论文大规模地形快速漫游关键技术研究

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1、大规模地形快速漫游关键技术研究张玉杰崔铁军和万礼张振辉解放军信息工程大学测绘学院河南郑州450052摘要：大范围、海量地形数据的快速漫游是GIS、虚拟现实、游戏、仿真等领域的关键技术与难点之一。本文在四叉树地形数据简化算法的基础上,采用数据分块、基于块节点的视景体裁剪、部分数据常驻内存以及与视点相关的静态LOD模型和边界裂缝消除方法实现了对大规模地形数据的快速漫游。实验结果表明，该成果能够实现真实感大规模地形数据的实时可视化与交互操作。关键词：地形漫游数据分块视景体裁剪静态细节层次四叉树0.引言随着现代测绘技术的发展,空间数据获取的数量正以前所未有的速度

2、增长,从数字城市到数字中国再到数字地球,地形数据呈几何级数增长,大范围、海量地形数据的廉价获取已成为可能。如何针对海量地形数据实现三维快速漫游,成为相关领域的一个研究难点。随着图形硬件技术的快速发展，尽管出现了一批高性能的图形加速卡，提供了更高的几何加速功能，但仍远远不能满足实际的需求。它需要从软件实现的角度出发,在不影响视觉效果的前提下,降低三维数据的几何复杂度,减少图形系统实时处理的图形数量,提高图形的显示效率。从目前已发表的研究和应用成果来看，在提高地形地景实时绘制方面比较有效的方法主要可归结为数据、可见性预处理方法，基于图像的绘制算法和细节层次(

3、LevelofDetail,LOD)算法。其中,细节层次模型是一种有效控制场景复杂度的数据简化方法。地形的简化根据其数据模型可分为规则格网（RSG:RegularSquareGrid）地形的简化和不规则三角网（TIN:TriangulatedIrregularNetworks）地形的简化。基于TIN模型的地形简化算法，预处理和可视化的实时计算量大，对计算机硬件平台要求也较高。规则格网数据结构简单，类似图像的栅格数据结构。规则格网数据通常是由平面离散点通过插值得到的，一般情况下存在着数据冗余，即相邻格网点高程一般比较接近，可以采用间隔采样或树数据结构方式精

4、简地形数据。另外，规则格网数据便于视景体裁剪和碰撞检测。本文采用基于RSG的数据模型。1.视区裁剪在三维显示中一般采用透视投影和正交投影两种投影模式。不管是透视投影还是正交投影，其视见体都有6个裁剪面，分别是近裁剪平面、远裁剪平面、左裁剪平面、右裁剪平面、上裁剪平面、下裁剪平面。视区裁剪就是利用这6个裁剪平面判断物体和视见体之间的关系，超出视见体外的物体将会被裁剪掉而不会出现在最终的图像渲染中。本文采用了一些措施和方法来优化视区裁剪算法。7131）放弃对视见体的严格判断，不考虑视见体全部裁剪面，本文不考虑三个裁剪面，即近裁剪平面和上下裁剪平面。因为地形显

5、示时，在视点比较低的情况下，大部分地面都在视见体上下平面的包围范围内。如果视点增高，网格的复杂度本身就会降低，所以即使不对上下裁剪面进行判断，要显示的地面高程点数目也不会太多。而视见体离视点很近，也可以不考虑。然后将视见体投影到水平面上，形成投影三角形（图1）。图1视见体投影简化2）基于包围球的快速视区裁剪对于物体的裁剪，由于每个物体都是由多边形构成，假如它有N个边界顶点，那么对其裁剪就必须计算每个顶点与6个裁剪面的距离来判断该物体在视见体内，还是在视见体外，还是和视见体相交。这样做很费时，在计算机图形学中，常采用物体包围盒的方式。包围盒是指用一些顶点确

6、定大小足够的多面体来表示该物体，一般用长方体或球体来包围该物体。利用长方体作为包围盒，在裁剪时要判断长方体8个顶点和视见体的关系。而利用包围球时，只要计算球体的中心和6个裁剪面的距离，能减少测试的次数。再进一步考虑，如果把当前视见体也建立其包围球，在这种情况下，视见体裁剪测试就更加简单有效，因为要判断两个球体是否相交只要进行一次测试（计算两个球体中心之间的距离，如果小于两个球体的半径之和，则它们相交，否则不相交）。本文是基于对地面数据分块的方式组织地形漫游，将每个地块作为最小显示单元，并预先计算每个地块的包围球。2.LOD模型总结近年来LOD技术的研究成

7、果，一般可将其分为两类：一是与视点无关的LOD（VILOD:VIEW-IndependentLOD），又称为静态LOD；二是与视点相关的实时LOD（VDLOD:View-DependentLOD）,又称动态LOD。VILOD的缺陷主要有两点：一是需要存储多个相互独立的模型，对计算机的存储能力有较高要求。二是不同分辨率模型间的过渡不够自然，会产生跳跃感。但随着计算机硬件的飞速发展，大存储空间问题已经迎刃而解，对于第二个缺陷视觉效果问题，VILOD完全可以通过引入视觉误差控制、适当增加层次模型的数量等手段，达到与VILOD相同的视觉效果。另外，VILOD也有

8、其优点：一是可对LOD地面块预先进行处理，根据视点位置和地面块本身的复杂程度等相