地形四叉樹四叉樹與二叉樹都可以對規(guī)則格網(wǎng)（）進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，節(jié)點(diǎn)誤差評價系統(tǒng)的建立基于四叉樹的地形模型的多分辨率表示，還要考慮地形場景視相關(guān)和地形粗糙度的因素，動態(tài)選擇一組最優(yōu)地形節(jié)點(diǎn)來：、；（），（，：軟件工程。，（）

5、計算機(jī)工程與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對地形模型的連續(xù)多分辨率表示。視相關(guān)因素主要體現(xiàn)在觀察點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的距離上，離觀察點(diǎn)近的地方分辨率較高，反之較低。將距離因素應(yīng)用于一個節(jié)點(diǎn)的時候還應(yīng)該考慮到節(jié)點(diǎn)的大小，因此結(jié)合圖，給出如下公式：四叉樹三角網(wǎng)剖分技術(shù)采用樹型結(jié)構(gòu)對地形進(jìn)行多分辨率渲染時，會出現(xiàn)天然的現(xiàn)象，如圖所示，圖上節(jié)點(diǎn)具有較低的分辨率，相“裂縫”鄰節(jié)點(diǎn)則具有較高的分辨率，這使得三角化時出現(xiàn)了未被覆蓋的區(qū)域，從而在地形繪制時產(chǎn)生了裂縫，如圖虛線所示。（）其中為視點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)中心位置之間的距離，為節(jié)點(diǎn)大小，為一可調(diào)因子，越大，地形分辨率越高，反之越低。解決現(xiàn)象最常用的方法是構(gòu)建限制四叉樹，但是限“裂縫”文獻(xiàn)通過定

6、制四叉樹節(jié)點(diǎn)間的分辨率差別最多不超過層。義模型中頂點(diǎn)之間的約束關(guān)系，解決不同分辨率塊之間的裂縫問題。此外還出現(xiàn)將產(chǎn)生裂隙的頂點(diǎn)的實(shí)際高程用偽值替換，強(qiáng)制將裂隙點(diǎn)移到低分辨率模型一側(cè)的邊上，這種方法雖然簡單，但卻破壞了地形的原始的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文主要利用遞考慮地形粗糙度因素主要是使分辨率適應(yīng)地形表面的變化，在地形比較平坦的地方使用較高的分辨率渲染，比較崎嶇的地方使用較低的分辨率渲染。如圖所示：、分別為四叉樹中心點(diǎn)、四個邊點(diǎn)、四個子節(jié)點(diǎn)相對于平均誤差平面的誤差，平均誤差平面是以節(jié)點(diǎn)為中心，使鄰域內(nèi)節(jié)點(diǎn)具有最小擬合誤差的平面。取九個值中最大的一個和節(jié)點(diǎn)大小的比值作為粗糙度的評價值，即由于節(jié)點(diǎn)的粗糙度誤

7、差為靜態(tài)誤差，可（，）。以在數(shù)據(jù)處理階段完成其處理過程。歸技術(shù)實(shí)現(xiàn)地形四叉樹的自適應(yīng)三角網(wǎng)剖分方法，不僅消除了裂縫，并且剖分結(jié)果滿足了限制四叉樹條件，同時還保持了地表的連續(xù)性。對于滿足誤差節(jié)點(diǎn)評價公式的四叉樹來說，可將三角剖分歸結(jié)為以下五種方式，如圖所示。自適應(yīng)三角網(wǎng)剖分是在地形簡化的同時進(jìn)行的，具體方法如下：綜合考慮視相關(guān)和地形粗糙度這兩類因素的影響，可以建立節(jié)點(diǎn)誤差評價準(zhǔn)則，由以下公式表達(dá)：下、左、右相鄰的個節(jié)點(diǎn)（如果都存在（）如果節(jié)點(diǎn)與上、的話）相比較，具有相同或更高的分辨率，則直接進(jìn)行對角（）剖分；下、左、右相鄰的個節(jié)點(diǎn)（）如果與上、（如果都存在的話）相比較，該節(jié)點(diǎn)具有較低的分辨率，則

8、首先對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相（）應(yīng)的上部、下部、左部或右部剖分，然后判斷其余個子節(jié)點(diǎn)是否滿足條件（），如果不滿足則繼續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的部剖分，這是一個遞歸的過程，直到滿足條件（）。剖分結(jié)果如圖所示。××歸一化后：××其中為視點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)中心位置之間的距離，為節(jié)點(diǎn)大小，為節(jié)點(diǎn)的粗糙度誤差，為可調(diào)因子。×這些因素的綜合形成節(jié)點(diǎn)評價系統(tǒng)，但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)地形隨著視點(diǎn)的改變會發(fā)生幾何形變，即視點(diǎn)改變時有些細(xì)節(jié)會突然出現(xiàn)或消失。文獻(xiàn)提出通過差值的方法來降低或者消除幾何形變，但是經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)很困難，計算代價太大。經(jīng)過反復(fù)測試，可以通過兩種方式來減少幾何形變，一是

9、通過調(diào)節(jié)可調(diào)因子來降低幾何形變，二是通過減少近距離時的視點(diǎn)依賴性，對設(shè)定一個閾值，當(dāng)時，只使用地形幾何形變，但是可以將幾何形變控制在一個比較滿意的范圍內(nèi)。實(shí)時動態(tài)渲染方法，效途徑是對可見區(qū)的不同范圍運(yùn)用不同的細(xì)節(jié)層次模型許兆新，花文華：三維地形可視化技術(shù)研究（）進(jìn)行渲染，即對離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域用較低的分辨率進(jìn)行渲染；而對離視點(diǎn)較近的區(qū)域用較高的分辨率進(jìn)行渲染，這樣在給定誤差閾值的情況下，即能顯著地提高地形場景的繪制效率，同時又能夠較好地保持地形場景的繪制效果。地形動態(tài)渲染的關(guān)鍵是在不顯著降低地形場景繪制效果為進(jìn)一步簡化地形數(shù)據(jù)和提高動態(tài)顯的前提下，具有交互性。示效果，滿足動態(tài)、交互性要求，在實(shí)際

10、應(yīng)用中，通常需要隨著視點(diǎn)變化，對每一個樹節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可見性判斷，然后僅僅讓可見的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)參與繪制。這是一個在一定節(jié)點(diǎn)誤差評價系統(tǒng)下，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐步求精、動態(tài)選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)集的過程。而且，最優(yōu)節(jié)點(diǎn)集必須完全覆蓋地形場景的采樣區(qū)域，既不能有重復(fù)也不能有相交，還要具有可見性，達(dá)到好的動態(tài)渲染效果。綜上，通過如下步驟完成地形場景的動態(tài)繪制：（）裝載地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建地形四叉樹，計算地形四叉樹各節(jié)點(diǎn)靜態(tài)誤差；（）根據(jù)給定的節(jié)點(diǎn)誤差評價系統(tǒng)動態(tài)地選擇地形節(jié)點(diǎn)集，并對節(jié)點(diǎn)可見性進(jìn)行判斷，剔除不可見節(jié)點(diǎn)；（）對可見節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)三角網(wǎng)剖分與實(shí)時渲染；（）在實(shí)時漫游中，需要隨著視點(diǎn)的變化，不斷地對節(jié)點(diǎn)集進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)地

11、形的實(shí)時控制，重復(fù)步驟（）、（）。表，（）不同三角面片數(shù)時的地形場景幀率比較三角面片數(shù)幀率實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文利用和三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)節(jié)中過程，實(shí)驗(yàn)渲染算法流程圖如圖所示。結(jié)論地形場景的實(shí)時渲染是地形場景可視化的重要內(nèi)容，本文針對四叉樹結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在考慮視點(diǎn)和地形粗糙度的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種合理的節(jié)點(diǎn)誤差評價系統(tǒng)；提出了一種快速自適應(yīng)的三角網(wǎng)剖分方法，該方法消除了不同分辨率節(jié)點(diǎn)間的型裂縫，實(shí)現(xiàn)了地形的平滑繪制，并具有較好的繪制速度和繪制質(zhì)量。隨著航空航天技術(shù)和攝影測量技術(shù)的飛速發(fā)展，獲取大范圍、高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)將十分容易，為此未來的工作將仍然主要集中在數(shù)據(jù)的管理上，特別是近年來提出的數(shù)字地球和數(shù)字海洋概念，如何實(shí)現(xiàn)大范圍空間的三維實(shí)景顯示，將仍然是一個極富挑戰(zhàn)性的課題。（收稿日期：年月）參考文獻(xiàn)：張玉杰，崔鐵軍，姚慧敏一種基于四叉樹的地形模型簡化快速生成本文選取了南海海域某地地形數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，結(jié)果如圖算法海洋測繪，（）：所示。從圖中可以看出，距離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域分辨率較低，距離視點(diǎn)較近的區(qū)域分辨率較高，而且隨著視點(diǎn)的改變，地形細(xì)節(jié)得到了有效調(diào)整，具有連續(xù)