CN102013113B - 基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法，包括以下步骤：获取切割模型、定义裁剪参数、构建裁剪面、为待切割模型指定裁剪面、将模型交给引擎处理、剪掉裁剪部分，绘制需要填充部分、对多对象模型的动态剖切过程完成后退出剖切的过程。该方法利用基于模板缓冲的多对象模型动态剖切技术，通过用户创建自定义对象剖切面，在场景交互的过程中实时地对三维模型进行切割分析，并在切割的过程中动态的生成模板以及利用模板对切割面进行模型同等颜色的填充，最终达到实时剖切分析的目的。本方法实现容易，效率高且实时性强，特别适用于展现三维场景中多个模型对象之间的交切关系。

Description

基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法

技术领域

本发明涉及一种多对象模型动态剖切方法，特别是一种基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法，属于三维GIS模型实时剖切分析应用领域。

背景技术

随着当前硬件设备的更新换代，尤其是各种专业图形卡的相继问世，GIS的发展已经开始慢慢发生着悄悄的转变，传统的二维GIS已经不能够满足最广大用户新的需求了，于是伴随着GIS的发展，三维可视化技术也慢慢的渗透到GIS行业中来了，一个新的行业应用三维GIS便应运而生了，且渐渐的展现出了它广阔的前景和蓬勃的生机。但是从当前三维GIS的实际应用来看，其实很多还只停留在可视化部分，只能实现简单的三维模型的浏览功能，这些和真正的GIS就相距甚远了，当前三维GIS缺少真正实用的分析功能，其存在的问题具体表现在以下几个方面：

(1)和传统二维GIS强大的分析功能相比，三维GIS还只停留在了可视化部分。

(2)仅有的一些三维分析方法也多停留在场景浏览漫游，路径飞行等方面，缺少对三维模型实际的操作功能，其实也是换了一种方式的模型浏览；

(3)对于国内外一些做得比较成熟的三维软件来说，可能也提供了一些实际的三维分析功能，比如实体对象切割功能，可是这些分析功能往往是要对模型进行真正的剖切分析过程，要做繁琐的几何求交运算，无形的在分析效率和实效性上就大打折扣了，尤其对一些比较大的场景模型来说，有时候切割的过程是让人无法忍受的。

(4)对于场景中模型比较复杂，且要求分别处理的情形时，以上的切割分析方法就显得力不从心了；

(5)对于实时地进行剖切分析的需求，以上的切割方法也难以做到。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法，通过特殊的渲染技术和实体模型裁剪面参数的控制，经过GPU计算，剔除或填充三维实体的某些部分，从而达到可以根据视点自动地对场景中的多个实体模型进行三维剖切。

实现本发明目的所采用的技术方案是：一种基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法包括以下步骤：

(1)获取切割模型，在交互过程中通过界面模型列表选择要参与剖切的模型，通过模型复位功能，在三维渲染场景中显示此模型；

(2)定义裁剪参数，在交互的过程中对剖切面的参数进行设置；

(3)构建裁剪面，根据上一步骤中定义的裁剪参数构建出裁剪面，裁剪面包括裁剪的位置，大小以及裁剪面的方向。

(4)为待切割模型指定裁剪面，构建好裁剪面后为所有待切割的模型指定裁剪面；

(5)将模型交给引擎处理，将指定好裁剪面的所有待剖切模型交给引擎，用引擎对这些模型进行渲染处理；

(6)对于裁剪部分直接裁剪掉，对于需要填充的部分进行绘制，所述模型填充部分的绘制包括以下步骤：

(6.1)开启模板；

(6.2)进行正面绘制，对所有待切割模型的正面进行绘制，在进行正面绘制时，将所有正面部分的像素加1；

(6.3)进行反面绘制：对所有待切割模型的反面进行绘制，在进行反面绘制时，将所有反面部分的像素减1，正面反面都绘制好后，反面与正面重叠的部分的像素经过加一减一后还是原来的0，等于没有绘制，没有重叠的部分，即裁剪面的像素都减一，结果是-1；

(6.4)应用模板去绘制切面，首先在切面的位置上构建一个大于切面大小的平面，然后利用各个模型侧面的材质去绘制这个平面，在绘制的时候，由于模板检测功能已经开启，让像素为0的地方不进行绘制，不为0的地方进行绘制，即只有整个切面用模型的侧面材质进行了绘制。；

(7)对多对象模型的动态剖切过程完成后，退出剖切的过程，即返回到原始的三维模型视图中。

所述剖切面包括自定义的剖切面和随相机移动的剖切面，如果选择自定义的剖切面，控制切割面的α，β角度，实现自定义剖切面沿任意方向的自由旋转，同时控制深度参数c，设置自定义剖切面离模型中心的任意初始距离。如果选择随相机移动的剖切面，先设置切面的初始位置，控制切割面的α，β角度以及剖切面离相机的初始距离；

所述剖切面的参数设置包括α、β角度以及深度控制参数c的设置，参数α、β、c在不同的剖切面下，所代表的含义是不同的。在自定义的剖切面下：α代表剖面的方位角，β为剖面的高度角，即剖面与水平面的夹角，c为剖面与模型中心的距离。随相机移动的剖切面：α为剖切面绕相机右方向的旋转角，β为剖切面绕相机上方向的旋转角，c为剖切面中心与相加的距离。

所述在剖切的过程中，对于剖切面会实时的进行模型填充操作包括：

(4-1)在剖切前通过原被切割模型，创建填充模板，该模板要记录原模型的纹理信息，颜色信息，纹理坐标信息；

(4-2)对于剖切出来的剖面，利用硬件的渲染机制，实时的从模板中提取纹理信息，然后对剖切面进行填充。

本发明通过特殊渲染技术，即模板缓冲技术，以及实体模型裁剪面参数的控制，经过GPU计算，剔除或填充三维实体的某些部分，从而达到三维剖切分析功能。

该方法利用基于模板缓冲的多对象模型动态剖切技术，通过用户创建自定义对象剖切面，在场景交互的过程中实时地对三维模型进行切割分析，并在切割的过程中动态的生成模板以及利用模板对切割面进行模型同等颜色的填充，最终达到实时剖切分析的目的。在剖切的过程中，对模型的剖切只是从硬件渲染的角度进行切割分析，不对原模型的实际几何数据进行求交分割等运算，达到真正实时剖切分析的目的。本发明在交互的过程中实时地剖切对象模型，其最主要的特点是从任意的切面实时地对多对象模型进行剖切，效率高且实时性强，另外，剖切的切面是由模板缓冲的方法直接用像素构造，不仅节约资源，实现起来也比较容易。该方法特别适用于展现三维场景中多个模型对象之间的交切关系，对于研究三维场景中模型与模型之间的空间位置关系以及研究封闭对象模型内部显示细节特别有效。

附图说明

图1为模板缓冲技术的原理图。

图2是本发明剖切方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法作进一步的说明。

本发明基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法是利用了模板缓冲技术的原理，下面首先结合图1说明模板缓冲技术的原理。如图1所示，图1-a是一个封闭的模型，正对着的面假设是一个开口，相当于一个切面，另外的5个面如图中所示分别标有号码1，2，3，4，5。图1-b表示的是这个模型的上底面和右侧面，分别用号码1，2表示。图1-c表示的是这个模型的左侧面，下底面和背面，分别用号码3，4，5表示。基于结论：一个空间内的模型，不论从哪个角度看，能够直接看到的表面和不能看到的表面一定能构成这个模型。并且在二维的屏幕上绘制空间内的三维对象模型，实际上就是绘制模型能被直接看到的面。这里把能直接看到的表面定义为正面，不能看到的表面定义为反面，则一个模型的正面和反面就组成这个模型。例如图1-a，图1-b和图1-c所示，将图1-b中所示的面定义为正面，图1-c所示的面为反面，则图1-b和图1-c就可以组成图1-a中所示的模型。正对的那一面是开口的，既不是正面也不是反面。

模板缓冲就是先绘制模型的正面，模板上的所有像素加1，再绘制模型的反面，模板上的所有像素减1，最后所得到的结果就是：被重复绘制的像素经过加一减一后等于没有绘制，剩下的部分就是切面了，这就是最后所要的模板。如图1-d所示，整个平面相当于整个屏幕，视为大的模板，首先将这个大的模板上的像素全部清零。再如图1-e所示，绘制这个模型的正面，正面模板上的所有像素加1。图1-f中是绘制这个模型的反面，反面模板上的所有像素都见减1，结果也如图中所示的那样，反面与正面重叠的部分(在图中重叠的部分就是该模型的正面部分)的像素经过加一减一后还是原来的0，等于没有绘制，没有重叠的部分(即切面)的像素都减一，结果是-1。所以最后的结果如图1-g所示，在整个屏幕上等于只有切面的部分会被绘制，这个切面就构成了我们所要的模板。

以上是本发明所用到的技术原理，下面结合图2对本发明基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法的做详细的说明。

如图2所示，在对多个对象模型进行实时剖切的过程中，具体的操作步骤如下：

(1)获取切割模型：在交互过程中通过界面模型列表选择要参与剖切的模型，通过模型复位功能，在三维渲染场景中就会显示此模型。

(2)定义裁剪参数：在交互的过程中对剖切面的参数进行设置，包括α角度，β角度以及深度控制参数c的设置。本发明提供两种剖切面的选择，自定义的剖切面和随相机移动的剖切面，在自定义的剖切面下，α角度代表剖面的方位角，β角度为剖面的高度角，即剖面与水平面的夹角，c为剖面与模型中心的距离；随相机移动的剖切面中，α角度为剖切面绕相机右方向的旋转角，β角度为剖切面绕相机上方向的旋转角，c为剖切面中心与相机的距离。

如果选择自定义的剖切面，可以控制切割面的α角度，β角度，实现自定义剖切面沿任意方向的自由旋转，同时控制深度参数，设置自定义剖切面离相机的任意初始距离。但是一旦设置好剖切面后，在下面的剖切过程中，剖切面将不会改变，不会随相机的移动而改变。

如果选择切面随相机移动，同样可以先设置切面的初始位置，控制切割面的α，β角度以及剖切面离相机的初始距离，然后在下面的剖切过程中，剖切面是可以随相机动态地移动的。

虽然本发明提供了以上设置裁剪面的两种方法，但是不管裁剪面是否随相机的移动而移动，这两种方法都是设置了裁剪面的参数。

(3)构建裁剪面：根据上一步骤中定义的裁剪参数，来构建出裁剪面。裁剪面包括裁剪的位置，大小以及裁剪面的方向。

(4)为待切割模型指定裁剪面：构建好裁剪面后，就可以为所有待切割的模型指定裁剪面。

(5)将模型交给引擎处理：将指定好裁剪面的所有待剖切模型交给引擎，用引擎对这些模型进行渲染处理等。

(6)确定所有待切割模型的裁剪面，根据相机的位置，即在相机的可见范围内，把各个模型分为两部分，裁减部分和填充部分。对于裁剪部分，将不进行绘制，直接裁剪掉；对于需要填充的部分进行绘制。对于模型的填充部分，进行如下的步骤：

(6.1)开启模板：这一步就是启用模板这个功能，在接下来的步骤中就要构建模板了。

(6.2)进行正面绘制：对所有待切割模型的正面进行绘制，这里所说的模型必须是封闭的模型。在进行正面绘制时，将所有正面部分的像素加1，如图1-e所示。

(6.3)进行反面绘制：对所有待切割模型的反面进行绘制，这里所说的模型也是指封闭的模型。在进行反面绘制时，将所有反面部分的像素减1，如图1-f所示。在正面反面都绘制好后，反面与正面重叠的部分(在图中重叠的部分就是该模型的正面部分)的像素经过加一减一后还是原来的0，等于没有绘制，没有重叠的部分，即裁剪面的像素都减一，结果是-1。

正反面绘制好之后，得到那个切面的模板，下面根据这个模板将切面绘制出来。

(6.4)应用模板去绘制切面：首先，在切面的位置上构建一个大于切面大小的平面；然后利用各个模型侧面的材质去绘制这个平面，在绘制的时候，让像素为0的地方不进行绘制，不为0的地方进行绘制，即只有整个切面用模型的侧面材质进行了绘制。最后，有以上的各步骤完成了对填充部分的绘制。

(7)退出剖切：对多对象模型的动态剖切过程完成后，退出剖切的过程，即返回到原始的三维模型视图中。

本发明的实时剖切分析方法最主要的优点就是可以对多个对象模型进行实时地剖切，并且剖切面的实现是基于模板填充的技术，另外，本发明不仅可以选择参与剖切的图层，还可以任意的自定义剖切面或者选择剖切面随相机移动。

Claims (4)

1.一种基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)获取切割模型，在交互过程中通过界面模型列表选择要参与剖切的模型，通过模型复位功能，在三维渲染场景中显示此模型；

(2)在交互的过程中对剖切模型的剖切面裁剪参数进行设置；

(3)根据上一步骤中定义的裁剪参数构建出裁剪面，裁剪面包括裁剪的位置，大小以及裁剪面的方向；

(4)构建好裁剪面后为所有待切割的剖切模型指定裁剪面；

(5)将指定好裁剪面的待剖切模型交给引擎，用引擎对这些模型进行渲染处理；

(6)对裁剪部分直接裁剪掉，对需要填充的部分进行绘制，模型填充部分的绘制包括以下步骤：

(6.1)开启模板；

(6.2)进行正面绘制，对所有待切割模型的正面进行绘制，在进行正面绘制时，将所有正面部分的像素加1；

(6.3)进行反面绘制：对所有待切割模型的反面进行绘制，在进行反面绘制时，将所有反面部分的像素减1，正面反面都绘制好后，反面与正面重叠的部分的像素经过加一减一后还是原来的0，等于没有绘制，没有重叠的部分，即裁剪面的像素都减一，结果是-1；

(6.4)应用模板去绘制剖切面，首先在剖切面的位置上构建一个大于剖切面大小的平面，然后利用各个模型侧面的材质去绘制这个平面，在绘制的时候，对像素为0的地方不进行绘制，不为0的地方进行绘制，即只有整个剖切面用模型的侧面材质进行绘制；

(7)完成对多对象模型的动态剖切过程，退出剖切的过程，即返回到原始的三维模型视图中。

2.根据权利要求1所述基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法，其特征在于：剖切面包括自定义的剖切面和随相机移动的剖切面；

如果选择自定义的剖切面，控制剖切面的α角度和β角度，实现自定义剖切面沿任意方向的自由旋转，同时控制深度参数c，设置自定义剖切面离相机的任意初始距离；

如果选择随相机移动的剖切面，先设置剖切面的初始位置，控制剖切面的α角度，β角度以及剖切面离相机的初始距离。

3.根据权利要求2所述基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法，其特征在于：剖切面的参数设置包括α角度、β角度以及深度控制参数c的设置，在自定义的剖切面下，α角度代表剖切面的方位角，β角度为剖切面的高度角，即剖切面与水平面的夹角，c为剖切面与模型中心的距离；随相机移动的剖切面中，α角度为剖切面绕相机右方向的旋转角，β角度为剖切面绕相机上方向的旋转角，c为剖切面中心与相机的距离。

4.根据权利要求1所述基于模板缓冲的多对象模型动态剖切方法，其特征在于在动态剖切的过程中，剖切面模型的填充是实时地进行，其填充的操作步骤包括：

(4-1)在剖切前通过原被切割模型，创建填充模板，该模板要记录原模型的纹理信息，颜色信息，纹理坐标信息；

(4-2)对于剖切出来的剖切面，利用硬件的渲染机制，实时的从模板中提取纹理信息，然后对剖切面进行填充。

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