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地形三维可视化及其实时绘制技术研究

彭仪普  
【摘要】: 地形三维可视化及其实时绘制技术一直以来是地理信息系统、数字摄影测量、虚拟现实等领域的研究热点。本文针对当前地形三维可视化及其实时绘制技术的研究现状,在吸取三维计算机图形学、计算几何、科学计算可视化、虚拟现实、计算机网络的先进理论和技术成果的基础上,围绕地形三维可视化及其实时绘制技术中的数字地形模型、三维真实感地形生成、分形地形模拟、地形简化和多分辨率表达、基于网络的三维地形可视化等核心技术内容展开讨论与研究,目标是建立地形三维可视化及其实时绘制技术在现有相关学科技术成果上实现的基本理论和技术框架。所做的主要工作有: (1)着重研究了数字地形模型中的TIN生成算法,给出了带特征线约束的Delaunay三角网最优算法的研究及实现。 (2)基于Open GL三维图形库和其工作原理,对三维真实感地形生成的基本过程(包括建模、空间变换、光照处理、可见面识别、背景遮挡、阴影处理和纹理映射等)进行了详细剖析,提出了一些加强渲染效果和加快绘制速度的具体措施。讨论与分析了基于体素(Voxel)绘制技术的特点及其在地形绘制中的应用。 (3)基于分形的原理,对采用分形布朗运动模拟地形的方法进行了系统研究。对其特征参数(H,δ)的物理意义进行了剖析,给出了采用随机中点位移法中的“diamond-square”算法实现分形地形模拟的具体细节。 (4)首次详细比较分析了各类多分辨率地形表示的数据模型和应用特点,提出了新的分类方法和ROAM算法的优化建议,为后续多分辨率地形表示奠定了坚实的理论基础。 (5)分析了实时多分辨率地形表示(或细节层次,即LOD)的基本特征。提出和改进了两种适合现阶段的基于四叉树(自适应四叉树和隐含四叉树)的实时动态多分辨率地形模型。基于实时多分辨率地形表示的典型特征,详细分析了它们的数据结构和算法实现的技术细节,并用实验证明了其有效性和优越性,解决了现阶段对地形多分辨率实时动态分析和漫游的技术需要。 (6)详细分析了基于VRML(或网络)的三维地形可视化实现技术,依照VRML语法扩展和设计了适合三维地形网络表达的VRML原型节点,解决了如何使三维大规模地形数据直接进入VRML世界、高精度数学运算和实时交互漫游的难点。


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