CN101441779A - 一种海量数字化地形的快速动态绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海量数字化地形的快速动态绘制方法，其步骤如下：将原始的海量数字化DEM地形模型剖分为标准地形块，并存储在计算机外存上；生成内存数据结构：核心地形块集、横向地形块集、纵向地形块集、以及核心地形块集的多分辨率辅助结构四部分；数据调度：预调度、块更新、预保留；多分辨率地形网格生成，最后将生成的地形三角网格送入渲染管道实现地形绘制。本发明方法，实现了超大规模地形的动态绘制。所涉及的数据结构比较简单，计算过程易于实现。自然地解决了地形块之间连续LOD的过渡问题。实现了地形绘制过程中地形的动态扩展。

Description

一种海量数字化地形的快速动态绘制方法

技术领域

本发明公开一种海量数字化地形的快速动态绘制方法，属于数字化地形绘制技术领域。

背景技术

现有技术中公开了多种海量地形绘制方法。一种基于地形块金字塔模型与线性四叉树索引技术相结合的海量地形绘制方法(戴晨光等.海量地形数据实时可视化算法。计算机辅助设计与图形学学报，2004，16(11)：1604-1607)。该方法首先把原始地形数据作为金字塔的底层，然后运用数据压缩方式生成完整的地形块金字塔结构，再利用四叉树构建地形块索引和管理地形数据。该方法所使用的用于管理地形数据的金字塔结构是建立在整块地形上的，当地形数据很大时，它会随之变得庞大而复杂，从而影响了地形绘制的效率。此外，一旦建立全局地形的数据结构，便难以对数字化地形进行动态扩展.

一种大规模地形动态快速绘制技术(冷志光等.大规模地形动态快速绘制技术研究。系统仿真学报，2006，18(10)：2832-2835)。该技术将大规模地形转换为小块地形进行处理，并利用视点运动的连续性和前后帧的相关性，管理调度细节层次模型。绘制时，由于该技术没有将参与当前绘制的地形块统一进行LOD(Level of Details)模型生成，会导致地形块之间的细节层次不匹配问题。

一种基于外存的地形实时绘制框架(Lindstrom P，Pascucci V.TerrainSimplification Simplified：A General Framework for View-DependentOut-of-Core Visualization.IEEE Transaction on Visualization andComputer Graphics，2002，8(3)：239-254)。该框架在处理海量地形数据时，采用了操作系统的外存模型技术，利用内存映像文件技术将磁盘空间上的海量数据映像到内存的一个地址空间上，由操作系统负责数据调度。该方法尽管可以对海量数据进行快速绘制，但计算过程本身比较复杂，不易于实现。此外，Losasso等提出一种基于GPU的Geometry Clipmaps地形绘制技术(参见：Losasso F，Hoppe H.Geometry Clipmaps：Terrain Rendering Using NestedRegular Grids.ACM Transactions on Graphics.2004，23(3)：769-776)，用以视点为中心的嵌套规则格网集合作为数据结构，并将该数据结构存储在图形硬件的顶点缓冲区中。当视点移动时，clipmap随之而变化，同时地形数据以增量的方式载入。该技术有很高的执行效率，但是由于其需要特别的图形加速硬件支持，目前还难以推广应用。

发明内容

基本概念：

1、在海量地形中进行场景漫游的过程，相当于一个第一人称的相机在地形中自由运动的过程。只有被相机拍摄到的场景，才需要作为漫游过程中视觉观察到的内容，绘制到计算机屏幕上。由于海量地形可被看成是无限大的，而相机能够拍摄到的场景又只占整个地形的一小部分，所以在绘制的过程中，就没有必要将整个地形数据全部从外存(如硬盘)全部调入到内存。这时，只需要调入相机四周一定距离内的那部分地形数据，就能够实现相机拍摄到的场景地形的计算和绘制工作。这种特性称为相机的数据局部性。

2、相机在地形场景中进行漫游运动时，不断改变其位置和姿态。这时，与相机相关联的局部地形数据也会随之在发生变化。那些已在内存中、但不是局部地形一部分的数据需要从内存中清除以腾出内存，同时又需要将不在内存但在局部地形中的数据从磁盘调入到内存。实现数据调入或调出的技术称为调度。

3、为了有效地进行内存与外存之间的数据调度，需要将海量地形分割成一系列的小地形块，并以特定的形式存储在外存。存储形式必须满足在需要某块地形块时，能够迅速地在外存找到该块地形块。地形块在外存上的存储形式称为地形数据的组织。

4、相机能够拍摄到的范围是一个锥状体，一般定义为一个由6个面围成的四棱台(见附图1)，称为视景体。内存中相机附近的地形只有落入到视景体中，才真正需要绘制。计算局部地形落入视景体内的部分的过程称为视景体裁剪，或简称为裁剪。

5、相同大小的两块地形，如果它们都落入到视景体中，但与相机远近距离不同，则在绘制出的屏幕效果上，两块地形占据屏幕的面积大小不同。对于占用屏幕面积很小的地形，只要给出一个轮廓就能表达出其形状信息；而占用屏幕面积较大的地形，必须给出足够的细节才都较真实地描述地形的起伏等特征。根据距离相机的远近不同，生成不同分辨率的地形数据，并采用恰当分辨率的数据进行绘制的过程，称为地形的多分辨率处理。多分辨率处理可以高效地优化地形数据配置，提高数据的利用效率。

本发明一种海量数字化地形的快速动态绘制方法，其步骤如下：

1、海量地形数据的外存组织：

将原始的海量数字化DEM(Digital Elevation Model)地形模型剖分为一组大小一致的标准地形块，并把这些地形块存储在计算机外存上，每个地形块均用其在全局地形中的位置坐标信息作为标识。根据需要，用户可在任意时刻向现有全局地形的边界处添加新地形块，以扩充全局地形。

2、生成内存数据结构：

所述内存数据结构包括：核心地形块集、横向地形块集、纵向地形块集、以及多分辨率辅助结构四部分；核心地形块集由4个驻留内存的地形块组成，它们直接参与当前时刻的绘制工作，分别标记为RLU、RRU、RLD、RRD；横向地形块集由4个驻留内存的地形块组成，用于存放核心地形块集的左右位置的相邻地形块，分别标记为HLU、HLD、HRU、HRD；纵向地形块集也由4个驻留内存的地形块组成，用于存放核心地形块集的上下位置的相邻地形块，分别标记为VLU、VRU、VLD、VRD；所述核心地形块集、横向地形块集、纵向地形块集的12个地形块在全局地形中的位置关系是，核心地形块集的四个地形块居中，横向地形块集的四个地形块分列于两侧，纵向地形块集的四个个地形块分列于上下；核心地形块集的多分辨率辅助结构由地形四叉树、标识矩阵组成(为现有技术，在此不再详细表述)。

3、数据调度：

(1)预调度：核心地形块集(含4个核心地形块)构成的局部地形区域称为核心块(附图3所示的正方形粗框中的部分)；多分辨率绘制例程根据相机视景体在核心块中的位置，决定是否需要预先将将来潜在需要的地形块调入到内存中备用；绘制例程在核心块中定义一个居中的正方形区域(附图4中的虚线框)，当视景体的八个顶点之一由于相机移动或旋转超出该区域的某个边界时，便激活调度例程；后者将该边界外侧的相邻地形块调入到横向地形块集或纵向地形块集中的相应位置上；例如在附图4右图中，顶点V超出了正方形区域的上边界，这时被激活的地形块调度例程将地形块(n-1，n+1)和(n，n+1)分别调入到内存中VLU和VRU的位置；

(2)块更新：被预调度的地形块加载到内存后，并未立即参与当前绘制；只有当相机视景体的某个顶点移出核心块时，才会对核心地形块集中的地形块进行更新；附图5图示了视景体顶点V超出右边界时，发生的部分地形块更新：HRU与HRD分别成为新的RRU和RRD，而RRU与RRD则变成新的RLU和RLD；当视景体顶点超出其它边界时，处理的过程相同；

(3)预保留：采用预保留机制保存从核心块淘汰出来的地形块，即不立即删除内存中刚刚从核心块移出的两个地形块，而是将它们暂时保留在横向地形块集或纵向地形块集中；例如在附图5中，从核心块中淘汰出的RLU和RLD分别被记录在HLU和HLD中；在每次进行地形块调度时，都先判断需要调度的地形块是否已在横向地形块集或纵向地形块集中；如果已经存在，则不再从外存调入；

在相机漫游过程中，预调度、块更新和预保留在保持核心地形块集、横向地形块集和纵向地形块集的相对位置不变的情况下(参见附图2)，只是在全局地形中平移这三个地形块集；内外存地形块调度的时机以及调入哪些地形块，均由多分辨率绘制例程通过相关计算决定，并驱动地形块调度例程并发地执行预调度、块更新和预保留等操作来完成相关任务；

4、多分辨率地形网格生成与绘制：

在每次块更新之后，都为核心块建立一个四叉树结构(参见附图6)，以及一个标识矩阵；绘制时，首先求出围成相机视景体的6个平面的方程；其次运用包围盒检测技术自顶向下分层次对四叉树的每一个节点进行可见性判断，剔除不在视景体内的节点，同时根据相机位置，并借助四叉树结构生成多分辨率地形的标识矩阵，由标识矩阵计算相对于该相机位置的多分辨率地形网格(参见附图7：通过分层遍历四叉树，确定标识矩阵，再由标识矩阵生成多分辨率地形网格)；最后将生成的地形三角网格送入渲染管道实现地形绘制。

本发明克服了现有海量地形绘制方法的不足，具有如下优点：

1、实现了超大规模地形的动态绘制。本方法中用于地形多分辨率绘制的局部数据为当前状态下驻留内存的4块核心地形块，它与横向/纵向地形块集、以及其它相关辅助数据结构等占用的内存总量是一个常数，与全局地形的数据规模无关。

2、本方法采用特别设计的12块驻留内存的地形块结构来解决内外存之间的数据调度问题，所涉及的数据结构比较简单，计算过程易于实现；在绘制过程中，无需使用特别的图形硬件加速，能够在普通PC机上实现大规模地形的实时绘制。

3、自然地解决了地形块之间连续LOD的过渡问题。由于局部四叉树结构是建立在当前参与绘制的核心块之上的，所以无需进行额外处理就能自然地保证了地形块间LOD层次的连续过渡，有效地解决了地形块之间的细节层次不匹配问题。

4、实现了地形绘制过程中地形的动态扩展。在绘制地形的过程中，可以根据需要向地形数据库中动态地添加新的地形块，对全局地形进行动态扩展。

附图说明

图1相机视景体及其相关参数

图2本发明方法的主要处理过程及结构

图3驻留内存的12块地形块之间的空间位置关系

图4核心块中的预调度标识域(a)及调度时机(b)

图5核心地形块的更新示意图

图6核心块的四叉树剖分结构

图7标识矩阵(a)及其对应的地形三角网格结构(b)

图8实施例中的内存地形块数据组织结构(b为外存地形块)

图9实施例中的部分视景体参数

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例：

1、原始地形DEM数据的分割及外存数据组织：

(1)获取数字化地形原始数据：本例从美国CGIAR-CSI组织官方网站(http://srtm.csi.cgiar.org/)上下载的中国地区的SRTM 90m DEM数据；

(2)将原始DEM数据分割成大小为N×N的多块标准化地形块，本实施例中取N为257。分割时，地形块边界线上的高程点需要同时保存到相邻的两块地形块中。

(3)用表示每个地形块在原始地形中位置的二维坐标作为检索关键字，将所有地形块按关键字储存到Oracle8数据库中，使得通过数据库可以快速查到相应地形块的数据。

2、生成内存数据结构：

如附图8所示，三个地形块集分别用一个长度为12的地形块指针数组的不同片段表示，它们分别指向存储相应地形块的内存地址。地形块数据在内存中用动态方式进行管理：数据调入时申请内存空间存放数据，并将该空间的起始地址赋给相应的地形块指针；数据移出纵向或横向地形块集时释放所占空间。不同地形块集的数据通过地形块指针数组进行访问。

3、初始化地形绘制系统：

(1)设置相机视景体的大小、初始位置及视线方向(参见附图1与附图9)。本例中，将视景体的上/下平面之间的张角fovy设为60，将相机视景体纵/横比aspect(＝H/W)设为1(即1：1)，将相机与其视景体远侧裁剪平面之间距离far设为cos(π/6)×257，将相机放置位置的坐标值(ex，ey，ez)设置为(257，257，60)，将视线方向设为与y轴正方向一致。

(2)通过地形块信息数据库，加载空间坐标为(0，0)，(1，0)，(0，1)，(1，1)四个地形块到内存作为当前核心地形块，并使RLU，RLD，RRU和RRD分别指向它们。

4.绘制多分辨率地形模型：

(1)计算当前核心块所覆盖地形区域的中心点坐标，并标记为0.假设核心地形块分别为：(a，b)，(a+1，b)，(a，b+1)，(a+1，b+1).则0的坐标为：((a+1)*N，(b+1)*N).本例中初始状态下0的坐标为(257，257)。

(2)构造四叉树，使该树的根节点RootNode表示当前4个核心地形块所表示的区域(即核心块)，并记该节点的中心也为0.完整的四叉树结构如附图6所示。

(3)采取从上到下的方式，结合视点相关的LOD)技术、可见性剔除技术、以及节点粗糙度评价方法生成当前状态下的多分辨率地形模型。该过程用到了两个队列：Current队列和Next队列.多分辨率地形模型的生成步骤如下：

Step 1、将RootNode加入到Current队列中，并将LevelSize设为256(代表细节层次)；

Step 2、判断LevelSize是否大于0.如果是，继续执行Step 3，否则跳到Step 6；

Step 3、若Current非空，则依次遍历Current队列的各节点：对于每个节点Node(i)按下列子步骤执行：

3.1 判断Node(i)是否在视景体中.如果不是，转回到Step 3；

3.2 判断Node(i)边长的一半是否为1.如果是，绘制Node(i)节点，再转回到Step 3；

3.3 判断Node(i)是否需要继续分割.如果不是，绘制Node(i)节点，转回到Step 3；

3.4 判断Node(i)能否需要继续分割.如果是，将该节点的四个子节点标识设为激活，并将它们添加到Next队列中；否则绘制Node(i)，并将子节点标识置为未激活.

Step 4、将LevelSize的值减小一半，即除以2；

Step 5、交换Current队列和Next队列进，返回到Step2继续执行；

Step 6、结束。

上述步骤3.1中“判断一个节点是否在视景体中”的过程，先以该节点的中心点坐标为圆心，以其边长的一半为半径建立一个包围球，然后通过计算包围球与相机视景体的六个面的空间关系，对该节点进行是否可见的判断；

步骤3.3中利用公式L/(size×size)≤C判断一个节点是否需要被分割，其中L为节点中心到相机的距离；size为节点代表区域的边长之半；C为LOD处理的阈值，本例中将其设置为25。

步骤3.4中，限定只有当分割后该节点与其上、下、左、右的四个相邻节点的细节层次不超过1时，该节点才可以被分割。

5、预调度绘制过程潜在需要的地形块数据：

(1)计算视景体6个面的平面方程及其8个顶点的位置坐标.利用OpenGL图形库中的功能函数较容易地得到当前的投影矩阵和模型矩阵，然后根据这两个矩阵推导出视景体6个面的平面方程以及八个顶点的坐标。

(2)创建预调度标识域.该标识域的中心为0，大小可动态调整。本例中将其大小设为4个核心地形块所覆盖地形区域的四分之三大小(参见附图4中的虚框)。

(3)判断视景体的某一顶点是否从里向外穿过了该标识域的某条边界线.如果没有，则继续漫游；否则，根据该顶点穿过的方向确定需要调度的两个地形块的坐标值。如附图4右图所示，顶点V穿过了上边界，则设定需预调度的两个地形块索引坐标为(n-1，n+1)和(n，n+1)；视景体顶点穿过其它边界时的处理情况与此完全类似。

(4)启动地形块调度线程，利用(n-1，n+1)和(n，n+1)为关键字从地形块数据库中查找相应的地形块，并将它们加载到内存中.并使指针VLU指向子地形块(n-1，n+1)，VRU指向子地形(n，n+1)。

6、更新核心地形块：

判断视景体是否有顶点移出了当前核心块：如果没有移出，则继续漫游；否则，根据该顶点移出的方向确定如何更新参与当前绘制的四块子地形.假设如附图5所示，顶点V沿X轴正向方向向右移出核心块，则更新如下：

(1)将当前预保留指针HLU、HLD指向的地形数据(n-2，n)和(n-2，n-1)从内存中清除，并且使HLU、HLD分别指向(n-1，n)和(n-1，n-1)；

(2)使RLU与RLD分别指向地形块(n，n)和(n，n-1)，使RRU和RRD分别指向地形块(n+1，n)与(n+1，n-1)；

(3)更新绘制区域中心点0的坐标值。

视景体顶点沿其它方向移出核心块时的处理情况与上述处理方法完全类似。

7、转4，重复4～6的处理过程，对动态漫游地形场景。

Claims (1)

1、一种海量数字化地形的快速动态绘制方法，其步骤如下：

A、海量地形数据的外存组织：

将原始的海量数字化DEM地形模型剖分为一组大小一致的标准地形块，并把这些地形块存储在计算机外存上，每个地形块均用其在全局地形中的位置坐标信息作为标识；

B、生成内存数据结构：

所述内存数据结构包括：核心地形块集、横向地形块集、纵向地形块集以及核心地形块集的多分辨率辅助结构四部分；核心地形块集由4个驻留内存的地形块组成，它们直接参与当前时刻的绘制工作，分别标记为RLU、RRU、RLD、RRD；横向地形块集由4个驻留内存的地形块组成，用于存放核心地形块集的左右位置的相邻地形块，分别标记为HLU、HLD、HRU、HRD；纵向地形块集也由4个驻留内存的地形块组成，用于存放核心地形块集的上下位置的相邻地形块，分别标记为VLU、VRU、VLD、VRD；所述核心地形块集、横向地形块集、纵向地形块集的12个地形块在全局地形中的位置关系是，核心地形块集的四个地形块居中，横向地形块集的四个地形块分列于两侧，纵向地形块集的四个个地形块分列于上下；核心地形块集的多分辨率辅助结构由地形四叉树、标识矩阵组成；

C、数据调度：

a、预调度：核心地形块集构成的局部地形区域称为核心块；多分辨率绘制例程根据相机视景体在核心块中的位置，决定是否需要预先将将来潜在需要的地形块调入到内存中备用；绘制例程在核心块中定义一个居中的正方形区域，当视景体的八个顶点之一由于相机移动或旋转超出该区域的某个边界时，便激活调度例程；后者将该边界外侧的相邻地形块调入到横向地形块集或纵向地形块集中的相应位置上；

b、块更新：被预调度的地形块加载到内存后，并未立即参与当前绘制；只有当相机视景体的某个顶点移出核心块时，才会对核心地形块集中的地形块进行更新；当视景体顶点超出其它边界时，处理的过程相同；

c、预保留：采用预保留机制保存从核心块淘汰出来的地形块，即不立即删除内存中刚刚从核心块移出的两个地形块，而是将它们暂时保留在横向地形块集或纵向地形块集中；在每次进行地形块调度时，都先判断需要调度的地形块是否已在横向地形块集或纵向地形块集中；如果已经存在，则不再从外存调入；

在相机漫游过程中，预调度、块更新和预保留在保持核心地形块集、横向地形块集和纵向地形块集的相对位置不变的情况下，只是在全局地形中平移这三个地形块集；内外存地形块调度的时机以及调入哪些地形块，均由多分辨率绘制例程通过相关计算决定，并驱动地形块调度例程并发地执行预调度、块更新和预保留操作来完成相关任务；

D、多分辨率地形网格生成与绘制：

在每次块更新之后，都为核心块建立一个四叉树结构，以及一个标识矩阵；绘制时，首先求出围成相机视景体的6个平面的方程；其次运用包围盒检测技术自顶向下分层次对四叉树的每一个节点进行可见性判断，剔除不在视景体内的节点，同时根据相机位置，并借助四叉树结构生成多分辨率地形的标识矩阵，由标识矩阵计算相对于该相机位置的多分辨率地形网格：通过分层遍历四叉树，确定标识矩阵，再由标识矩阵生成多分辨率地形网格；最后将生成的地形三角网格送入渲染管道实现地形绘制。

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