大规模室外地形场景加速绘制技术研究

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1、中国科学院软件研究所博士论文摘要摘要大规模室外地形场景的实时及真实感绘制是图形学与虚拟现实技术中非常重要的研究课题。由高度场数据构成的地表模型代表了地表环境的基本特征，因此对高度场模型的绘制效率是大规模室外场景能否实时绘制的关键。但是由于地表模型具有非常庞大的数据量，有时甚至远远超过了系统内存的容童而无法一次性装载入内存，要达到实时绘制的目的十分困难。即使现在顶级显卡硬件的功能已经非常强大，每秒钟可以绘制的三角形数目突破了百万，但是依然无法通过直接绘制的方式进行交互式地形绘制。实时绘制依赖于有效的虚拟场景加速技术。我们对此问

2、题进行研究，试图在尽量保持图象保真度的条件下，探讨可能的最佳加速方法和加速方法组合，进一步提高地形绘制的效率。针对大规模地形场景在3D地理信息系统、虚拟战场作战演习、逼真的三维游戏以及汽车模拟驾驶中以漫游为主的应用，我们展开以可见性加速为主并辅以层次细节简化、优化数据调度、硬件加速技术等多种加速技术的地形绘制的研究工作。我们的工作成果如下:.本文为地形场景提出了一种保守的from-region层次可见性计算方法。层次可见性与高效表示的多分辨率层次模型有机结合，实现大规模地形场景的连续实时绘制。层次可见性在预处理阶段建立，预处

3、理所豁存储的信息以及计算开销均小于以往同类算法。利用该可见性信息，在运行时刻剔除相对视点不可见的大块场景，减少了模型LOD处理和绘制的时间。实时阶段的可见性既可以采用点判定方式，也可以针对特定的低空漫游形式采用基于区域方式的判定.同时，可见性预计算是保守的，也避免了因为不恰当的不可见区域剔除导致的视觉误差的出现。而基于四叉树结构的视点相关自适应简化又可以被应用到大规模三维点采样数据模型的绘制中，实现了夔于参数空间的点与多边形的混合多分辨率绘制方法。.本文提出一种基于水平线(horizon)的实时层叠式遮挡剔除算法。from-

4、region的可见性预计算虽然可以为应用程序实时运行阶段提供加速，但是其庞大的预处理开销和惊人的存储量还是为实际应用造成了很大的不便，尤其对于海量原始数据进行可见性预计算显然不可行。因此，基于地形场景具有的地理特征信息，我们利用特征提取手段提取场景中的有用信息在运行阶段实时构建遮挡horizon并进行可见性剔除，可见性充分利用了帧与帧之间的时间连贯性。我们把观察参数和可见性信息结合起来作为LOD选择的标准，并且实现了可见性驱动的连续层次细节简化绘制框架。除了基于景物空间的层叠式剔除外，利用提取出的特征还可以实现基于图象空间的

5、硬件支持剔除方式。.本文针对外存(out-of-core)模型，提出了一种适合地形场景漫游的简化误差标准和增量水平线(incrementalhorizon)控制数据调度以及几何场景绘制的策略。海量外存模型的绘制除了具有一般大规模场景实时绘制所面临的困难外，还有因其自身数据量庞大的特性而需要更加特殊的加速处理。本文的误差计算是一种具有保持轮廓和shading-preserving特性等符合感知规律的简化标准，能够更进一步简化模型的数目，并能够尽量避免离散层次细节模型切换所造成的跳跃现象(popping)。基于该标准的简化，能够

6、以较少的模型数目来获得较高的图象保真度。本文利用潜在轮廓作为遮挡者构建增盆水平线，控制需要载入内存的模型块数目，减少超大规模场景数据的在内外存之间的调度，并且相应减少GPU绘制几何体的数量。.本文给出大规模室外地形场景加速绘制的系统流程，综合使用了多种加速绘制手段，包括层次多分辨率、层次纹理、快速可见性计算、三角带构建、几何形状过渡、多线程技术进行。ut-of-core数据页面载入、基于GPU绘制加速等。此外，我们探讨了室外地形场景的真实感绘制方法与手段，并开发了快速计算PVSE和PVSL的算法然后利用硬件支持的bumpma

7、p和shadowmap技术得到室外地形场景具有阴影效果的图象。关键词:室外场景漫游，实时可见性计算，层次遮挡剔除，多分辨率建模，特征提取，水平线，外存模型。中国科学院软件研究所博士论文摘要StudyonAccelerationTechniqueofRenderingforLarge-scaleTerrainEnvironmentsLiSheng(ComputerApplicationTechnology)DirectedbyProfessorWuEnhuaAbstractReal-timewalkthroughandreal

8、isticrenderingoflarge-scaleterrainenvironmentsisanimportanttopicincomputergraphicsandvirtualrealitytechnique.Aterrainsurfacemodelcomposedofheight