三維地形交互式編輯

1、三維地形交互式編輯中點移位細分1.1 細分方法海拔柵格數(shù)據(jù)是具有細節(jié)特征和統(tǒng)計自相似特性的分形曲面。細節(jié)特征通過隨機來獲得，而表面屬性控制由細分方法和遞歸插值算法來把握。海拔柵格一般用于地表網格、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。隨機表面的細分方法可以用于任意網格，但一般主要以三角網和四邊形網為主，四邊形網在很多應用中較為方便。三角高度網格和四邊形高度網格三角網的隨機中點移位方法對正常三角形（三條邊的比值位于一定范圍內）和狹長三角形，或者對于較長邊或邊上細分方法和三角形中心點分割算法。使用邊遍歷算法，先處理所有邊的細分，之后按照三角形遍歷并根據(jù)該三角形的細分點確定

2、連線方式?；谶叺募毞址椒ɑ趦赛c的細分方法只使用內點的細分會產生狹長三角形。2 四邊形網的隨機中點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格上的隨機中點移位海拔柵格。建立在任意尺寸上的四邊形網格的隨機非中點移位海拔柵格。非中點移位是使用目標網格間距控制細分的自適應遞歸控制算法。原則上可以按單步或兩步進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數(shù)范圍。任意網格的隨機中點移位方法凹多邊形和帶有空洞的多邊形依據(jù)頂點劃分為凸多邊形或三角形。對

3、凸多邊形的幾何中心點按照平均法向進行限定隨機移位。接著在多邊形邊界上選擇邊創(chuàng)建分點，此時要相應地處理鄰接的另一個多邊形并使用該點為邊上分點。或使用多邊形的現(xiàn)有頂點，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實體，被劃分的邊必須雙側翼（無向前或向后翼）和長邊，中點位于邊的中點，平局高程是線的平均法向上含兩翼各點的均值，并在該向量上進行隨機位移處理。不規(guī)則石頭可以用此方法建模。具備自拼接特性的規(guī)范四邊形網的隨機中點移位方法規(guī)范四邊形網是具有形如(2 m1)(2 n1) 的四邊形網格?？紤]到計算速度和非重復的表面規(guī)模，一般可選用256 256 柵格。為了能較好的進行自拼貼，右

4、側和下側邊界的坐標分量為256 整數(shù)倍的坐標分量值將回繞到0 坐標分量值。1.2 種子網格的產生1 由跨距 span 構造 M0 N0 陣列初值，可選用行列序或層序安排隨機數(shù)使用的順序格局，并且一般要求 span 是 2 m 和 2n 的公因子。隨機種子網格各點的隨機值大小和式樣受隨機數(shù)種子srand 以及隨機數(shù)范圍 lrand 和 hrand 限定。由于計算機所使用的隨機數(shù)都是偽隨機數(shù)，因此可以使用不同的隨機數(shù)模型，如：隨機數(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)和隨機值均為整數(shù)。) %模型 3：混沌映射模型。

5、 。假設隨機數(shù)范圍為（0,1），則每點的高程 h (lrand rand ( ) (hrand lrand ) heightScale 。由任意圖像的小尺寸灰度圖（可經采樣、馬賽克或變換處理）轉換為高度柵格。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格的基本式樣。3由重疊 IFS或可加入某種隨機性所產生的低分辨率分形集作為初始種子網格n hh h / n 。4由隨機生長方法獲?。ㄔ? 平面上由一個或多個種子點，按指定的生長法則產生）。此時為任意網格（低分辨率或高分辨率），為了能進行自適應細分，需要建立光柵格式。由經顏色表轉義的混沌圖形的灰度圖像轉化為高程圖給出。由隨機幾何圖形與顏色疊

6、加方法合成。用連續(xù)隨機疊加的方法。8 用數(shù)學曲面法（包括樣條曲面）yf (x, z) 。種子網格可以與目標網格具有相同的尺寸?？梢詫ΨN子柵格數(shù)據(jù)進行編輯，也可以對目標柵格數(shù)據(jù)進行編輯。通過對種子柵格的編輯，可以把握地形數(shù)據(jù)的基本式樣。1.3 細分模型細分一般是在種子網格的基礎上進行，也可以回退到高層（廢棄部分數(shù)據(jù)）。隨機中點移位方法將隨機數(shù)范圍與粗糙度因子相結合：hnewh ( heightScal e hrand lrand ) cosare k (rand ( )1) ，22其中 k 是細分層次。對細分的結果按照將目標網格數(shù)據(jù)調整到heightScale lrand heightScale

7、 hrand 之間。可選擇平滑處理，使表面接近常規(guī)的丘陵地形式樣。也可選擇增加目標網格最低限制，可形成大面積平整區(qū)域的地形特征。表面插值或光滑細分方法使用三線性、三立方插值，切角等方法在種子網格的基礎上形成平滑表面。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）顏色表轉換（即將高程值作為顏色索引，并通過顏色表將對應的顏色轉換為灰度值，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 （細化后的曲面） ：按粗網格、均衡曲線、隨機表格數(shù)據(jù)、細分算法和插值方法控制的曲面。移位面的作用是為表面構造細致的幾何紋理?；A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行編輯（初值為 0

9、）?；A面的作用是構造任意形狀地形（如巖洞等）的粗網格面。將移位面和基礎面進行疊加而得到最終的柵格。圖形編輯工具：頂點編輯、點模式、點大小、均衡曲線、清空基礎面、重新生成移位面（重建隨機表格，可選擇保留粗網格） 、改變目標柵格尺寸 （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、中間定向翻轉，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），含力學模型的堆積（如噴砂）和挖掘，風蝕和水洗方法，打磨石、侵蝕刷（依據(jù)尺寸和強度），對于紋理解釋可修改伴隨的顏色表對柵格的理解做進一步調整，多邊形區(qū)域上的連續(xù)隨機增加，兩個地形數(shù)

10、據(jù)的非對稱個性化插值，通過非規(guī)則幾何的運動掃略方式進行的增減操作等。可對任意的空間三角和四邊形混合網（可封閉為體）進行隨機中點移位處理。網格的控制點為粗網格點，網格的平面看成基礎面，隨機表位于紋理坐標對應的表面點（要求具有自拼貼屬性）的合成效果。隨機表面總是依據(jù)頂點法向進行幾何貼圖，頂點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定義了多種細分算法。細分這種曲化算法可以用于海拔柵格的基礎面編輯。多種隨機移位細分方法來構造移位面，可用路徑劃分出不同的區(qū)域并各自使用獨有的細化參數(shù)和模型，來構造多種表面的組合面。粗網格點以及細分一次、二次等的點，對最終柵格的貢獻依賴于均衡曲線。正常情況下，粗

11、網格的隨機值要重要得多，其變化要影響周邊的四個粗網格區(qū)域，而最抹一層細分產生的網格點的變化只影響本身一個點。用不同顏色區(qū)分粗網格、一階網格、二階網格及其它層細分網格（用灰色），即網格的頂點編輯允許任意點（關于層和均衡曲線）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回繞方式同等地處理每一個頂點。局部編輯一般有層次點修改和區(qū)塊（2 2、44 等等）修改，并且一般要按照作用強度模式進行改變（與整體編輯相比，方法相同，強度控制方式不同）：局部編輯首先通過選擇模式把鼠標光標位置的拾取矩形（ 22 或 55 等）獲取幾何圖形的( x, z) 坐標確定編輯

12、區(qū)域（圓或矩形，用二維數(shù)組）：typedefstruct_collect intx:10;/ x 坐標intz:10;/ z 坐標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;先獲取光標所拾取的三角形， 再根據(jù)相機位置與鼠標點的射線方程與三角形的交點在三角面上反算出最近的 (x, z) 坐標點。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值，并將此隨機按一定限定進行長幅修改。提升與沉降：主要針對局部均值進行修改，非均值部分只做

13、少量縮小。4 上下翻轉：通過指定平面ya 對低于或高于該平面的部分進行對稱到另一側。圖像編輯方法：如油畫效果等。高程變換高程相關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行紋理合成（稱為高程紋理），亦可以將海拔柵格轉換為高度圖并用顏色表控制生成紋理。可自拼接紋理是按照N N 回繞一線的方式構成的。在拼接時與海拔柵格的處理一樣，先將圖像擴展為 (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 紋理圖像進行合

14、成，產生1025 1025 的大紋理（當然，可以將高程紋理固定在地表網格上，渲染時再與細節(jié)紋理進行合成）。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)間中點三次插值，或邊界重復的三次樣條插值非等分區(qū)間的區(qū)間線性插值樣條（當然可以使用三次樣條）最常用3.2 紋理細節(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、底層網格的三角劃分11113663111163361113131關于中心區(qū)域的展開4 4 網格權值分配矩陣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 自適應層次劃分方法會打亂原始的四叉樹層次，數(shù)據(jù)結構和算法較復雜。4.3 層次四叉樹方法多塊拼合粗虛線為實際計算的N N 柵格數(shù)據(jù)，細實線為渲染

16、的(N+1) (N+1)柵格數(shù)據(jù)，其中的右側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用 y( x, z) 表示幾何或紋理數(shù)據(jù)，將其轉換為環(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 (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。而該坐標點的紋理坐標為 (x / 256, z / 256) ，頂點法向是上式中的y( x, z) =1 時的三維向量。3 預處理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節(jié)特征，圖像紋理進一步細化地表形成真實的地表形體。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)進行拼接。天空盒數(shù)據(jù)用內置的模型自動生成和擴展。天空盒也是地表柵格的生成目標之一。地形參數(shù)設置對話框：INITPARAM種子網格規(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）隨機數(shù)種子randStart = 0.5F; （ 0,1）隨機數(shù)參數(shù)：randscale,randShift使用時， 先生成數(shù)值的隨機數(shù)模型： 0-Logistic， 1-素數(shù)線性映射，編輯控制參數(shù)設置對話框：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、鄰接點選項

22、：使用隨機（隨機因子）表明：表面細分、平滑矩陣、卷積矩陣強度：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，顏色表轉換等。瀏覽模式參數(shù)設置對話框：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 )因子細節(jié)層次（ 1,2,3,4,全）視錐角（ 0, 90）顏色表設置對話框：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（按比例與當前數(shù)據(jù)合并） 、保存位圖、退出初始化種子（隨機粗網格、讀入圖像、生長、點隨機疊加）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（堆放圖片的地表設計）查看：更換天空盒、更換基礎紋理（一般用四層） 、更換細節(jié)紋理讀入和保存顏色表、設置連續(xù)顏色表控制、修改單個顏色經顏色表轉換數(shù)據(jù)顯示（面、線框）背景模式（背景色、天空盒）細節(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、細節(jié)層次（8,16,32,64）、步行 / 飛行。5.3 渲染一般，觀察點與水平面形成固定夾角（15 45 度），編輯時要根據(jù)觀察點及高程線的觀察效果調整綜合高程（主要是粗網格點的）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）、調整觀察高度、繞觀察中心的y 軸矢量旋轉、保持高度的飛行控制（