地形的三維動態(tài)顯示技術 虛擬現(xiàn)實技術教學課件

1、第八章 地形的三維動態(tài)顯示技術 本 章 要 點 8.1 概 述 8.2 地形實時動態(tài)顯示的三維建模技術 8.3 TIN模型的生成及VIP簡化方案 8.4 數(shù)字地面模型的LOD表示 8.5 基于OpenGL三維地形實時交互的實現(xiàn) 8.6 實現(xiàn)地形三維實時交互顯示的兩種方式8.1 .1 地形三維動態(tài)顯示與虛擬現(xiàn)實 虛擬現(xiàn)實技術具有兩個根本特性，即交互和身臨其境。就虛擬現(xiàn)實的虛擬地形環(huán)境而言，其虛擬效果是否逼真，取決于人的感官對此環(huán)境的主觀感覺,而人的信息感知約有80%是通過眼睛獲取的，所以，視覺感知的質量在用戶對環(huán)境的主管感知中占有最重要的地位。換句話說，一個虛擬地形環(huán)境的好壞取決于其視景系統(tǒng)的好

2、壞。 因而，三維地形的實時動態(tài)顯示做為三維視景仿真和虛擬現(xiàn)實的根底和重要組成局部是產生現(xiàn)實感覺的首要條件，舍此便無“現(xiàn)實而言。因為虛擬地形環(huán)境面臨的是巨量的地形數(shù)據和地面特征數(shù)據，利用這些地理空間數(shù)據建立一個逼真、實時、可交互的地形環(huán)境并實現(xiàn)具體應用是一個復雜的工作，所以三維地形的實時動態(tài)顯示成了虛擬現(xiàn)實的一項關鍵技術。 8.1 概述 8.1.2 三維地形實時動態(tài)顯示是建立虛擬地形環(huán)境的關鍵 對于動態(tài)圖形效果而言，每幀圖形的生成時間局限于3050毫秒；而對于交互延遲，除包括交互輸入及處理時間外，圖形生成速度亦是重要因素。 而地形是自然界最復雜的景物，對它的實時動態(tài)顯示對計算機硬、軟件提出了更高

3、的要求。其原因在于：1、 地貌是一種相當復雜的幾何體；2、 地貌模型的數(shù)據量龐大；3、目前沒有一種既保持地形逼真性，又保證生成速度快 的適于地景生成的最優(yōu)算法。 故三維地形的實時動態(tài)顯示成了建立虛擬地形環(huán)境的關鍵技術。8.1.3 本章主要研究內容自然界三地形三維實時動態(tài)顯示的空間建模技術和數(shù)據組織方法；利用衛(wèi)星遙感圖像，實現(xiàn)基于遙感影像的地形動態(tài)顯示對利用OpenGL實現(xiàn)三維地形實時顯示中的關鍵技術進行分析；用OpenGL軟件配3D加速卡，開發(fā)一套在微機平臺下的地 形實時交互系統(tǒng)； 8.2.1 建模的根本過程1實時動態(tài)性。2視域聚焦性。3三維交互性。4數(shù)據多層性，也稱 LOD。Levels o

4、f Detail 多層次細節(jié)特性實時動態(tài)虛擬地景有以下幾個特征：8.2 地形實時動態(tài)顯示的三維建模技術基于以上四個特征，動態(tài)地景建模根本過程如圖8-1所示。 一 DEM規(guī)則三角網GRID DEM的最常見形式是高程矩陣或稱為規(guī)則形格網GRID，它可以由對不規(guī)則或規(guī)則的空間數(shù)據點進行插值獲得。它用一系列等間距地形的高程值表示，代表一方形格網地形，格網交叉點高程值就是對應地面某點的高程 8.2.2 DEM的兩種表示方法GRID、TIN 及其比較 圖8-2 GRID數(shù)據基本格式 XY 不規(guī)那么三角網 TINTriangulated Irregular Networks是DEM的另一表現(xiàn)形式，TIN是一

5、個使用一系列連續(xù)相鄰的不規(guī)那么三角形組成的地面模型,X坐標和Y坐標間距不定。二DEM不規(guī)那么三角網TINXY 圖8-3 TIN數(shù)據基本格式 盡管GRID模型在GIS等領域有著廣泛應用，但缺點是：1、在平坦地區(qū)出現(xiàn)大量的數(shù)據冗余；2、網格大小固定，不能適應不同的地形條件。這兩個缺點在地表起伏不大的地區(qū)尤為突出。 與之相反，TIN模型能較好地顧及地貌特征，允許在地形復雜的地區(qū)收集較多信息，而在簡單地區(qū)收集少量信息，其數(shù)據冗余少，簡化數(shù)據可能帶來的失真也較小，但TIN計算麻煩，不便計算機操作。TIN與GRID數(shù)據相比，二者各有優(yōu)缺點。8.2.3 GRID格網SMC簡化方案 根本思想：針對GRID數(shù)據

6、的特點，對GRID數(shù)據進行四叉樹Morton編碼，由于Morton碼是自然碼，所以可以將DTM二維數(shù)組轉化為一維數(shù)組，對一維數(shù)組進行掃描，一次檢查每四個相鄰格網的高程值，判斷這四個格網對應九個格網點能否按照傾角閾值準那么合并。假設符合簡化標準，那么合并為一個節(jié)點并記錄地址，否那么不作處理。如此循環(huán)，直至不在有可以簡化的點。 1. 進行Morton編碼，選取相鄰四個格網對應九個格網點. 2.建立地表趨勢面，由這九個點的三維坐標計算出適宜 的地面，外表可用二次曲面方程：GRID數(shù)據SMC簡化根本步驟為： p2p3p4p5p6p7p0p1根據最小二乘原理，由坐標可解出六個外表系數(shù)。 3.計算傾角。曲

7、面上某一點處的傾斜角b可由下式計算4.計算出平均傾角。5.差值比較和判斷。計算平均傾角與所求中心點的傾角之差，并將這個差值與標準閾值比較，判斷該中心點是否可以刪除。8.3 TIN模型的生成及VIP簡化方案 與GRID模型相反，TIN模型能較好地顧及地貌特征，其數(shù)據冗余小，因此更適合地形動態(tài)顯示。適用構造TIN的方法有分步法自動生成三角剖分網；基于泰森Thiessen多邊形網和狄洛尼Delaunay三角剖分網的對偶關系生成初步優(yōu)化三角形剖分網的一步法及應用數(shù)學形態(tài)學生成三角剖分網法等。1.分步法自動生成三角形剖分網 自動生成三角形剖分網的根本問題，是如何將有界平面上所有n個互不重合的參考點其中有

8、m個參考點落在的邊界上，結成滿足如下條件的三角形格網： (1)三角形格網中的所有網格都是三角形； (2) 全部n個參考點都是三角格網的結點，三角形格網 共有n個結點。 自動三角剖分算法的關鍵問題，是如何調整初步三角剖分網，使它更加適用于具體問題的求解，即三角剖分網的優(yōu)化處理。 2. 生成初步優(yōu)化三角形剖分網的一步法 這種方法將生成初步三角形剖分網和圖形優(yōu)化處理這兩步工作，合成一步進行。其數(shù)學依據，是泰森Thiessen多邊形網和Delaunay三角剖分網的對偶關系，在構造Thiessen多邊形網的同時，就可得到Delaunay三角剖分網。3. 應用數(shù)學形態(tài)學生成的三角剖分網法 考慮到DTM G

9、RID格網是最常見的DTM形式，我們采用了從稠密格點形式的GRID格網點集中，篩選“重要點集Very Important Points，縮稱VIP用來生成描述地形起伏的三角形剖分網并進行簡化方法，即VIP方案。 在數(shù)字圖像處理中，通常用高通濾波器提取圖像細部的高頻局部。DTM GRID格網也可看作一副數(shù)字圖像16，可使用一種經過改進的空間二階微分高通濾波器，用來從稠密高程格點集濾取地貌特征點，組成“重要點集。顯然，如果某格點高程可從相鄰格點的高程推算得到，就不是特征點?？梢姡u定格點是否“重要的依據，是它的“導出性量度。VIP簡化方案 格網點P0I0，J0，h0在行方向的二階微分量度AC如圖8

10、-7所示，圖中J0為待評價格點的列號，J1，J2為行方向上相鄰兩格點的列號。計AC的長度為d，顯然d越小，P0點高程h0的導出性越高，即P0越不重要。圖8-8 圖8-7 F(x)CJ1J2J3DTM GRID格網中，非邊界上的任意一點都與周圍的8個點相鄰，因而在考察某格點的“導出性 量度時應從相鄰的8個格點，4個剖面來考慮 pi為權系數(shù),可根據需要采取相同或不同的值。顯然S(P0)|越大，P0越重要，可將|S(P0)|視為P0的重要性等級。這樣可以計算出全部格點的重要性等級，并依此劃出重要性量度直方圖 考慮4個剖面的格點“導出性”量度S（P0），如式所示： 圖中，縱軸度量格點個數(shù)，橫軸度量“重

11、要性等級”劃分。曲線底下的全部面積表示格點總數(shù)，等級劃分絕對值較小的點，是比較不“重要”的點，通常占總格點數(shù)的絕大部分。選取重要性點集可根據點集的容量，試湊性地在直方圖上設置上、下閾值“T”和“-T”，如式所示篩選“重要點集”。 式中，I=1，2，N，N為格點總數(shù)，IP為重要點集。調整T值，使之到達預定的IP容量；也可先確定SP的閾值，而點集容量不定，使IP能更好描述地表的起伏。 LOD技術是指同一場景或場景中的物體，使用不同細節(jié)的描述方法得到一組模型，供繪制顯示時選擇使用。為物體提供不同的LOD描述是控制場景復雜度和加速圖形繪制速度的非常有效的方法。它可根據一定的判斷標準判斷物體的重要等級相

12、應采取不同的處理，重要性較高的顯示較多的細節(jié)，相反重要性較低的顯示較少的細節(jié)。8.4數(shù)字地面模型的LOD表示 假定物方坐標系Z軸垂直向上，XY平面水平，當ABD及ACD合并且由ABC代替時,該簡化的誤差可由點D和BC中點M確定的線段DM的長度來度量,用D表示,這里D=|ZD-(ZB+ZC)/2|。這樣，如果D小于閾值M，即DM，認為合并后三角形與它的子三角形的誤差小于用戶允許的大小，簡化是成功的。XZAYBDCM 假定視點V在物方坐標系中的坐標為XV，YV，ZV，在物方坐標系中的垂直法線為x(x1,y1,z1), y(x2,y2,z2), z(x3,y3,z3),視點到投影面距離距離為d，用下

13、標view和proj分別表示物體在物方坐標系和像方坐標系坐標。那么對于空間點PXP，YP，ZP，可由式8-6得到其視點坐標PviewXviewp，Yviewp，Zviewp。根據透視投影關系，可得P的屏幕坐標為：故D的屏幕坐標為：M的屏幕坐標為：從而D的偏差值screend=|DM|可表示為： 聚焦程度用視線方向與視點V到D的直線的夾角的余弦表示: 綜合投影大小與聚焦程度，如果D=screend*cos的值越大，那么該目標點逾重要，以此作為簡化的標準。這樣根據不同的閾值進行不同的簡化。一層簡化閾值為D1，二層簡化閾值為D2，依次類推，層數(shù)越高，閾值越大，地形越簡單。具有多個閾值的分層結構，如下

14、圖 8.5.1 OpenGL概述 OpenGL是開放式圖形工業(yè)標準，是繪制高真實感三維圖形，實現(xiàn)交互式視景仿真和虛擬現(xiàn)實的高性能開發(fā)軟件包。國內外相繼推出專門對OpenGL進行硬件加速的三維圖形加速卡 ，從而為OpenGL提供了廣闊應用前景?；贠penGL進行三維顯示和交互，是當前的開展趨勢。 OpenGL是底層庫，SGI在OpenGL之上建立了四個簡化編程任務、易于在窗口系統(tǒng)上執(zhí)行的高層庫。8.5 基于OpenGL三維地形實時交互的實現(xiàn) OpenGL實際上是一種與硬件無關的編程界面，可以建立活動的三維幾何對像的交互式程序。它可以在連接各種計算機的網絡環(huán)境中。 利用較低層OpenGL命令編寫

15、一些執(zhí)行特殊任務的例程，如紋理映射、坐標變換、多邊形網格化，NURBS曲線和 曲面等。GLU例程前綴用glu。2. OpenGL的X Window系統(tǒng)擴充GLX 在使用X Window系統(tǒng)的機器上，提供一種OpenGL現(xiàn)場 context，并把它與可繪drawable窗口關聯(lián)起來的方法。GLX作為OpenGL的附件提供。GLX利用前綴glx。 1. OpenGL實用庫GLU 4. OpenGL Inventor 這是一個基于OpenGL的面向對像的工具箱，提供有關建立交互式三維圖形應用的對像和方法。 這個庫建立一系列簡單而又完整的編程例子，例如初試化窗口、監(jiān)控輸入，以及繪三維對像等。輔助庫例程

16、用前綴aux。3. OpenGL輔助庫Auxiliary Library OpenGL根本操作是從指定頂點開始，通過流水線處理，到最后把像素值寫入幀緩存的整個過程中所執(zhí)行的全部操作。OpenGL根本操作的順序如圖 :8.5.2 OpenGL根本操作光柵化和 片操作紋理匹配幀緩存鑒別器頂點操作和圖元裝配顯示 表象素操作頂點數(shù)據像素數(shù)據8.5.3 用OpenGL進行地形動態(tài)顯示 OpenGL作為高效圖形開發(fā)軟件包，它包括四組100多個圖形函數(shù)，可以方便實現(xiàn)二維和三維建模、投影變換、光線和色彩處理、紋理映射、動畫和實時交互等功能。用OpenGL進行地形動態(tài)顯示的根本框架，如下圖。地形建模模型LOD分

17、層模 型OpenGL映 射場景設置投影變換三維動態(tài)顯示8.5.4 OpenGL模型映射 DTM格網是最常見的數(shù)字地形模型形式，利用OpenGL制作遙感圖像三維影像圖，就要將數(shù)字地形模型格網用OpenGL原語描述，為OpenGL圖形函數(shù)所識別。OpenGL提供了點、線、多邊形等建模原語，我們可對TIN三角網直接用OpenGL原語表示，而對DEM網格可進行OpenGL的三角面串處理，例如任一網格的四個頂點S0， S1，S2，S3如圖所示。S0S3(I,J+1)UVS2(I+1,J+1)S1(I+1,I)S0(I ,J)可如下描述： glBeginGL_TRIANGLES_STRIP； glVert

18、exxij，yij，zij； S0點 glVertexxi+1 j，yi+1 j，zi+1 j； S1點 glVertexx ij+1，y ij+1，z ij+1； S2點 glVertexx i+1j+1，y i+1j+1，z i+1j+1； S3點 glEnd；實驗中，考慮到光照、霧等特殊效果，在將DEM轉為OpenGL的三角面串以后，又為每個頂點計算了法向量，經簡單光照模型處理，取得了理想的三維效果。8.5.5 遙感圖像與地形融合 OpenGL提供兩類紋理，一類紋理圖像的大小必須是幾何級數(shù)，另一類Mipmaps紋理可為任意大小。在Mipmaps紋理映射技術的根底上，我們可將遙感圖像與地形

19、融合。 OpenGL環(huán)境下在遙感影像和數(shù)字地形相套合時，地形與遙感影像的配準是關鍵。為了獲取較好的視覺效果，配準方案可采取數(shù)字地形向遙感圖像匹配。通過控制點，建立匹配方程，將數(shù)字地形由大地坐標系轉到影像坐標系中。另一匹配方案是將遙感影像經重采樣等處理獲得和數(shù)字地形相應的新影像，缺乏之處是重采樣處理中顏色量化可能失真，影響最后三維效果。8.5.6 觀察路線設置與視點計算 為了到達三維交互控制的目的，可在正射遙感數(shù)字影像上任意選擇觀察路線，對路線上的采樣點記錄平面坐標根據采樣點的平面位置從DEM中依埃爾米特插值確定觀察路線上采樣點的高程和平面坐標。Fly_Through觀察時，觀察路線上每個視點的高度可由觀察點地面高程加上“飛行高度確定；Walk_Through觀察時，觀察路線上每個視點的高度可由觀察點地面高程加上身高確定。8.5.7實時顯示與虛擬現(xiàn)實 OpenGL提供了雙緩存技術，通過它可實現(xiàn)地形實時動態(tài)顯示。其根本原理是提供前、后兩個緩存，在顯示前臺緩存內容的一幀圖像時，后臺緩存正在繪制下一幀圖像，后臺繪制完成后，交換前后臺緩存，不斷循環(huán)，實現(xiàn)動態(tài)顯示。進一步可結合立體視覺技術、傳感技術、多媒體技術等實現(xiàn)虛擬顯示。 OpenGL圖形優(yōu)化 OpenGL包括二種繪圖方式，一種是立即繪圖方式Immediate mode，一種是顯示列表方式Display mode。立即方式是一接收繪圖