1、基于MultiGen的三維大面積地形場景可視化研究    摘  要  地形三維可視化技術近年來一直是相關領域的熱點研究問題。大場景地形的數據量極其龐大，又期望達到一個較好的可視化效果，提出了一種基于MultiGen的大面積地形三維可視化仿真系統建模、管理和動態調度的實現方法，較好地解決了圖像的逼真度和實時性之間的矛盾。最后基于Vega實現了大面積地形場景的可視化，滿足了系統的真實性和可行性的要求。      關鍵詞  大面積地形場景;Vega;可視化  1 

2、0; 引言      地形三維可視化技術近年來一直是相關領域的熱點研究問題。但地形高程數據和紋理數據異常龐大，超出了一般圖形系統的實時渲染和內存管理能力。特別是大場景地形的數據量極其龐大，甚至可以說是無限的，又期望達到一個較好的可視化效果，就需對建模和實時顯示提出較高的要求。 本文以MultiGen Creator與Vega為基礎工具，從實現大面積場景地形可視化的基本步驟著手，探討其中的幾個關鍵技術問題，包括：技術的應用、地面模型數據結構的組織、紋理數據的組織，然后結合Vega視景渲染引擎以塊為單位進行實時調度和渲染,最后介紹地形三維可視化的試驗情況。2

3、 大面積三維地形模型的構建      用于地形三維顯示的數據按照其功能被劃分為地形數據、文化特征數據和紋理數據。構建三維地形模型的一般過程是利用地形數據(通常是數字高程模型DEM)建立三維數字地形，貼上紋理數據(通常是數字正攝影像圖DOM)，最后將文化特征數據(DLG中的各種地形特征點和線矢量數據、各類地形要素的矢量數據等)投影到生成的三維地形上。圖1展示了構建三維地形模型的一般過程。圖1展示了構建三維地形模型的一般過程      地形數據分割和建立LOD是構建大規模地形漫游系統的有效

4、方法，可大大減少所要處理的數據量。這些技術被廣泛使用，但同時出現許多新的問題需要解決，如分割后地形的無縫拼接、紋理坐標的設置等。本節將詳盡地闡述我們實現這些技術和解決所出現問題的具體方法。21 數據的分割      1)地形數據的分割大規模的地形可能覆蓋幾百平方公里，三角形的數目可達數億個，因此不可能將所有的數據一次性地調入內存，而是將整個地形分為許多個子塊，根據可視范圍和當前的視點參數對子塊進行換頁操作，保證流暢的顯示。原始的整塊大地形數據通常是矩形的，可將其劃分為大小相同的m行n列，每個子塊命名為Row。Col(i，j分別為該子塊所在的行和

5、列)，左下角為第0行第0列。對于最右側和最上側不滿足大小相同要求的塊，對無數據區域采取無效值填充。圖2 全局坐標系與局部坐標系       為保證在繪制時能將每一個子塊放到正確的位置，從而構成一個完整的大地形，在塊與塊之間不出現裂縫，我們引入了全局坐標系和局部坐標系。以分割前的整塊地形的左下角為原點，向右為x軸，向上為y軸，z軸與x、y軸構成右手坐標系(見圖2)。計算每個子塊的中心并以其為原點構成該子塊的局部坐標系，則每個局部坐標系的原點在全局坐標系中的坐標即是該子塊的相對偏移量。這樣，在繪制時只要重構坐標系就可保證所有地形塊的無縫拼

6、接。      2)紋理數據的分割紋理數據對生成地形的真實感起著重要的作用。大范圍地形的紋理數據十分龐大，有效的管理與調度便顯得非常重要。通用的方法是把巨大的紋理圖像按區域分割為多個大小不同或均勻的小塊。這種方法簡單易行，因而被廣泛應用。      紋理可分割成與地形塊相對應的紋理塊，一個地形塊可對應一塊或多塊紋理。Multigen Creator也支持多塊地形對應一塊紋理，或者地形塊與紋理塊間不規則的對應關系，但建立這種對應關系后在系統運行時會造成空間的浪費。因為在可視范圍的邊緣往往不需要顯示一塊紋理對

7、應的全部地形塊，但整塊紋理都要被調入內存。      分割后的紋理要注意其紋理坐標的設置。對于未分割的紋理，DOM文件中有其左下角的橫坐標Xr和縱坐標Yc，該坐標與地形是相匹配的。則紋理圖像中任意像素的紋理坐標為：      X = Xr + i* Dr      Y = Yc + j* Dci，j為該像素對于左下角的行數和列數，Dr，Dc分別為紋理圖像在橫向和縱向上的分辨率。22 建模的方法與原則   &

8、#160;  構造一個地形模型的多分辨率顯示模型，首先要確定建模方法。構建地形模型的原始數據是一組地表高程采樣點，以此為輸入，經過某種數學算法的處理，得到一個表現地表幾何形狀的模型這一過程就是地形的建模過程。當前計算機技術中幾何體是以單個三角片構成的格網表面來表現的，與此相適應，地形建模也就是反映地形表面的幾何形態的格網的構建過程。傳統的建模方法可劃分為兩大類：規則三角網方法，即GRID 方法，或稱為方格網方法， 規則三角網方法即TIN方法，也稱三角網方法。兩種方法都具有各自的特點：方格網的建模方法采取的是一種在格網點上對格網周圍采樣點按照距離遠近加權平均的思想不規則三角網采取的是一

9、種“原汁原味”的方法它幾乎完整地保留原始數據按照某種原則(Delaunny)將采樣點直接連成網，建立起模型。因此兩者在數據結構和算法復雜性等方面都有很大的差異。在選擇建模方法時，我們主要考慮了以下三個問題：     (1)模型精確度的問題。當模型對精確度要求不高的時候，應更多地使用方格網模型，以充分利用其算法相對簡單、模型規范的特點。否則就要應用不規則三角網，其最大的優點是：在采樣數據密集、并分布合理的前提之下能夠精確地再現地形。三角網解決的問題，其實是要做到“真”，逼近實際地形，但前提是信息量足夠多。     (

10、2)多分辨率顯示問題。依賴于不同的數據結構，兩種建模方法中LOD算法截然不同。方格網數據結構規整，LOD 問題的解決相對比較容易； 三角網數據結構復雜，LOD算法也相對復雜化。     (3)地物的表現方式。地物種類繁多，各有其不同表現方式。對于依賴于地形模型的地物，目前的情況都是用紋理來表示。具體的建模工作主要使用MultiGen Creator。主要有以下幾個步驟（如圖3所示）。              

11、60;                            圖3 地景的生成流程圖3大面積場景的管理、調度         Vega也有大地形管理模塊，但是對于如幾千平方公里的大面積地景可能會分割成成千上萬個*.flt文件，這樣處理起來往往會顯得力不從心。通

12、常數字高程模型DEM數據越精確，衛星遙感數據分辨率越高，場景就越真實。但仿真區域越大，DEM數據量也就越大；真實感越高，需要的多邊形就越多；紋理越精細，需要的紋理內存就越多。實時處理這些海量的數據就成為了問題的關鍵。傳統的方法往往是犧牲真實感來換取給制速度，難以達到自然環境三維真實再現的目的.于是基于vega的大地形調度思想，提出了大面積地景管理與調度的方法。在對地景進行處理的基礎上，系統還需要建立子線程對地景庫進行管理和動態調度，使內存中只保留感興趣區域的*.fst文件。圖4 AOI構成簡圖      在圖4中，   表示

13、觀察者的視線方向。x-y平面的規則長方形代表地形單元，視線的平截頭體與x-y 平面交叉成的四邊形就是AOI。AOI 內的地形單元將被調入內存處理。圖5 地景的動態調度流程圖       地景庫的動態調度過程如圖5 所示，具體調度過程如下：（1）初始化時，根據觀察者的位置，確定感興趣的區域AOI，映射相應的*.fst 文件。（2）在觀察者漫游的過程中，不斷地檢測感興趣的區域AOI是否發生變化，如果超過了某個臨界值，就表明感興趣的區域發生了變化。（3）將不再感興趣區域AOI 內的*.fst 文件取消其映射關系，使其從物理內存中消失。將新出

14、現的在感興趣區域范圍內的*.fst 文件映射到物理內存，而且那些一直在感興趣區域內的*.fst 文件保留原有映射關系。（4）當新舊*.fst 文件的數據融合后，通知主線程。（5）將觀察者的初始位置設置成當前位置，回到步驟（2），直到退出仿真系統為止。為了實現三維場景的實時漫游顯示，經過建立三維地面模型，并映射反映地面景觀的數字遙感影像然后利用視景驅動引擎實現景觀的漫游、任意瀏覽顯示。本文的研究試驗采用了多個軟件系統。建模和紋理貼圖是根據相關的數據結構和模型，在虛擬現實專用建模軟件Multigen-creator環境下完成的。視景驅動引擎是在VC 60環境下結合Vega的函數庫和OpenGL函數

15、庫完成系統的編程、調試和運行后完成的。視景驅動引擎一方面完成整個場景中數據的分塊調用處理，另一方面，是隨著視點的改變，實現地形場景的連續播放顯示。圖6為系統運行時的一個場景截圖。圖6 系統運行場景4結束語      大范圍、不規則三維地形的可視化及其實時顯示是一個極富挑戰性的課題，盡管前人已做了很多這方面的工作，但真正實用且適合大范圍三維地形的可視化及其實時顯示的算法還不多。雖然三維地形的范圍很大，但在視區范圍內的三維地形是有限的，所以基于視相關的算法是大范圍三維地形可視化及其實時顯示的必由之路，本文提出的基于MultiGen的大面積地形三維可視化仿真系統建模、管理和動態調度的實現方法的具有規范、搜索快的優點，又能適合隨著視點的變化而進行連續、動態的三維地形的實時顯示，所以，它們是一種在三維地形可視化及其實時顯示中優先考慮的方法。參考文