一種基于高精度加速度曲面建模的地表動(dòng)態(tài)生成方法

一種基于高精度加速度曲面建模的地表動(dòng)態(tài)生成方法

0高精度曲面建模方法,引入自動(dòng)3維可視化3-真實(shí)的土地場(chǎng)景是地球表層系統(tǒng)的模擬、虛擬地理環(huán)境、3-gis和近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的三個(gè)維度決策支出系統(tǒng)不可或缺的因素。其實(shí)時(shí)建立并顯示成為近些年研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。但因其數(shù)據(jù)量巨大,地物類(lèi)型復(fù)雜多樣,在快速建模和實(shí)時(shí)顯示時(shí)遇到不小的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)十多年的研究,取得了一系列的研究成果[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],主要集中在如何建模能夠忠實(shí)地表達(dá)原始曲面,采用了多分辨率模型減少數(shù)據(jù)冗余,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是TIN和GRID,或者二者的混合[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],其研究焦點(diǎn)之一是如何快速產(chǎn)生較高精度的曲面,之二是如何對(duì)建立的曲面模型進(jìn)行實(shí)時(shí)真3維可視化,3維可視化的方法又多采用了視點(diǎn)依賴的層次細(xì)節(jié)模型。這兩個(gè)問(wèn)題的研究多是獨(dú)立進(jìn)行,即多分辨率的模型產(chǎn)生和可視化在時(shí)間上是脫離的,即先產(chǎn)生模型,再進(jìn)行可視化。而可視化的焦點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)的組織,所形成畫(huà)面的連貫性,算法的視覺(jué)效果等方面。高精度曲面建模方法,是一種新的曲面建模理論與方法,該方法是由岳天祥等人提出并逐步發(fā)展完善起來(lái)的[19,20,21,22,23,24,25]。該建模方法和傳統(tǒng)經(jīng)典建模方法相比,從根本上解決了曲面建模中的誤差問(wèn)題,具有經(jīng)典方法無(wú)法比擬的精度,且該方法的后續(xù)研究在多個(gè)方向均有突破,解決了求解微分方程的速度問(wèn)題。具體發(fā)展有快速迭代求解方法、多重網(wǎng)格方法、自適應(yīng)方法、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬方法等。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)方法可以通過(guò)動(dòng)態(tài)加點(diǎn)和減點(diǎn)實(shí)時(shí)生成DEM。對(duì)于日益增大的海量地理數(shù)據(jù)來(lái)講,如果預(yù)先構(gòu)建整個(gè)高精度DEM(數(shù)字高程模型),必然耗費(fèi)較高的時(shí)間代價(jià)和存儲(chǔ)代價(jià)。應(yīng)能夠根據(jù)需要實(shí)時(shí)地產(chǎn)生高精度DEM模型,進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化,兩者同時(shí)或聯(lián)機(jī)進(jìn)行,可節(jié)省時(shí)空成本,以提高效率。為解決此問(wèn)題,引入高精度高速度曲面建模方法,在此基礎(chǔ)上對(duì)真3維地表模擬進(jìn)行研究,提出了一種視點(diǎn)依賴的自適應(yīng)多分辨率真3維地表模擬方法,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地構(gòu)建當(dāng)前所需DEM,構(gòu)建視點(diǎn)依賴的可視化模型,漫游并實(shí)時(shí)更新。算法思想為運(yùn)用HASSM方法實(shí)時(shí)構(gòu)建初始高精度DEM,然后實(shí)施裁剪,建立層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化模型,紋理融合,繪制地物,進(jìn)行漫游,同時(shí)根據(jù)視線移動(dòng)方向動(dòng)態(tài)加點(diǎn)減點(diǎn)實(shí)時(shí)更新DEM,循環(huán)操作。1基于哈斯的表面模擬旅行方法1.1實(shí)時(shí)dem建設(shè)和更新1.1.1流式分析算法HASSM的基本思想是,根據(jù)微分幾何原理,曲面由其第1類(lèi)基本量和第2類(lèi)基本量唯一確定,求解了基本量,即可求得曲面。有關(guān)方程讀者可參閱文獻(xiàn)。基本量通過(guò)差分求解,進(jìn)而差分求解代表曲面的高斯非線性偏微分方程,具體求解方法最終歸結(jié)為矩陣運(yùn)算。而HASSM實(shí)時(shí)算法的思想是,要想滿足實(shí)時(shí)要求,必須在求解偏微分方程方面盡可能減少計(jì)算量,并充分利用現(xiàn)有計(jì)算結(jié)果。采用了矩陣正交三角分解方法,歸結(jié)為求解簡(jiǎn)單的上三角矩陣和下三角矩陣問(wèn)題,具體過(guò)程可參閱文獻(xiàn)。在視圖區(qū)的范圍內(nèi),利用該方法在計(jì)算初始曲面時(shí)可滿足實(shí)時(shí)要求。1.1.2建立了實(shí)時(shí)的曲面信息根據(jù)文獻(xiàn),加點(diǎn)相當(dāng)于HASSM系數(shù)矩陣增加Z行,即系數(shù)矩陣在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了Z行,其余保持不變。而減點(diǎn)相當(dāng)于系數(shù)矩陣減去Z行,其余保持不變。可以對(duì)矩陣進(jìn)一步分解為當(dāng)前已求得系數(shù)矩陣部分和代表新加入或者剛減去DEM的系數(shù)矩陣部分,因?yàn)閳?chǎng)景的變化一般是隨漫游漸變的,故只需求解代表變化的小規(guī)模的系數(shù)矩陣。這樣就充分保留了原有的已求得的曲面信息。從而充分利用了上一時(shí)刻曲面構(gòu)建所得的信息,避免了大量計(jì)算,高效地構(gòu)建當(dāng)前曲面。具體加點(diǎn)和減點(diǎn)的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)。在實(shí)際真3維地表漫游應(yīng)用當(dāng)中,根據(jù)位置的不同,尤其觀察者所在位置的變化,需要?jiǎng)討B(tài)變化以滿足觀察需求。而這種動(dòng)態(tài)變化,可以歸結(jié)為隨著視點(diǎn)的變化,在視線方向上增加了一部分新的場(chǎng)景,在視線反方向上丟棄了一些場(chǎng)景。而場(chǎng)景即為由點(diǎn)構(gòu)造的地表曲面,故可以在視線方向上動(dòng)態(tài)增加點(diǎn),而在視線反方向上動(dòng)態(tài)減點(diǎn)重構(gòu)高精度DEM。從而歸結(jié)為實(shí)時(shí)高精度曲面建模的加點(diǎn)減點(diǎn)更新方法。又因?yàn)樵诮^大多數(shù)情況下都是局部區(qū)域(視見(jiàn)域)內(nèi)的曲面構(gòu)建,所需點(diǎn)數(shù)即數(shù)據(jù)量會(huì)規(guī)模比較小,使得數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織比較簡(jiǎn)單,因而可以解決大規(guī)模數(shù)據(jù)量構(gòu)建真3維地表的存儲(chǔ)組織問(wèn)題。DEM的構(gòu)建及更新方法為:首先根據(jù)DEM實(shí)時(shí)構(gòu)建方法,構(gòu)建視圖區(qū)DEM,然后隨漫游通過(guò)加點(diǎn)或減點(diǎn)方法補(bǔ)充新增可見(jiàn)部分并去除剛從視圖區(qū)消失部分,實(shí)施DEM動(dòng)態(tài)更新。1.2改進(jìn)的視野中的龍眼模型要建立3維顯示所需的視點(diǎn)依賴的LoD模型,一般需要經(jīng)過(guò)視區(qū)裁剪,層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化,裂縫修補(bǔ)等過(guò)程。1.2.1中小型視見(jiàn)體的圖像顯示算法3維真實(shí)感場(chǎng)景模擬中,一般要處理和渲染大量數(shù)據(jù),會(huì)占用大量CPU和GPU時(shí)間,勢(shì)必影響實(shí)時(shí)模擬的效率。為提高繪制和處理效率,滿足實(shí)時(shí)模擬要求,應(yīng)先實(shí)施裁剪。一般采取基于視見(jiàn)體的裁剪方法,把視見(jiàn)體之外的不可見(jiàn)部分剔除,不做后續(xù)處理。采用一種改進(jìn)的基于視見(jiàn)體裁剪的方法,具體來(lái)說(shuō),就是要根據(jù)視見(jiàn)體6個(gè)面的幾何方程,逐一判斷每個(gè)圖元(頂點(diǎn),多邊形或多面體)是否在視見(jiàn)體之內(nèi),如果在視見(jiàn)體內(nèi),則顯示;否者,則剔除。如果正好與視見(jiàn)體相交,則顯示該整個(gè)圖元。因若拆分原來(lái)的基本圖元單位,需作求交運(yùn)算,得到小于基本圖元的圖形,造成數(shù)據(jù)管理上的不便,并降低了時(shí)間效率,因而,論文把所有相交圖元均保留,提高了效率,并保證了圖元的完整性。顯示圖元數(shù)目略多于實(shí)際應(yīng)顯示數(shù)目,保證了視覺(jué)完整性和數(shù)據(jù)管理效率,提高了渲染效率。因處理的數(shù)據(jù)是DEM柵格數(shù)據(jù),所以裁剪方法作了如下處理:以往算法大多只能以立方體為單位處理,這里加以改進(jìn)擴(kuò)充,可以處理以任意長(zhǎng)方體為單位的基本圖元,但裁剪時(shí)仍使用立方體裁剪。裁剪立方體的表示方法定義如下:立方體圖元用中心點(diǎn)和裁剪半徑表示,中心點(diǎn)的高程值為中心點(diǎn)及其4個(gè)角點(diǎn)中高程最大最小值之和取平均,令兩個(gè)坐標(biāo)為柵格點(diǎn)原中心坐標(biāo),其裁剪半徑取為長(zhǎng)方體中長(zhǎng)寬高中最大長(zhǎng)度的一半,這樣可保證該立方體完全包含所要繪制的DEM網(wǎng)格。裁剪時(shí)以上述立方體為單位,依次判斷任一這樣的立方體的6個(gè)頂點(diǎn)是否在視見(jiàn)體內(nèi),并規(guī)定只要有一個(gè)點(diǎn)在視圖體的內(nèi)部,則該立方體就認(rèn)為在視見(jiàn)體內(nèi)應(yīng)予以繪制,所有的頂點(diǎn)全在視圖體的外部時(shí)則認(rèn)為該立方體不可見(jiàn)。運(yùn)用本算法對(duì)DEM進(jìn)行裁剪,結(jié)果證明,該算法裁剪所得視覺(jué)效果良好,效率較高。1.2.2張拉式多分辨率模型根據(jù)人眼的視覺(jué)成像原理,人的眼睛對(duì)近處的景物比對(duì)遠(yuǎn)處的景物敏感,對(duì)視線正對(duì)的景物比斜視的景物敏感。并且根據(jù)曲面論原理,平坦的曲面部分可以粗略劃分即可忠實(shí)表達(dá)原曲面。由此,對(duì)DEM進(jìn)行簡(jiǎn)化,建立了符合視覺(jué)原理的層次細(xì)節(jié)模型,提高了顯示的效率。其原理描述如下:距視點(diǎn)距離遠(yuǎn),則根據(jù)距離合并相鄰柵格,使顯示柵格大小正比于距離,相應(yīng)的分辨率遞減。由曲面的粗糙程度,平坦的則合并柵格,相應(yīng)分辨率遞減,反之分辨率遞增。由視覺(jué)原理,正視的景物比斜視的景物清晰,斜視根據(jù)角度合并柵格,分辨率減小。綜合以上因素,建立多分辨率模型。對(duì)項(xiàng)目區(qū)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果的顯示效果如圖1,圖2。圖1和圖2分別是從兩個(gè)不同位置但同一方向的視點(diǎn)所看到的遠(yuǎn)近模型視圖,相對(duì)于遠(yuǎn)處突起的部分,圖1為遠(yuǎn)視圖,圖2為近視圖,從圖中可以看到,隨著視點(diǎn)的前移,網(wǎng)格被加密,且平坦處的分辨率低于粗糙處分辨率。數(shù)據(jù)測(cè)試證明,針對(duì)該實(shí)例,視區(qū)裁剪并簡(jiǎn)化之后的模型比裁剪之前的柵格數(shù)目繪制的圖元數(shù)可減少約高達(dá)97.896%。極大提高了繪制效率。1.2.3紋理融合的實(shí)現(xiàn)方法因同一場(chǎng)景相鄰部分使用了不同分辨率,交界地方就會(huì)產(chǎn)生所謂的裂縫,影響視覺(jué)效果,所以必須對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的修補(bǔ)方法,該方法實(shí)用高效。具體如下:依次取待顯示的圖元,判斷其周?chē)W(wǎng)格,如果周?chē)尘W(wǎng)格或圖元相鄰的某圖元分辨率較小,則在其相應(yīng)的邊上增加頂點(diǎn),頂點(diǎn)增加個(gè)數(shù)根據(jù)其分辨率相差的等級(jí)而定。紋理融合一般采用貼上相應(yīng)的地物紋理來(lái)實(shí)現(xiàn),但貼圖間的過(guò)渡不自然,要想實(shí)現(xiàn)真實(shí)感模擬,必須實(shí)現(xiàn)紋理之間的自然漸變?nèi)诤?。解決方案是:根據(jù)某種植被的決定因素而決定該種植被和其他植被混合時(shí)所占部分的大小。首先找出各種植被的決定因素的量化指標(biāo);然后根據(jù)此指標(biāo)計(jì)算該種植被所占的混合比例,再根據(jù)混合比例來(lái)進(jìn)行紋理混合;最后把混合之后的紋理加到相應(yīng)的地貌上邊。OPENGL提供了一個(gè)方便的實(shí)現(xiàn)方法,稱(chēng)之為ALPHA混合,顏色可用4個(gè)分量表示,紅、綠、藍(lán)和ALPHA,其中ALPHA代表透明度或者原來(lái)紋理顏色所占的成分。使用紋理混合時(shí),可用紅、綠、藍(lán)取相同的值控制第1種紋理所占混合比例,用ALPHA控制二者混合后再和第3種紋理混合時(shí)所占的混合比例,如果再有其他地貌,可以依次混合下去。1.3標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)向量的求解算法描述要想繞任意方向漫游,首先要解決的問(wèn)題是繞任意軸的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題,這里主要包括繞垂直方向的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題,以及垂直于身體和視線(一般指垂直于豎直方向和視線方向所確定平面)軸向的旋轉(zhuǎn)。繞任意軸旋轉(zhuǎn)的方法一般來(lái)說(shuō)有兩種,矩陣乘法和四元數(shù)的方法,其中多用矩陣乘法。根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理,繞任意軸n旋轉(zhuǎn)角度θ的方法,可以分解為分別繞3個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn),其最終旋轉(zhuǎn)矩陣為R=[nxnx(1-cos(θ)+cos(θ))nxny(1-cos(θ))+nzsin(θ)nxnz(1-cos(θ))-nysin(θ)nxny(1-cos(θ))-nzsin(θ)nyny(1-cos(θ))+cos(θ)nynz(1-cos(θ))+nxsin(θ)nxnz(1-cos(θ))+nysin(θ)nynz(1-cos(θ))+nysin(θ)nznz(1-cos(θ))+cos(θ)](1)點(diǎn)(x,y,z)繞n軸旋轉(zhuǎn)θ角后所得點(diǎn)(x′,y′,z′)可以這樣求得:X′=RX(2)式中,X=(x,y,z),X′=(x′,y′,z′),nx,ny,nz分別為標(biāo)準(zhǔn)化的旋轉(zhuǎn)軸分量。具體算法如下:首先求出從視點(diǎn)到視線上任一點(diǎn)的待旋轉(zhuǎn)向量,然后左乘前邊的旋轉(zhuǎn)矩陣,得新的旋轉(zhuǎn)向量。俯視和仰視的實(shí)現(xiàn)算法如下:首先用豎直向量和視線向量進(jìn)行叉乘運(yùn)算求得旋轉(zhuǎn)軸,然后用所得向量左乘旋轉(zhuǎn)矩陣,得新的視線向量。2算法效果及結(jié)論算法流程描述如下:1)用HASSM構(gòu)建DEM;2)經(jīng)視景體裁剪取稍大于可視范圍的數(shù)據(jù);3)動(dòng)態(tài)加點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)構(gòu)建高精度DEM;4)視見(jiàn)體裁剪只取可視范圍內(nèi)DEM;5)細(xì)節(jié)層次簡(jiǎn)化;6)添加地物及地面紋理并渲染;7)任意方向漫游;8)根據(jù)漫游方向加點(diǎn)或減點(diǎn)更新高精度DEM;9)轉(zhuǎn)步驟2)循環(huán)。步驟2)為首次裁剪,計(jì)算量稍大且可以預(yù)處理,不會(huì)影響算法效率;步驟4)只對(duì)稍大于顯示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量裁剪,效率較高;步驟8)因可用柵格數(shù)據(jù)順序存儲(chǔ)易更新取得較高效率。OPENGL是用于真3維表達(dá)的圖形函數(shù)庫(kù),跨平臺(tái),效率較高,可方便實(shí)現(xiàn)真3維編程,而C++編程效率也較高,尤其可高效處理有關(guān)內(nèi)存的分配,因而選用VC++和OPENGL實(shí)現(xiàn)了上述算法,并進(jìn)行了真實(shí)感地表模擬。甘肅慶陽(yáng)市董志塬地區(qū)介于東經(jīng)107°39′—108°05′,北緯35°28′—35°40′。地處涇水以北,馬蓮河和蒲河之間。南北長(zhǎng)87km,東西寬36km,總面積2778km2。項(xiàng)目區(qū)主要有塬、墚、峁等典型黃土高原地貌,地形復(fù)雜,非常適合算法實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)試用例的DEM選用了項(xiàng)目區(qū)的高程圖。分別用40m,20m和10m的柵格大小,分辨率分別為1143×2245,2284×4470,4567×8939,相應(yīng)數(shù)據(jù)量的大小分別為10M,40M和156M的柵格圖像,進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,用10m柵格,數(shù)據(jù)量達(dá)到156M時(shí),本文算法仍然能達(dá)到較高的效率,幀速可達(dá)到55幀/s以上,給用戶呈現(xiàn)了連續(xù)性較好的,有較強(qiáng)真實(shí)感的場(chǎng)景。最終效果如圖3—圖5所示。3復(fù)雜異形場(chǎng)景的檢測(cè)與優(yōu)化引入高精度高速度曲面構(gòu)建方法,動(dòng)態(tài)構(gòu)建DEM,構(gòu)建視點(diǎn)依賴的LoD模型,進(jìn)行3維地表模擬及漫游,可見(jiàn)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)更新。首先構(gòu)建DEM,然后進(jìn)行視圖體裁剪,根據(jù)視點(diǎn)的距離、曲面的平坦程度及視角進(jìn)行簡(jiǎn)化,再采用紋理融合進(jìn)行真實(shí)感地形場(chǎng)景建模,接著進(jìn)行場(chǎng)景漫游,在漫游過(guò)程中根據(jù)視線方向再動(dòng)態(tài)加點(diǎn)、動(dòng)態(tài)減點(diǎn)進(jìn)行DEM重建,最后重建真實(shí)感地形場(chǎng)景,依次