随着计算机硬件和图形学相关技术的发展,真实感草地场景模拟技术的相关研究方法也在不断进步。近年来,无数研究者对草体建模、动态模拟等方面进行了研究,取得了显著的进展,但对大规模真实感草地场景的实时绘制还需要做进一步地研究,且对草体分布的研究相对较少。目前国内外对真实感草场模拟的相关研究,尚未能在真实感和实时性上取得较好的平衡,仍有较大的研究和改进空间。本文致力于对现有的相关方法和技术进行研究和改进,得到适用于大规模动态草地场景的模拟方法,使其能兼顾模拟的真实感和实时性。本论文的主要工作和成果为:(1)本文结合统计学的相关理论,针对现有的草体分布方法能够模拟出聚集性,但密集区域与稀疏区域过渡不自然的问题,提出了一种基于位置概率的草体分布方法,获得了自然聚集的草体分布图。此外,还创造性地将草体分布和地形模型结合起来,实现了草体根部顶点高度坐标值的准确计算,从而解决了草体与地面的贴合不紧密的问题,进一步增强了真实感。(2)对于大规模草地场景的草体表达和简化,本文基于多细节层次(Levels of Detail,LOD)思想,设计并实现出一种混合草体建模方法,采用几何模型模拟近距离草体,使用星形布告板构造中距离草体,弥补了现有的混合建模方法在真实感上的欠缺。此外,还对LOD的过渡策略进行研究,通过控制不同模型在过渡区的权值,解决了不同草体细节层次模型之间过渡不自然的问题。(3)对于草地场景的动态模拟,本文对近距离几何模型的动态模拟采取基于物理的方法,综合考虑了重力、弹力和风力等因素,真实感良好;对于中等距离基于星形布告板的草体的动态模拟,则采用基于过程式的方法,并通过共享几何草体的变形数据实现了布告板草体的近似变形,在保持实时性的前提下进一步增强了真实感。本文还通过限定草体碰撞检测的作用域实现了对现有的草体碰撞检测算法的改进和简化,在提升了场景的真实感的同时也增强了实时性。
三维建筑物是虚拟地理环境最重要的组成元素之一,目前已经广泛应用于三维导航、智慧城市、水利水电等多个领域。随着三维数据采集、三维建模技术的快速发展,三维建筑物模型的精细程度越来越高,数据量也随之急剧增长。虽然近年来计算机性能已得到了飞速提升,但在目前的硬件条件下,大规模三维城市场景的实时流畅渲染仍然面临着比较大的挑战。针对此问题,目前广泛采用的解决方案是细节层次技术(Level of Detail,LOD),其核心是在保持建筑物外观特征的前提下,对三维模型进行不同程度的简化,得到一组不同细节层次的简化模型。在实时浏览时,根据视角、用户到视点的距离等多种因素,动态选择不同精细程度的模型进行加载,以减轻计算机渲染的压力。与地形等流形网格模型相比,三维建筑物模型具有复杂的几何结构,严格的几何约束和拓扑约束,且存在大量非流形网格。将计算机图形学领域的三维模型简化算法直接应用于三维建筑物模型,可能会破坏建筑物固有的几何约束和拓扑约束,造成组件分离、建筑物坍塌等问题,进而严重影响简化模型的外观。为此,国内外学者提出了一系列专门针对三维建筑物的简化算法,这些算法有一部分是对计算机图形学领域网格简化算法的改进,仍存在传统方法的问题;一部分从结构维度对建筑物进行简化,只适用于结构较为简单的建筑物,且结构简化后的模型仍存在网格简化的空间。此外,除了保持模型的外观特征外,简化前后的模型应用于空间分析,得到的分析结论的一致性也非常重要:若简化后的模型无法保持与原模型基本一致的空间分析结论,则可能得到精度不高甚至错误的空间分析结论,这将严重限制简化模型在空间分析中的应用。本研究在国家自然科学基金面上项目“三维建筑物连续LOD模型的生成及其可视化研究”(41871293)的支持下,以保持模型外观和提高模型简化率为目标,提出了一种兼顾模型网格和建筑物结构的三维建筑物简化方法,研究的主要内容和主要结论如下:1)研究三维建筑物的结构提取问题。使用了一种广度优先搜索算法,对三维建筑物模型中的组件进行了提取。为了保证同类组件简化前后的一致性,对同类别的组件根据几何特征进行聚类组合。根据组件间的拓扑关系建立组件关系拓扑图,并根据组件的几何特征和组件间的连接关系将组件或其组合分为主体结构和次级结构,将次级结构再细分为辅助结构、连接结构和组合结构三种结构,最后将这些结构根据组件间的依赖关系用结构树进行组织。2)研究综合考虑模型网格和建筑物结构的三维建筑物简化方法。使用半边折叠算法对三维建筑物模型进行网格简化。根据半边折叠过程中边折叠引起的体积变化越来越大的特点,设置移除阈值,在结构树的约束下,按规则逐步移除结构树中的结构,以实现三维建筑物模型网格和结构的同时简化,避免因为网格过度简化引起的组件脱离、模型坍塌等问题。3)研究从多个角度对简化后的模型进行评价。从外观特征保持和空间分析结论一致性两个方面对简化结果进行评价。外观特征保持方面,使用基于图像的简化质量评价方法进行评价。在三维建筑物模型周围的多个角度设置相机,获取多个视角下模型的二维图像,计算简化后模型与原模型的图像视觉差异,量化比较简化前后模型的外观差异。空间分析结论一致性方面,以阴影分析为例进行空间分析结论一致性的评价。获取简化前后同一地理位置不同时间三维建筑物模型投影在地面上的阴影,比较简化前后模型阴影面积的变化,验证简化前后模型空间分析结论的一致性。实验结果表明,与传统的仅考虑网格简化的算法相比,本研究提出的方法具有更好的简化效果,能有效避免过度网格简化引起的模型破坏问题。同时,在保持简化质量的同时,本研究提出的方法可以达到较高的简化率。此外,高度简化的三维建筑物模型能与原模型在某些空间分析中取得基本一致的分析结论。
近年来,三维地理信息系统(Geographic Information System,GIS)在日常生活中得到了越来越广泛的应用,三维地形真实感绘制技术作为核心技术也得到了快速的发展,并且逐步成为地学、测绘学和计算机图形学等学科中的重要研究热点。三维...
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近年来,三维地理信息系统(Geographic Information System,GIS)在日常生活中得到了越来越广泛的应用,三维地形真实感绘制技术作为核心技术也得到了快速的发展,并且逐步成为地学、测绘学和计算机图形学等学科中的重要研究热点。三维地形真实感绘制技术应用到了计算机图形学、数字图像处理、计算机几何和空间信息学等多门学科领域的相关理论,综合了数据采集、三维地形模型、网格简化、海量数据处理和地景仿真等多项技术。对于三维地形真实感绘制技术,一方面要求越来越高的绘制精度,另一方面要满足海量数据处理的实时性,两者同时改进的困难程度标志着该技术已经成为一项极富挑战性的研究。
针对三维地形真实感绘制中的数据多分辨率动态加载和提高绘制精度问题,本文展开了研究工作。本文首先介绍了三维地形数据的获取方法、可视化建模方法和细节层次模型(Levels of Detail,LOD),着重研究了可见性理论、场景绘制中的剔除算法、缓存和内外存数据调用机制等三维地形优化技术。接着研究了三维地形可视化中常用的四叉树数据结构,分析了四叉树结构的优点,并将其与二叉树进行了对比。最后详细比较了两种细节层次模型,即基于四叉树分割的连续LOD模型和基于自适应性的动态多分辨率LOD模型。
本文采用高程数据建模(DEM)来描述三维真实感地形,建立基于规则网格的LOD模型。为了降低读取外存数据的调用频率,文中采用了基于缓冲的自适应LOD调度机制,并通过使用二级四叉树来对网格进行索引,提高网格检索速度,达到优化三维地形可视化系统的目的,减少了系统开销成本。在实现过程中,本文利用GPU顶点着色器通过CUDA编程技术实现对地形高程数据的提取,从而减少了CPU的资源开销。本文利用层次之间约束关系和裙方法来对三维地形建模过程中产生的裂缝进行消除,提高了地形绘制的视觉效果。本文利用节点评价对细节层次模型中的网格划分进行判断,提高了算法效率,增强了三维真实感地形的逼真效果。
文中基于VC++与OpenGL,设计并实现了三维地形真实感绘制系统,以满足三维真地形实时漫游、多角度视点移动旋转、网格简化实时显示等需求。利用地形纹理映射将原始纹理与三维地形颜色进行对应,以便对三维地形场景中的纹理进行渲染。
总之,本文首先通过构建二级四叉树的数据索引并利用节点评价、裂缝消除来生成三维真实感地形。然后,采用基于缓存的自适应LOD调度机制和GPU加速技术对三维地形可视化系统进行加速,在满足实时性要求的同时,达到了较高的绘制精度。
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