三維地形交互式編輯

1、三維地形交互式編輯中點(diǎn)移位細(xì)分1.1 細(xì)分方法海拔柵格數(shù)據(jù)是具有細(xì)節(jié)特征和統(tǒng)計自相似特性的分形曲面。細(xì)節(jié)特征通過隨機(jī)來獲得，而表面屬性控制由細(xì)分方法和遞歸插值算法來把握。海拔柵格一般用于地表網(wǎng)格、云彩和巖石等紋理圖像生成，凹凸紋理計算和幾何紋理生成等多個用途。隨機(jī)表面的細(xì)分方法可以用于任意網(wǎng)格，但一般主要以三角網(wǎng)和四邊形網(wǎng)為主，四邊形網(wǎng)在很多應(yīng)用中較為方便。三角高度網(wǎng)格和四邊形高度網(wǎng)格三角網(wǎng)的隨機(jī)中點(diǎn)移位方法對正常三角形（三條邊的比值位于一定范圍內(nèi)）和狹長三角形，或者對于較長邊或邊上細(xì)分方法和三角形中心點(diǎn)分割算法。使用邊遍歷算法，先處理所有邊的細(xì)分，之后按照三角形遍歷并根據(jù)該三角形的細(xì)分點(diǎn)確定

2、連線方式?；谶叺募?xì)分方法基于內(nèi)點(diǎn)的細(xì)分方法只使用內(nèi)點(diǎn)的細(xì)分會產(chǎn)生狹長三角形。2 四邊形網(wǎng)的隨機(jī)中點(diǎn)移位方法對于狹長四邊形，可以使用邊分割方法將其分成兩個四邊形。也可以使用先用square 數(shù)據(jù)生成diamond數(shù)據(jù)，之后再用diamond數(shù)據(jù)生成square 數(shù)據(jù)。建立在等距四邊形網(wǎng)格上的隨機(jī)中點(diǎn)移位海拔柵格。建立在任意尺寸上的四邊形網(wǎng)格的隨機(jī)非中點(diǎn)移位海拔柵格。非中點(diǎn)移位是使用目標(biāo)網(wǎng)格間距控制細(xì)分的自適應(yīng)遞歸控制算法。原則上可以按單步或兩步進(jìn)行任意中間位置的分割，并按照雙線性插值求取平均高度和隨機(jī)數(shù)范圍。任意網(wǎng)格的隨機(jī)中點(diǎn)移位方法凹多邊形和帶有空洞的多邊形依據(jù)頂點(diǎn)劃分為凸多邊形或三角形。對

3、凸多邊形的幾何中心點(diǎn)按照平均法向進(jìn)行限定隨機(jī)移位。接著在多邊形邊界上選擇邊創(chuàng)建分點(diǎn)，此時要相應(yīng)地處理鄰接的另一個多邊形并使用該點(diǎn)為邊上分點(diǎn)?；蚴褂枚噙呅蔚默F(xiàn)有頂點(diǎn)，則不需要考慮相鄰多邊形。使用最多的是任意三角剖分或四邊形剖分表面或?qū)嶓w，被劃分的邊必須雙側(cè)翼（無向前或向后翼）和長邊，中點(diǎn)位于邊的中點(diǎn)，平局高程是線的平均法向上含兩翼各點(diǎn)的均值，并在該向量上進(jìn)行隨機(jī)位移處理。不規(guī)則石頭可以用此方法建模。具備自拼接特性的規(guī)范四邊形網(wǎng)的隨機(jī)中點(diǎn)移位方法規(guī)范四邊形網(wǎng)是具有形如(2 m1)(2 n1) 的四邊形網(wǎng)格。考慮到計算速度和非重復(fù)的表面規(guī)模，一般可選用256 256 柵格。為了能較好的進(jìn)行自拼貼，右

4、側(cè)和下側(cè)邊界的坐標(biāo)分量為256 整數(shù)倍的坐標(biāo)分量值將回繞到0 坐標(biāo)分量值。1.2 種子網(wǎng)格的產(chǎn)生1 由跨距 span 構(gòu)造 M0 N0 陣列初值，可選用行列序或?qū)有虬才烹S機(jī)數(shù)使用的順序格局，并且一般要求 span 是 2 m 和 2n 的公因子。隨機(jī)種子網(wǎng)格各點(diǎn)的隨機(jī)值大小和式樣受隨機(jī)數(shù)種子srand 以及隨機(jī)數(shù)范圍 lrand 和 hrand 限定。由于計算機(jī)所使用的隨機(jī)數(shù)都是偽隨機(jī)數(shù)，因此可以使用不同的隨機(jī)數(shù)模型，如：隨機(jī)數(shù)種子 r0(0,1)模型 1： rn 13.96 rn (1rn )模型 2： rn 1(a rnbc ，此時使用的參數(shù)和隨機(jī)值均為整數(shù)。) %模型 3：混沌映射模型。

5、 。假設(shè)隨機(jī)數(shù)范圍為（0,1），則每點(diǎn)的高程 h (lrand rand ( ) (hrand lrand ) heightScale 。由任意圖像的小尺寸灰度圖（可經(jīng)采樣、馬賽克或變換處理）轉(zhuǎn)換為高度柵格。該方法的好處是可以選擇性使用圖像的某種特征作為高度網(wǎng)格的基本式樣。3由重疊 IFS或可加入某種隨機(jī)性所產(chǎn)生的低分辨率分形集作為初始種子網(wǎng)格n hh h / n 。4由隨機(jī)生長方法獲取（在0 平面上由一個或多個種子點(diǎn)，按指定的生長法則產(chǎn)生）。此時為任意網(wǎng)格（低分辨率或高分辨率），為了能進(jìn)行自適應(yīng)細(xì)分，需要建立光柵格式。由經(jīng)顏色表轉(zhuǎn)義的混沌圖形的灰度圖像轉(zhuǎn)化為高程圖給出。由隨機(jī)幾何圖形與顏色疊

6、加方法合成。用連續(xù)隨機(jī)疊加的方法。8 用數(shù)學(xué)曲面法（包括樣條曲面）yf (x, z) 。種子網(wǎng)格可以與目標(biāo)網(wǎng)格具有相同的尺寸。可以對種子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)進(jìn)行編輯，也可以對目標(biāo)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。通過對種子?xùn)鸥竦木庉嫞梢园盐盏匦螖?shù)據(jù)的基本式樣。1.3 細(xì)分模型細(xì)分一般是在種子網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進(jìn)行，也可以回退到高層（廢棄部分?jǐn)?shù)據(jù)）。隨機(jī)中點(diǎn)移位方法將隨機(jī)數(shù)范圍與粗糙度因子相結(jié)合：hnewh ( heightScal e hrand lrand ) cosare k (rand ( )1) ，22其中 k 是細(xì)分層次。對細(xì)分的結(jié)果按照將目標(biāo)網(wǎng)格數(shù)據(jù)調(diào)整到heightScale lrand heightScale

7、 hrand 之間?？蛇x擇平滑處理，使表面接近常規(guī)的丘陵地形式樣。也可選擇增加目標(biāo)網(wǎng)格最低限制，可形成大面積平整區(qū)域的地形特征。表面插值或光滑細(xì)分方法使用三線性、三立方插值，切角等方法在種子網(wǎng)格的基礎(chǔ)上形成平滑表面。1.4 高度變換高程映射方法：區(qū)間（ -128, 127）上的連續(xù)映射(0,1)上的自映射： h4 h (1h)(0,) 上的自映射 h4 h (1h /)(/2, / 2)上的自映射 h(2h) (1 2h /)/ 2三角函數(shù)(1, 1) 上的自映射： h sin(hk/ 128), k(0,255) 的整數(shù)(0,1)上的自映射： hsin(2hk/128) / 21/ 2,k(

8、 0,255) 的整數(shù)(/2, / 2)上的自映射： hsin(2 h /k / 128) / 2, k (0,255) 的整數(shù)2 離散自映射（即 (128, 127) 上的一個置換，也可以映射到(128,127) 的一個子集上）顏色表轉(zhuǎn)換（即將高程值作為顏色索引，并通過顏色表將對應(yīng)的顏色轉(zhuǎn)換為灰度值，即高度）其它方法（如油畫處理、矩陣變換等）海拔柵格的編輯方法移位面編輯 （細(xì)化后的曲面） ：按粗網(wǎng)格、均衡曲線、隨機(jī)表格數(shù)據(jù)、細(xì)分算法和插值方法控制的曲面。移位面的作用是為表面構(gòu)造細(xì)致的幾何紋理?；A(chǔ)面編輯 （ 032767）：使用不同大小的指數(shù)面頂曲面按微量堆積和挖掘的方法進(jìn)行編輯（初值為 0

9、）。基礎(chǔ)面的作用是構(gòu)造任意形狀地形（如巖洞等）的粗網(wǎng)格面。將移位面和基礎(chǔ)面進(jìn)行疊加而得到最終的柵格。圖形編輯工具：頂點(diǎn)編輯、點(diǎn)模式、點(diǎn)大小、均衡曲線、清空基礎(chǔ)面、重新生成移位面（重建隨機(jī)表格，可選擇保留粗網(wǎng)格） 、改變目標(biāo)柵格尺寸 （用插值保留編輯數(shù)據(jù)） 、改變顯示類型 （山、云、石紋 ）、推拉工具等。上下閥值限定、上下閥值翻轉(zhuǎn)、中間定向翻轉(zhuǎn)，多邊形區(qū)域上的參數(shù)修改、光順、銳化，提升和沉降多邊形（開或閉的直線或曲線），含力學(xué)模型的堆積（如噴砂）和挖掘，風(fēng)蝕和水洗方法，打磨石、侵蝕刷（依據(jù)尺寸和強(qiáng)度），對于紋理解釋可修改伴隨的顏色表對柵格的理解做進(jìn)一步調(diào)整，多邊形區(qū)域上的連續(xù)隨機(jī)增加，兩個地形數(shù)

10、據(jù)的非對稱個性化插值，通過非規(guī)則幾何的運(yùn)動掃略方式進(jìn)行的增減操作等。可對任意的空間三角和四邊形混合網(wǎng)（可封閉為體）進(jìn)行隨機(jī)中點(diǎn)移位處理。網(wǎng)格的控制點(diǎn)為粗網(wǎng)格點(diǎn)，網(wǎng)格的平面看成基礎(chǔ)面，隨機(jī)表位于紋理坐標(biāo)對應(yīng)的表面點(diǎn)（要求具有自拼貼屬性）的合成效果。隨機(jī)表面總是依據(jù)頂點(diǎn)法向進(jìn)行幾何貼圖，頂點(diǎn)法向也可以讓平面真正地鼓起來。為海拔柵格及空間表面預(yù)定義了多種細(xì)分算法。細(xì)分這種曲化算法可以用于海拔柵格的基礎(chǔ)面編輯。多種隨機(jī)移位細(xì)分方法來構(gòu)造移位面，可用路徑劃分出不同的區(qū)域并各自使用獨(dú)有的細(xì)化參數(shù)和模型，來構(gòu)造多種表面的組合面。粗網(wǎng)格點(diǎn)以及細(xì)分一次、二次等的點(diǎn)，對最終柵格的貢獻(xiàn)依賴于均衡曲線。正常情況下，粗

11、網(wǎng)格的隨機(jī)值要重要得多，其變化要影響周邊的四個粗網(wǎng)格區(qū)域，而最抹一層細(xì)分產(chǎn)生的網(wǎng)格點(diǎn)的變化只影響本身一個點(diǎn)。用不同顏色區(qū)分粗網(wǎng)格、一階網(wǎng)格、二階網(wǎng)格及其它層細(xì)分網(wǎng)格（用灰色），即網(wǎng)格的頂點(diǎn)編輯允許任意點(diǎn)（關(guān)于層和均衡曲線）的受限修改。2.1 整體編輯和局部編輯基于 256 256 自拼接海拔柵格的整體編輯是按照坐標(biāo)回繞方式同等地處理每一個頂點(diǎn)。局部編輯一般有層次點(diǎn)修改和區(qū)塊（2 2、44 等等）修改，并且一般要按照作用強(qiáng)度模式進(jìn)行改變（與整體編輯相比，方法相同，強(qiáng)度控制方式不同）：局部編輯首先通過選擇模式把鼠標(biāo)光標(biāo)位置的拾取矩形（ 22 或 55 等）獲取幾何圖形的( x, z) 坐標(biāo)確定編輯

12、區(qū)域（圓或矩形，用二維數(shù)組）：typedefstruct_collect intx:10;/ x 坐標(biāo)intz:10;/ z 坐標(biāo)intw:8;/四叉樹的半寬（半徑）intdir:4;/四個方位占2 位，每個方向的兩片各占1 位（ 01， 10， 11） COLLECT;先獲取光標(biāo)所拾取的三角形， 再根據(jù)相機(jī)位置與鼠標(biāo)點(diǎn)的射線方程與三角形的交點(diǎn)在三角面上反算出最近的 (x, z) 坐標(biāo)點(diǎn)。2.2 編輯算法1 光順：矩陣、卷積矩陣、切角、一次（一階）和三次（三階）。銳化（粗糙化）：在局部均值上確定理解的隨機(jī)值，并將此隨機(jī)按一定限定進(jìn)行長幅修改。提升與沉降：主要針對局部均值進(jìn)行修改，非均值部分只做

13、少量縮小。4 上下翻轉(zhuǎn)：通過指定平面ya 對低于或高于該平面的部分進(jìn)行對稱到另一側(cè)。圖像編輯方法：如油畫效果等。高程變換高程相關(guān)的紋理合成地形使用的紋理可以是使用4 片或多片按照高程進(jìn)行紋理合成（稱為高程紋理），亦可以將海拔柵格轉(zhuǎn)換為高度圖并用顏色表控制生成紋理?？勺云唇蛹y理是按照N N 回繞一線的方式構(gòu)成的。在拼接時與海拔柵格的處理一樣，先將圖像擴(kuò)展為 (N+1)(N+1)，多出的一線是讀取的回繞數(shù)據(jù)。這樣，拼接時就可以將邊框線重疊，形成可縮放的無縫連接。一般使用可自拼接細(xì)節(jié)圖（通常是小尺寸，如6464 ）拼接為大尺寸如1025 1025，再與由高程數(shù)據(jù)處理過的257 257 紋理圖像進(jìn)行合

14、成，產(chǎn)生1025 1025 的大紋理（當(dāng)然，可以將高程紋理固定在地表網(wǎng)格上，渲染時再與細(xì)節(jié)紋理進(jìn)行合成）。3.1 按照高程數(shù)據(jù)合成大紋理小紋理按高程數(shù)據(jù)合成大紋理將高程分成四段，使用低位置編號段進(jìn)行兩兩插值，最后一段不插值區(qū)間重疊線性插值將高程分成三段，使用低位置編號段進(jìn)行兩兩插值五等分區(qū)間的三次樣條插值四等分區(qū)間的區(qū)間中點(diǎn)三次插值，或邊界重復(fù)的三次樣條插值非等分區(qū)間的區(qū)間線性插值樣條（當(dāng)然可以使用三次樣條）最常用3.2 紋理細(xì)節(jié)有多種方式。將自拼接幾何塊固定紋理是較方便的方法。3.3 與幾何顏色混合幾何高程一般有固定的顏色漸變序列，與表面紋理混合形成自然的紋理。4 四叉樹 LOD算法4.1

15、底層網(wǎng)格的三角劃分11113663111163361113131關(guān)于中心區(qū)域的展開4 4 網(wǎng)格權(quán)值分配矩陣S1316916913是一個三次高程曲面5761316916913113131圍成的“體積” ，與其后的兩種表面三角化方法形成的“體積”較近者為所選三角劃分。1111011000000000S 111 11 11 0 01+10110+1011012* 481 1 11481 0 018 0 1106 011011110110000000004.2 自適應(yīng)層次劃分方法會打亂原始的四叉樹層次，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法較復(fù)雜。4.3 層次四叉樹方法多塊拼合粗虛線為實(shí)際計算的N N 柵格數(shù)據(jù)，細(xì)實(shí)線為渲染

16、的(N+1) (N+1)柵格數(shù)據(jù)，其中的右側(cè)和下邊均使用了回繞數(shù)據(jù)（即自拼貼的后續(xù)柵格的左側(cè)和上邊的數(shù)據(jù)，右下角=左上角像素）。具有自拼貼屬性的幾何或紋理與環(huán)的特征連接表面同構(gòu)用 y( x, z) 表示幾何或紋理數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為環(huán)面上的分割角( z)20,1, ,256) ，z, ( z256(x)2。x, ( x 0,1, ,256)256Rcos( z), 0, Rsin(z)將 y(x, z)cos(x), y( x, z) sin( ( x)，0 繞 y 軸旋轉(zhuǎn) (z) 角：y(x, z)cos(z) cos( (x), y(x, z) sin( x)， y( x, z) sin( (

17、 z) cos( ( x)再加上平移R cos(z), 0, R sin( (z) ，即為所求y( x, z) 映射到環(huán)面的三維坐標(biāo)。而該坐標(biāo)點(diǎn)的紋理坐標(biāo)為 (x / 256, z / 256) ，頂點(diǎn)法向是上式中的y( x, z) =1 時的三維向量。3 預(yù)處理void setup_quadtree(int x, int z, int width)int width2, m, n;n = width * lod_level;m = (x - location0) * (x - location0) + (z - location2) * (z - location2); width2 = w

18、idth 1;if(width 1) & m n * n) /此處添加平整度測試和相機(jī)裁剪inti, j;m = (z - width2) & MASK2) SHIFT2);n = (z + width2) & MASK2) SHIFT2);i = (x - width2) & MASK2);j = (x + width2) & MASK2);quadtree(z SHIFT2) + x = NODE_POINT;quadtreem+i = EDGE_POINT;quadtreem+j = EDGE_POINT;quadtreen+i = EDGE_POINT;quadtreen+j = ED

19、GE_POINT;setup_quadtree(x - width2, z - width2, width2);setup_quadtree(x + width2, z - width2, width2);setup_quadtree(x - width2, z + width2, width2);setup_quadtree(x + width2, z + width2, width2); else quadtree(z SHIFT2) + x = EDGE_POINT;編輯與瀏覽流程5.1 參數(shù)生成目標(biāo)類型（0-地形、 1-紋理）： DWORD product = 0;表面貼圖數(shù)據(jù)：Tex

20、turetex = w, h, image;地圖子塊編碼和子塊個數(shù)：DWORDidImg,numImg;/圖像紋理DWORDidGeo, numGeo;/幾何紋理一般情況下，地表柵格控制大尺寸地表輪廓（山脈、丘陵或平地） ，幾何紋理控制地表的細(xì)節(jié)特征，圖像紋理進(jìn)一步細(xì)化地表形成真實(shí)的地表形體。三種數(shù)據(jù)均可以用單個或多個同類（也許允許異類）數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。天空盒數(shù)據(jù)用內(nèi)置的模型自動生成和擴(kuò)展。天空盒也是地表柵格的生成目標(biāo)之一。地形參數(shù)設(shè)置對話框：INITPARAM種子網(wǎng)格規(guī)模SEEDS（1,2,4,8,16,32,64,128,256 ）高程范圍因子heightScale（0,1）表面粗糙度模型：

21、floatcoarse = 0.7F;（使用數(shù)組具有更好的效果控制。乘積序列，如果是非中點(diǎn)可按最小加速度曲線計算該序列的插值）。海平面高度： floatelevation = 0.0; （用來確定天空盒的底面高度）。高程最低限lowLimit = -128.0F; （ -1,1）隨機(jī)數(shù)種子randStart = 0.5F; （ 0,1）隨機(jī)數(shù)參數(shù)：randscale,randShift使用時， 先生成數(shù)值的隨機(jī)數(shù)模型： 0-Logistic， 1-素數(shù)線性映射，編輯控制參數(shù)設(shè)置對話框：EDITPARAM操作域尺寸（ 1， 32，64）作用區(qū)模式：指數(shù)、余弦、樣條等作用方式：層次方法、鄰接點(diǎn)選項

22、：使用隨機(jī)（隨機(jī)因子）表明：表面細(xì)分、平滑矩陣、卷積矩陣強(qiáng)度：一次濾波、三次濾波高程映射： -128 127上的自映射（ Logistic 映射、三角函數(shù)等） ，置換，顏色表轉(zhuǎn)換等。瀏覽模式參數(shù)設(shè)置對話框：VIEWPARAM地形數(shù)據(jù)顯示模式：線框、表面紋理選項：波浪，天空盒，霧紋理：（紋理文件名，插值的位置） 4 顯示因子： y 因子、 (x, z )因子細(xì)節(jié)層次（ 1,2,3,4,全）視錐角（ 0, 90）顏色表設(shè)置對話框：COLORTABLEPARAM編輯連續(xù)彩色曲線（編輯RGB樣條曲線）修改 256 色顏色表（編輯16 16 顏色塊表）5.2 命令和工具文件：新建、打開、保存、另存為、合

23、成（按比例與當(dāng)前數(shù)據(jù)合并） 、保存位圖、退出初始化種子（隨機(jī)粗網(wǎng)格、讀入圖像、生長、點(diǎn)隨機(jī)疊加）編輯：場景狀態(tài)（編輯、瀏覽）數(shù)據(jù)類型（地形、紋理、顏色表（在256*511 上背景豎線條表示為顏色的RGB分形曲線）操作形式（點(diǎn)的徒手畫類型、連續(xù)折線類型、多邊形區(qū)域類型）整體編輯：比例、高程變換、最低限、提取種子公共編輯：提升、沉降、光順、折皺、上翻、下翻；其它編輯：路、橋；布局（房、車、樹、草）；貼圖（堆放圖片的地表設(shè)計）查看：更換天空盒、更換基礎(chǔ)紋理（一般用四層） 、更換細(xì)節(jié)紋理讀入和保存顏色表、設(shè)置連續(xù)顏色表控制、修改單個顏色經(jīng)顏色表轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)顯示（面、線框）背景模式（背景色、天空盒）細(xì)節(jié)層次（ 8,16,32,64）瀏覽模式（步行、飛行）幫助：地形編輯操作、地形原理、關(guān)于地形編輯器。工具欄 ：新建、打開、保存、保存圖像；地形、紋理、顏色表；撤消、重做；提升、沉降、光順、折皺、上翻、下翻、瀏覽；背景色、表面/ 線框、細(xì)節(jié)層次（8,16,32,64）、步行 / 飛行。5.3 渲染一般，觀察點(diǎn)與水平面形成固定夾角（15 45 度），編輯時要根據(jù)觀察點(diǎn)及高程線的觀察效果調(diào)整綜合高程（主要是粗網(wǎng)格點(diǎn)的）數(shù)值。主要的瀏覽方式有兩種：約束在表面上的步行方式和保持絕對海拔高度的飛行方式。改變傾角（即改變了高度）、調(diào)整觀察高度、繞觀察中心的y 軸矢量旋轉(zhuǎn)、保持高度的飛行控制（