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《浙江大学》 2003年
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海量地形数据实时绘制的技术研究

陆艳青  
【摘要】: 地形信息的可视化在实时仿真和地理信息可视化系统中占有十分重要的地位。然而随着遥感技术,卫星技术的发展,使得获取高分辨率的数字几何高程数据以及影像纹理数据成为可能,人们希望观察更广范围的地形,对地形的实时绘制提出了更高的要求。 本文提出了一个有效的基于外存的海量地形数据实时可视化框架。在该框架下有效地融合了地形的几何连续层次多分辨率细节模型和纹理的多分辨表示。地形几何数据来源于数字高程模型(DEM),纹理数据来源于卫星和遥感图象。无论是几何模型还是地形纹理均进行了多分辨率组织,并且根据它们在屏幕空间的简化误差实时选取两者恰当的分辨率。框架最主要的特征是尽管该数据远远超出了内存的容量,但是系统的性能几乎不依赖于地形数据的大小。 第一章中,介绍了大规模地形实时绘制技术的应用背景,指出了提高其绘制效率和质量的基本途径。同时总结了目前这一领域中已有文献中所提出的若干技术路线,列举和讨论了相应的有代表性的一系列算法。 第二章中,探讨了地形层次连续细节模型的特征和表示方法。提出了一种新的地形网格简化的测度,该测度保守地估计了简化后高度方向的误差在屏幕空间的投影值,并且在计算和存储上均十分有效。提出了基于视点连贯性的四队列控制策略来执行实时的动态构网,能有效地控制三角形构网所需要的时间。为了减少相邻帧画面在地形不同层次细节之间变化所引起的几何跳跃,采用了滞后合并的方法来实现动态构网过程的几何过渡。为了提高绘制效率,新方法融合了视域裁剪,背面剔除,几何过渡,三角形条带化等一系列方法,使得地形绘制的效率更高。 第三章中,为了能处理超出内存容量的地形数据,我们对海量地形数据进行了重新组织,设计了一种基于层次二叉树的遍历方式的顶点存储方式,存储的顶点数据是多分辨率组织的,并且没有冗余。渊度数据的局部连贯性由Sierpinski填充曲线来保证,且与三角形的剖分相一致。论文还进一步提出了数据的分块多分辨率组织,能更有效的执行数据的预测和装载,减少数据文件读取所造成的瓶 浙江大学博卜学位沦文 颈,使得基于外存的绘制效率更高。 第四章‘!,,为了增加地形的真实感,提出了任意大的纹理映射技术。在有限 的纹理存储资源下,使川了基于四叉树的多分辨率表示方式。纹理组织方式有效 地匹配于地形几何的连续层次多分辨细节模型,提出了纹理四叉树的多分辨率选 取策略,并从纹理结点出发,绘制几何网格。利用相邻帧之问的连贯性,大规模 的纹理映射归结为纹理数据在各个存储之间的调度问题,从硬盘到系统内存及系 统内存到纹理内存,通过各个层次的存储器,能够有效地执行远远超出纹理内存 的大规模纹理映射。为了减少纹理数据的存储量,提出了一种基于纹理金字塔的 递归压缩方法,能有效地减少了纹理数据的存储,该压缩方法解码快速,并能用 于MIPmaP进行纹理映射的反走样。 目前,地形Shad ing时通常对几何模型预先计算,并把结果存储为纹理图象进 行绘制,而动态光源的地形Shading仍是个问题。在第五章中,提出了一种面向 大规模地形的实时光照明计算方法,能动态地改变光源方向,实现高质量的地形 Shading效果。根据地形表面的细节,论文提出了自适应的法向映射的采样,采 用第四章的纹理数据表示方式,对纹理映射四叉树表示作了简化,减少了数据存 储量。能交互地实现大规模地形的局部光照明模型。 在本文的最后,作者对本文的研究工作进行了总结,并提出进一步研究的一 些关键技术问题及本课题的发展方向。
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