三維地形可視化技術(shù)研究

1、計(jì)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(dòng)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(duì)地形數(shù)據(jù)組織和實(shí)時(shí)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(jì)了一種合理的節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)系統(tǒng)文章編號(hào)：（）文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：中圖分類號(hào)：；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(shí)間，加速地形簡(jiǎn)化算法。因此，可用四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)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(gè)正方形為四叉樹的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，灰色為觀察者能看到的區(qū)域。四叉樹對(duì)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(duì)于地形網(wǎng)格數(shù)不是或分割使之滿足這一規(guī)定。對(duì)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(shí)，樹中的每一個(gè)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(lái)表示地形時(shí)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(chǎng)景時(shí)，可以由分辨率的變化，動(dòng)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(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是計(jì)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(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)量將非常巨大，要實(shí)時(shí)模擬地形的動(dòng)態(tài)變化將非常困難。因此，在不顯著減低視覺(jué)效果的情況下如何提高顯示效率是關(guān)鍵。本文在對(duì)地形數(shù)據(jù)管理和實(shí)時(shí)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(píng)價(jià)系統(tǒng)和自適應(yīng)三角剖分方法，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(duì)規(guī)則格網(wǎng)（）進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，節(jié)點(diǎn)誤差評(píng)價(jià)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(chǎng)景視相關(guān)和地形粗糙度的因素，動(dòng)態(tài)選擇一組最優(yōu)地形節(jié)點(diǎn)來(lái)：、；（），（，：軟件工程。，（）

5、計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)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(duì)地形進(jìn)行多分辨率渲染時(shí)，會(huì)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(shí)出現(xiàn)了未被覆蓋的區(qū)域，從而在地形繪制時(shí)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(guò)定

6、制四叉樹節(jié)點(diǎn)間的分辨率差別最多不超過(guò)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(wèn)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(jiǎn)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(gè)邊點(diǎn)、四個(gè)子節(jié)點(diǎn)相對(duì)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(gè)值中最大的一個(gè)和節(jié)點(diǎn)大小的比值作為粗糙度的評(píng)價(jià)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(guò)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(shí)還保持了地表的連續(xù)性。對(duì)于滿足誤差節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)公式的四叉樹來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)化的同時(shí)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(píng)價(jià)準(zhǔn)則，由以下公式表達(dá)：下、左、右相鄰的個(gè)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(duì)角（）剖分；下、左、右相鄰的個(gè)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(duì)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(gè)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(gè)遞歸的過(guò)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(píng)價(jià)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(huì)發(fā)生幾何形變，即視點(diǎn)改變時(shí)有些細(xì)節(jié)會(huì)突然出現(xiàn)或消失。文獻(xiàn)提出通過(guò)差值的方法來(lái)降低或者消除幾何形變，但是經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)很困難，計(jì)算代價(jià)太大。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，可以通過(guò)兩種方式來(lái)減少幾何形變，一是

9、通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)因子來(lái)降低幾何形變，二是通過(guò)減少近距離時(shí)的視點(diǎn)依賴性，對(duì)設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)時(shí)，只使用地形幾何形變，但是可以將幾何形變控制在一個(gè)比較滿意的范圍內(nèi)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)渲染方法，效途徑是對(duì)可見(jiàn)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(duì)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(duì)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(chǎng)景的繪制效率，同時(shí)又能夠較好地保持地形場(chǎng)景的繪制效果。地形動(dòng)態(tài)渲染的關(guān)鍵是在不顯著降低地形場(chǎng)景繪制效果為進(jìn)一步簡(jiǎn)化地形數(shù)據(jù)和提高動(dòng)態(tài)顯的前提下，具有交互性。示效果，滿足動(dòng)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(duì)每一個(gè)樹節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可見(jiàn)性判斷，然后僅僅讓可見(jiàn)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)參與繪制。這是一個(gè)在一定節(jié)點(diǎn)誤差評(píng)價(jià)系統(tǒng)下，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐步求精、動(dòng)態(tài)選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)集的過(guò)程。而且，最優(yōu)節(jié)點(diǎn)集必須完全覆蓋地形場(chǎng)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(jiàn)性，達(dá)到好的動(dòng)態(tài)渲染效果。綜上，通過(guò)如下步驟完成地形場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)繪制：（）裝載地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建地形四叉樹，計(jì)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(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地選擇地形節(jié)點(diǎn)集，并對(duì)節(jié)點(diǎn)可見(jiàn)性進(jìn)行判斷，剔除不可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)；（）對(duì)可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)三角網(wǎng)剖分與實(shí)時(shí)渲染；（）在實(shí)時(shí)漫游中，需要隨著視點(diǎn)的變化，不斷地對(duì)節(jié)點(diǎn)集進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)地

11、形的實(shí)時(shí)控制，重復(fù)步驟（）、（）。表，（）不同三角面片數(shù)時(shí)的地形場(chǎng)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(guò)程，實(shí)驗(yàn)渲染算法流程圖如圖所示。結(jié)論地形場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染是地形場(chǎng)景可視化的重要內(nèi)容，本文針對(duì)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(jì)了一種合理的節(jié)點(diǎn)誤差評(píng)價(jià)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(cè)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(lái)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(lái)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(gè)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(jiǎn)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(cè)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)