CN101261743B - 一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，以Geometry Clipmap原理为基础，以VBO为基本存储方式，优化了顶点更新策略，其步骤为：(1)在预处理阶段使用Geometry Clipmap框架，形成clipmap金字塔，把地形看作2D的高程图，使用规则网格的数据点表示地面高度，将地形数据缓存在以观察点为中心一组嵌套的规则网格中，供绘制使用；(2)在绘制阶段，使用较新一代显卡中普遍支持的VBO技术进行加速，绘制出以视点为中心分辨率逐层递减的地形状况；(3)在运行过程中，根据观察点的变化，采用新的更新顶点队列和索引队列的方法，实时更新嵌套网格的数据。本发明有效地提高了大规模地形绘制中最重要的速度问题。

Description

一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实和计算机图形学技术领域，具体地说，是一种处理并可视化大规模数据的技术，可广泛应用于三维游戏、模拟军事训练等方面。

背景技术

长期以来，大规模地形绘制方法始终是计算机图形学领域的研究热点，现实世界中的地形状况复杂，而且往往范围很大，较真实表现出大规模地形风景在电影、三维游戏、模拟军事训练等方面有着非常广泛的应用。

尽管近年来显示硬件的发展十分迅速，但是由于大规模地形模拟所需要的模型的数据量往往可以达到千万级或以上，直接绘制不可能达到实时，因此，要使用视锥体剔除、细节层次表示(Level of Detail，LOD)等方法来减少传递给绘制流水线的顶点的数目，其中，LOD方法又是研究和应用最广泛的方法。

目前在图形学领域，使用不同LOD方法的地形绘制算法已经有了很多研究，按照其网格组织结构大致可以分为以下几类：(1)不规则网格：基于不规则三角形网格的算法代表算法，主要包括：Cohen提出的基于Delaunay三角化方法的地形网格构造方法(参见D.Cohen-OR，YLEVANONI.Temporal continuity of levels of detail in Delaunaytriangulated terrain.In：Proceedings of the IEEE Visualization′96.1996，37-42.)；和HuguesHoppe提出的里程碑式的渐进网格(Progressive Mesh)算法(参见Hugues Hoppe.Progressivemeshes.In：Proceedings of the ACM SIGGRAPH′96，1996，99-108.)。这类方法虽然使用最少的顶点和三角形来近似原始的地形表面，但其在在更新网格的过程中需要重新对地形进行分析，跟踪三角形的邻接关系，具有耗时和计算量大的缺点。(2)半规则网格：为基于半规则网格的算法，主要包括：David Koller(参见David Koller，Peter Lindstrom.Level-of-DetailManagement for Real-Time Rendering of Photo-textured Terrains.ftp://ftp.gvu.gatech.edu/pub/gvu/tr/1995/95-06.pdf 1995.)和Peter Lindstrom(参见David Koller.Peter Lindstrom.Level-of-Detail Management for Real-Time Rendering of Photo-texturedTerrains.ftp://ftp.gvu.gatech.edu/pub/gvu/tr/1995/95-06.pdf-1995.和David Koller，PeterLindstrom.Real-Time，Continuous LOD Rendering of Height Fields.In：Proceedings of theACM SIGGRAPH′96，1996，109-118.)提出的通过一元四叉树来组织顶点结构的Lindstrom-Koller算法；Mark Duchaineau提出的著名的实时优化自适应网格(Real-timeOptimally Adapting Mesh，ROAM)原理(参见Mark Duchaineau，LLNL，Murray Wolinsky，et al.ROAMing Terrain：Real-time Optimally Adapting Meshes.In：Proceedings of the IEEEVisualization′97，1997，81-88.)，Bryan Turner据ROAM的原理提出了实时的动态LOD算法((参见Bryan Turner.Real-Time Dynamic Level of Detail Terrain Rendering with ROAM.)；Willem同样基于四叉树和Geometrical MipMapping的处理方法等(Willem H.de Bore.FastTerrain Rendering Using Geometrical MipMapping，http://www.flipcode.com/tutorials/tut/geomipmaps.shtml，2000)。这类方法一般以树状层次结构组织数据，对地形数据进行基于四叉树的正三角形剖分等操作，很大程度上简化了内存结构，解决了地形不同LOD层次块之间接缝的问题，但是同样需要根据视点进行一些复杂计算，对视点的变化非常敏感，视点的微小变化可能引起整个网格的重建。

综上所述，基于不规则或半规则网格的方法的最主要问题在于，一是其构造方法决定了往往随着视点的变化需要完全重新构造网格，数据存储和计算量上都存在较大的开销；二是不能充分发挥硬件的功能，所采用的杂乱的顶点存储结构导致了在随机遍历的过程中只能有较低的Cache命中率，因此无法充分发挥图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)的性能。随着显示硬件的飞速发展，研究人员转而研究三角形都接近像素尺寸的屏幕统一的细分方法，并重点研究可以最理想地进入图形管线的LOD框架。

因此，上个世纪90年代后期至今，LOD的研究主要集中到了基于规则网格的方法。基于规则网格方法的典型代表Geometry Clipmap将地形分割成不同分辨率的正方形块，根据视点的位置选择不同分辨率的地形块来绘制，简化了基于视点位置的计算，极大地减小了视点实时运动过程中时间和空间的开销，同时连续有序的顶点存储利于发挥硬件Cache的效率。但就Geometry Clipmap而言，原文没有给出其框架的实现算法，一些研究人员对这方面进行了研究：Asirvatham在《GPU Gems 2》中介绍了一种利用GPU实现Geometry Clipmap的算法(Arul Asirvatham，Hugues Hoppe.Terrain Rendering Using GPU-BasedGeometryClipmaps.In：GPU Gems 2：Programming Techniques for High-Performance Graphicsand General-Purpose Computation(GPU Gems)，2005，27-45.)，该方法速度较快，但是只有在新的特殊图形硬件上才能实现，具有很强的局限性；张浩在其论文中叙述了他们实现Geometry Clipmap的方法(参见张浩，不对称的Geometry Clipmap算法，硕士学位论文，华中科技大学，2005.)，但是其中关键的更新算法因为没有考虑显存中数据读取操作的代价，效率较低。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术不足，提供一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，它有效地提高了大规模地形绘制中最重要的速度问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，其特点在于：以Geometry Clipmap原理为基础，以VBO为基本存储方式，优化了顶点更新策略，形成了一种符合当前主流绘制硬件的高效的大规模地形绘制方法，其步骤如下：

(1)在预处理阶段使用Geometry Clipmap框架，形成clipmap金字塔，把地形看作2D的高程图，使用规则网格的数据点表示地面高度，将地形数据缓存在以观察点为中心一组嵌套的规则网格中，供绘制使用；

(2)在绘制阶段，使用显卡中普遍支持的VBO技术进行加速，绘制出以视点为中心分辨率逐层递减的地形状况；

(3)在运行过程中，根据观察点的变化，采用更新顶点队列和索引队列的方法，实时更新嵌套的规则网格中的数据。

所述的步骤(1)形成clipmap金字塔的方法步骤如下：

(1)根据地形大小，设每层clipmap金字塔网格大小为n×n，共L层，n为奇数；

(2)为每一个clipmap层次构建一个大小为n×n的顶点队列和一个大小为2n×(n-1)的索引队列；

(3)形成各层次索引队列，从而形成clipmap金字塔。

所述步骤(2)的绘制方法如下：以三角条带模式依次绘制各层，为避免首尾相连现象，使用循环语句对每一层的每一行绘制，其间检测是否有视点变化，如果有则将进入更新顶点和索引数据环节。

所述步骤(3)中的采用更新顶点队列和索引队列的方法为：

(1)计算需要更新的顶点列数和行数，每个层次维护自己中心点的坐标center.x，center.z，每当视点移动时，比较中心点坐标和当前视点eyex，eyez，得到视点较上次绘制时该层中心点偏差的距离，进而通过下面两个等式得到该层在两个方向上需要更新的顶点的列数move_m和行数move_n：

move_m＝(eyex-centerx)÷2^L

move_n＝(eyez-centerz)÷2^L

其结果+，-符号表示在两个方向上的正向或反向。

(2)进行顶点更新，方法如下：

a.根据move_m，move_n符号判断更新方向；

b.计算需要绘制的新顶点，如move_m＞0则新顶点为该层当前数据右侧move_m列，n行采样率为1/2^L的所有顶点；

c.根据等式P_1d＝(x-d)modn+[(y-d)modn]×n计算新顶点在clipmap层次中的位置；

d.按位置替换原有的顶点。

e.视点左移，上移和下移的情况类似，只是需要判断好所需加入新点的范围。

f.当所有层次均完成以上更新，回到绘制阶段。

下面对于本发明的原理详细介绍：

(1)Geometry Clipmap原理：Geometry Clipmap该框架的核心思想是，把2D的高程数据预先过滤为一个n层的mitmap棱锥，同时当观察点移动时，更新这些数据，很好的利用了规则的网格数据结构简洁，渲染速率稳定等优点，并由于其良好的数据结构对大数据量压缩提供了很高的支持，成为目前能够实时绘制最大地形的地形绘制思想。

(2)本发明使用OpenGL1.5规范中提出的顶点缓冲区对象方式(Vertex Buffer Object，VBO)来存储和处理顶点坐标，纹理坐标等顶点信息及索引信息，其基本原理是将大量的模型和纹理数据预先保存在显是硬件的缓存器中，在绘制时可以快速地从显存中读取数据，避免了大量的CPU到GPU的数据重复传输，有效的提高了系统的绘制速度。

(3)本发明提出并使用了新的Geometry Clipmap更新方法。传统的更新方法在计算出在网格平面上x和z方向上需要移动的距离后，通过查找索引队列中的索引找到对应位置的顶点，然后修改顶点的数据，因此必须对显存中的数据进行读操作。本发明采用一种自适应顶点映射的方法来处理对顶点逻辑位置和物理位置的匹配。

观察点的移动会导致部分网格需要更新。如图1所示，当观察点沿箭头向左下方移动时，该层次的网格从虚线方框处移动到实线方框处。观察图1可以得出，视点移动后，依然有相当大一部分顶点数据(图中阴影部分)将继续保留在当前的网格中，并不需要更新，只是其位置发生了改变，因此可以通过将新增加的顶点替换原先网格中在移动后需要丢弃的部分顶点的方法来减小系统开销。因此，实际需要做的更新是将图中左上的“L形”区域用深色的“L形”的区域的新顶点进行替换。

假设某clipmap层次初始情况如图2左(虚线框内为该层clipmap金字塔中内容)，那么观察点向右移动一格后，则更新后的数据情况变为图2右。clipmap金字塔实际上是在显卡中按照顶点队列形式存储，如图3。

根据这一规律，总结顶点二维逻辑位置到一维顶点队列中的位置计算公式如下：

P_1d＝xmodn+(ymodn)×n    (1)

以该公式的为映射方法，可以很好的实现顶点的替换而不用考虑被替换的是那些顶点，而且替换位置很有规律。但是实际上由于与映射原理图中起始点编号不同，所以应对公式进行一定调整

P_1d＝(x-d)modn+[(y-d)modn]×n    (2)

本发明方法数据通路与传统更新方法相比如图4所示。

因此本发明与传统更新方法相比：有效地提高了大规模地形绘制中的速度问题，在实践中得到了更快的更新速度。

附图说明

图1为观察点移动后的clipmap；

图2为本采用发明的方法更新前后的clipmap；

图3为本发明的方法更新前后的顶点队列；

图4为本发明更新方法与传统更新方法数据通路比较；

图5为本发明方法的流程图；

图6为本发明方法中的n＝9，L＝4时的金字塔；

图7为本发明方法中的n＝9时的绘制顺序；

图8为本发明方法中的clipmap更新流程图；

图9为本发明方法中的绘制效果图。

具体实施方式

本发明具体实施可分为以下几个主要步骤，如图5所示：

1、在预处理阶段使用Geometry Clipmap框架，形成clipmap金字塔

根据地形大小，设每层clipmap金字塔网格大小为n×n，共L层。为了保证两层网格之间的对齐，n必须是奇数，而当纹理尺寸是2的幂时，硬件可以进行优化，所以本发明选择n＝2^k+1(k为大于零的整数)，这样可以恰巧保证纹理大小为2的k次幂。同时，当地形数据量为M×N个顶点时，clipmap大小n及层数L有如下关系：

(n-1)×2^L+1≥max(M，N)    (3)

为每一个clipmap层次构建一个大小为n×n的顶点队列和一个大小为2n×(n-1)的索引队列。

顶点队列：读取DEM数据，根据各层次网格进行降低采样率采样。首先将视点位置设置为地形中心位置，初始化时，该位置也为每层顶点队列的中间顶点坐标。第0层(最精细层)所取得顶点为以中间点为中心的采样密度为一的n×n的窗口包含的顶点，第i层所取得顶点为以中间点为中心的采样密度为第i-1层一半的n×n的窗口包含的顶点，如图6所示。

索引队列：因为每一层的需绘制的数据都为规则网格，本发明使用OPENGL的三角条带(TRIANGLE_STRIP)模式对每个clipmap进行绘制，这就需要定义一个索引队列用于规定和计算三角条带的绘制顺序。如图7所示，当n＝9的情况下，使用TRIANGLE_STRIP方法绘制第一行网格的索引顺序应该为(0，9，1，10，2，...，8，17)。在每层大小为n的情况下，共有n-1行网格需要绘制，每行应包括2n个索引元素。

2、绘制

以三角条带模式依次绘制各层。为避免首尾相连现象，使用循环语句对每一层的每一行绘制。其间检测是否有视点变化，如果有，将进入更新顶点和索引数据环节。由于使用VBO和TRIANGLE_STRIP的组合方式，绘制时所有的需要资源，包括：顶点坐标，纹理及纹理坐标等都储存于显卡缓存中，绘制速度得到了大幅度的提升。

3、更新顶点队列和索引队列

当视点位置发生变化时，为了保持视点周围是最精细的地形层次，需要对原有clipmap层次的数据进行更新，基本流程如图8所示。

对每个clipmap层次进行以下操作：

3.1计算需要更新的顶点列(行)数

每个层次维护自己中心点的坐标(center.x，center.z)，每当视点移动时，比较中心点坐标和当前视点(eyex，eyez)，得到视点较上次绘制时该层中心点偏差的距离，进而通过下面等式得到该层在两个方向上需要更新的顶点的列数move_m和行数move_n：

move_m＝(eyex-centerx)÷2^L    (4)

move_n＝(eyez-centerz)÷2^L    (5)

其结果+，-符号表示在两个方向上的正向或反向。

3.2更新顶点队列

顶点更新方法如下：

(1)根据move_m，move_n符号判断更新方向；

(2)计算需要绘制的新顶点，如move_m＞0则新顶点为该层当前数据右侧move_m列，n行采样率为1/2^L的所有顶点；

(3)根据等式(2)计算新顶点在clipmap层次中的位置；

(4)按位置替换原有的顶点；

(5)视点左移，上移和下移的情况类似，只是需要判断好所需加入新点的范围；

(6)当所有层次均完成以上更新，系统回到绘制步骤。继续循环，直到程序被终止。

对USGS和华盛顿大学提供的包含16,785,409个顶点(4097×4097)的Puget Sound地形DEM数据进行实时绘制。将地形模型分为5个clipmap层次，每个层次的包括为257×257个顶点，窗口大小800×600时，程序正常漫游平均速度为74帧/秒左右，最终绘制效果如图9所示。

Claims (7)

1.一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，其特征在于步骤如下：

第一步，在预处理阶段使用Geometry Clipmap框架，形成clipmap金字塔，把地形看作2D的高程图，使用规则网格的数据点表示地面高度，将地形数据缓存在以观察点为中心一组嵌套的规则网格中，供绘制使用；

第二步，在绘制阶段，使用显卡中普遍支持的VBO技术进行加速，绘制出以视点为中心分辨率逐层递减的地形状况；

第三步，在运行过程中，根据观察点的变化，采用更新顶点队列和索引队列的方法，实时更新嵌套的规则网格中的数据；所述采用更新顶点队列和索引队列的方法为：

(1)计算需要更新的顶点列数和行数，每个层次维护自己中心点的坐标(center.x，center.z)，每当视点移动时，比较中心点坐标和当前视点(eyex，eyez)，得到视点较上次绘制时该层中心点偏差的距离d，进而通过下面两个等式得到该层在两个方向上需要更新的顶点的列数move_m和行数move_n：

move_m＝(eyex-center.x)÷2^L

move_n＝(eyez-center.z)÷2^L

其结果+，-符号表示在两个方向上的正向或反向；L为clipmap金字塔层数；

(2)进行顶点更新，方法如下：

a.根据move_m，move_n符号判断更新方向；

b.计算需要绘制的新顶点，如move_m＞0则新顶点为该层当前数据右侧move_m列，n行采样率为1/2^L的所有顶点；

c.根据等式P_1d＝(x-d)modn+[(y-d)modn]×n计算新顶点在clipmap层次中的位置，其中n为clipmap金字塔的行数，x为当前顶点的X轴方向上的坐标值，y为当前顶点的Y轴方向上的坐标值，P_1d表示顶点在clipmap层次中的位置；

d.按位置替换原有的顶点；

e.视点左移，上移和下移的情况类似，只是需要判断好所需加入新点的范围；

f.当所有层次均完成以上更新，回到绘制阶段。

2.根据权利要求1所述的一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，其特征在于：所述的第一步形成clipmap金字塔的方法步骤如下：

(1)根据地形大小，设每层clipmap金字塔网格大小为n×n，共L层，n为奇数；

(2)为每一个clipmap层次构建一个大小为n×n的顶点队列和一个大小为2n×(n-1)的索引队列；

(3)形成各层次索引队列，从而形成clipmap金字塔。

3.根据权利要求2所述的一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，其特征在于：所述的构建顶点队列的方法为：读取DEM数据，根据各层次网格进行降低采样率采样。

4.根据权利要求3所述的一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，其特征在于：所述的采样方法为：首先将视点位置设置为地形中心位置，初始化时，该地形中心位置也为每层顶点队列的中间顶点坐标；第0层，即最精细层所取得顶点为以中间点为中心的采样密度为1的n×n的窗口包含的顶点，第i层所取得顶点为以中间点为中心的采样密度为第i-1层一半的n×n的窗口包含的顶点。

5.根据权利要求1所述的一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，其特征在于：所述第二步的绘制方法如下：以三角条带模式依次绘制各层，为避免首尾相连现象，使用循环语句对每一层的每一行绘制，其间检测是否有视点变化，如果有则将进入更新顶点和索引数据环节。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，其特征在于：绘制时所有的需要资源，包括：顶点坐标，纹理及纹理坐标均储存于显卡缓存中。

7.根据权利要求1所述的一种基于规则网格的大规模地形漫游模拟方法，其特征在于：所述的n＝2^k+1，k为大于零的整数。

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