CN102147936B - 一种基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，包括：(1)选择对视域四棱锥进行剖分的分割策略；(2)对视域四棱锥进行级联剖分；(3)分配矢量信息至子视域四棱锥上；(4)完成矢量信息的缩小范围逼近，并绘制矢量纹理；(5)将矢量纹理无缝叠加到三维地形上。本发明通过对视域四棱锥进行级联剖分，并对矢量信息进行基于包围框的缩小范围逼近，大大提高了矢量纹理的像素利用率，在很大程度上抑制走样问题的发生，且绘制效果显著增强，能在大型场景漫游系统和三维地理信息系统中得到很好的应用。

Description

一种基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法

技术领域

本发明属于计算机图形学与三维地理信息系统应用技术领域，具体涉及一种基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法。

背景技术

在三维地理信息系统应用中，二维矢量数据仍是一种必不可少的表达方式，二维矢量数据包括点、线、面(多边形)等，用于表达地物信息，如道路、湖泊、河流、地名等。当前越来越美观逼真的多种分辨率多时相遥感影像数据和全球数字高程模型数据在网络环境下广泛可得，二维矢量地图、遥感影像和三维地形表面模型的混合应用已成为普通百姓习以为常的基本导航定位方式，同时在各种地理信息系统分析功能中，二维矢量数据的可视化应用也非常普遍。因此，如何在不断高低起伏的多层次细节的三维地形上叠加二维矢量数据，保证其高质量的实时可视化效果，是三维地理信息系统应用技术领域普遍关注的问题。当前在三维地形表面叠加二维矢量数据的可视化绘制方法，主要可分两大类为：基于几何的叠加绘制方法和基于纹理的叠加绘制方法。

基于几何的叠加绘制方法将二维矢量数据模型附着在三维地形表面，主要需要解决二维矢量与三维地形的几何匹配问题，如果矢量与地形不匹配，则可能出现矢量悬浮在空中或穿刺入地表等错误情况，因此必须根据相应地形几何模型，在矢量数据中动态地引入或者删除新的顶点或线段，从而生成与地形几何表面相匹配的数据模型，Xiaoping Rui与Yanmin Zhang在标题为OverlayingVector Data on 3D Terrain[C](Proc.IEEE IGARSS 2004，Alaska，2004，4560-4563)的文章中公开了这类方法。这类方法实现较为复杂，且需要不断细节调整，在大规模数据量情况下计算量过大。Martin Schneider与Reinhard Lein在标题为Efficient and Accurate Rendering of Vector Data on Virtual Landscapes[J](Journal ofWSCG，2007，59-65)的文章中提出了一种基于模版阴影体的矢量数据叠加绘制方法，该方法需要先将矢量数据扩充成多面体，在地形绘制完成后，将该多面体第一遍绘制到Stencil Buffer(模版缓存区)形成一层掩模，再次绘制该多面体时即可完成矢量绘制，不同颜色的矢量需要分开依次绘制，这一方法效果较好但是过程相当复杂且成本代价大。

基于纹理的叠加绘制方法首先通过一个光栅化的过程，将矢量数据转化为标准纹理，然后在绘制地形的图形流水线过程中，将该矢量纹理映射到三维地形顶点上，从而实现矢量数据在地形表面的无缝叠加。基于纹理的叠加绘制方法不需要调整矢量几何，过程简单，其主要问题在于有限的纹理分辨率带来的绘制走样问题。近年来的最新研究中有相关如何有效调整矢量纹理像素，避免绘制走样问题的学术报告，如Schneider M、Guthe M和Klein R在标题为Real-time Rendering of Complex Vector Data on 3D Terrain Model[C](TheInternational Conference on Virtual Systems and Multimedia，Bonn，2005，1-10)的文章中公开了使用类似透视阴影的方法来分析走样原因，经过重参数化调整绘制矢量数据的视域四棱锥，能提高矢量纹理的有效像素利用率。但这类方法反走样的效果仍然不够理想，线性矢量和文字矢量依然会存在锯齿和模糊等问题，同时，中文的复杂性远高于英文字母，同等走样程度下中文比英文更难以辨认，在绘制中文文字矢量时保证理想的反走样效果显得尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，有效地缓解了当前单一的基于纹理的叠加矢量方法难以解决的走样问题，其利用级联剖分法结合缩小范围逼近法，实现了在三维地形表面高质量无缝叠加二维矢量信息，大大提高了有效矢量纹理像素的利用率，反走样效果显著。

一种基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，包括如下步骤：

(1)根据当前视线方向，选择深度剖分法或幕空间剖分法作为对视域四棱锥进行剖分的分割策略；

(2)根据步骤(1)中选择的分割策略对视域四棱锥进行级联剖分，得到若干个子视域四棱锥；

(3)建立矢量纹理数组，将需绘制的矢量信息对应地分配到步骤(2)中的若干个子视域四棱锥上，并构建对应的矢量绘制级联相机；

(4)对子视域四棱锥上的矢量信息进行绘制范围分析，利用基于包围框的缩小范围逼近法，确定子视域四棱锥上的矢量绘制信息；构建矢量绘制级联相机组，将所有矢量绘制信息绘制成矢量纹理至所述的矢量纹理数组中，同时记录每个子视域四棱锥的绘制矩阵；

(5)绘制三维地形，根据所述的绘制矩阵将所述的所有矢量纹理无缝叠加到三维地形上。

所述的深度剖分法适用于以水平分量为主要方向的大多数视线方向，其将视域四棱锥从近裁切面至远裁切面的这段深度空间剖分成若干个部分，每一部分为一个子视域四棱锥，每个子视域四棱锥对应一个剖分面，其剖分面的函数表达式为：

{C_i}：Z_i＝λn(f/n)^i/m+(1-λ)(n+(i/m)(f-n))    (1)

其中：V为当前视点的视域四棱锥，V_i为V分割后的第i子视域四棱锥，i为自然数，且1≤i≤m，m为子视域四棱锥个数，C_i为V_i对应的剖分面，n和f分别为V的近裁切面和远裁切面，λ为平均强度系数，0＜λ＜1，默认值λ＝0.5。

所述的幕空间剖分法适用于几乎垂直于地形的视线方向，其将视域四棱锥直接沿屏幕空间的竖直方向或水平方向进行均匀分割，形成若干个子视域四棱锥。

当选择幕空间剖分法作为分割策略时，依据平均原则对视域四棱锥进行级联剖分；当选择深度剖分法作为分割策略时，则依据理论像素最优化和线性变化分割结合的折中原则对视域四棱锥进行级联剖分。

所述的基于包围框的缩小范围逼近法为：1)对所有的矢量信息构建对应的二维包围框；2)将某一子视域四棱锥上的矢量信息在矢量数据面上进行正交投影，确定一个矩形绘制平面；3)将矩形绘制平面内部的矢量信息包围框与所有矢量信息包围框一一求交，剔除没有交集的包围框，将所有剩下的包围框共同合并，形成一个最小矩形包围框，该最小矩形包围框内部的信息即为对应子视域四棱锥上的矢量绘制信息；4)根据步骤2)和3)，遍历所有子视域四棱锥上的矢量信息，得到所有子视域四棱锥上的矢量绘制信息。

本发明基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，对传统基于纹理的矢量数据绘制方法进行了改进，通过对视域四棱锥进行级联剖分，并对矢量信息进行基于包围框的缩小范围逼近，大大提高了矢量纹理的像素利用率，在很大程度上抑制走样问题的发生，且绘制效果显著增强。本发明能与目前大多数的多分辨率地形绘制方法以及遥感影像金字塔很好地结合一起使用，在大型场景漫游系统和三维地理信息系统中能取得很好的应用效果。

附图说明

图1为本发明基于级联的叠加矢量方法的步骤流程示意图。

图2为本发明在三维地形表面无缝叠加二维矢量的效果图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明基于级联的叠加矢量方法进行详细说明。

如图1所示，一种基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，包括如下步骤：

(1)选择对视域四棱锥进行剖分的分割策略。

根据当前视线方向和地形面的夹角来判断，超过规定阈值则使用幕空间剖分法，否则使用深度剖分法，一般这个阈值可以设为80°左右。幕空间剖分法适用于几乎垂直于地形面的视线方向，深度剖分法则适用于以水平分量为主要方向的大多数视线方向。

(2)对视域四棱锥进行级联剖分。

根据选择的分割策略对视域四棱锥进行级联剖分，得到若干个子视域四棱锥，本实施例是选择深度剖分法，并依据理论像素最优化和线性变化分割结合的折中原则对视域四棱锥进行级联剖分。

深度剖分方法对于视域四棱锥剖分的理念基于处于不同视域四棱锥深度层的矢量数据需要不同的像素分辨率。其沿着深度方向位于{C_i/0≤i≤m}，将视域四棱锥V分割成m个部分。当绘制一个深度为dz的地形表面时候，对应矢量绘制纹理上的纹元大小为ds×ds，0≤s≤1。同时，在视口上由地形表面投影出来的大小dp近似于ndy/z。

代表地形表面法向与到视口向量的夹角，θ代表地形表面法向与矢量绘制面的夹角。因为

矢量绘制的走样错误dp/ds可以表示为：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{ds}}=n\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{zds}}\frac{\cos \mathrm{\φ}}{\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

矢量绘制的下采样发生在式(2)的结果大于1的时候，这有可能由透视走样dz/zds和投影走样过大造成。因为投影走样

往往发生在地形与矢量数据面角度过大(比如竖面)，这类走样与地形几何细节密切相关，只能通过每帧的对地形几何特征的分析和复杂数据结构来完成，代价非常高且不能通过现代硬件加速。相反，透视走样dz/zds与场景无关，所以减轻透视走样不需要复杂的场景分析。理论上最优化的透视走样分布，要使得dz/zds在整个深度范围上保持一个定值，设ρ＝dz/zds，则有：

$s\left(z\right)={\∫}_0^s\mathrm{ds}=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}{\∫}_n^z\frac{\mathrm{dz}}{z}=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\ln (z/n)---\left(3\right)$

因为矢量参数0≤s≤1，我们可以得到ρ＝ln(f/n)。进而解出Z(假设剖分的数量m非常大)，分割点应该按照指数排布，即

{C_i}：Z_i＝n(f/n)^i/m    (4)

这种分割策略的缺点就是一切参数都是数学公式上推导的结果，实际应用中深度n＜Z＜f的矢量数据被完全绘制到归一化的0＜s＜1的纹理空间中没有浪费是不可能的。只有当m趋近无穷大的时候才能保证每个级联上正交投影下的区域和视域完全重合不包含多余部分，满足推导的假设，而实际中级联的个数一般在1到4之间。同时，每个i级联上的纹理像素又能做到总体矢量纹理像素的i/m也是难以做到的。所以，这种分割策略并不适用于实际应用。

为了解决这个问题，实际应用中对于C_i我们增加整个深度范围上的线性变化分割长度来取得折中平均策略，并由参数λ(0＜λ＜1)来控制平均强度：

{C_i}：Z_i＝λn(f/n)^i/m+(1-λ)(n+(i/m)(f-n))    (1)

以上的级联位置确定方法是与场景无关的，因为每一帧根据地形位置和矢量数据进行准确的场景分析是高代价的。经实验发现，按深度方向进行级联分割的策略可能造成距离视点近的区域空的比例过大。在这种情况下，比较好的方法是直接延伸V的近裁剪平面，并确保包含最近的矢量数据完整。精确地求出每个矢量信息叠加在地形上对应的位置到视点的距离依然比较复杂，可以通过每个矢量信息在地形上的包围盒到视点的距离来近似计算。

(3)分配矢量信息至子视域四棱锥上。

采用了OpenGL的TextureArray扩展来动态生成矢量纹理数组，将需绘制的矢量信息对应地分配到若干个子视域四棱锥上，并构建对应的正交投影的矢量绘制级联相机。

(4)完成矢量信息的缩小范围逼近，并绘制矢量纹理。

对子视域四棱锥上的矢量信息进行绘制范围分析，利用基于包围框的缩小范围逼近法，确定子视域四棱锥上的矢量绘制信息；构建矢量绘制级联相机组，将所有矢量绘制信息绘制成矢量纹理至矢量纹理数组中，同时记录每个子视域四棱锥的绘制矩阵。

基于包围框的缩小范围逼近法的过程为：1)对所有的矢量信息构建对应的二维包围框；2)将某一子视域四棱锥上的矢量信息在矢量数据面上进行正交投影，确定一个矩形绘制平面；3)将矩形绘制平面内部的矢量信息包围框与所有矢量信息包围框一一求交，剔除没有交集的包围框，将所有剩下的包围框共同合并，形成一个最小矩形包围框，该最小矩形包围框内部的信息即为对应子视域四棱锥上的矢量绘制信息；4)根据步骤2)和3)，遍历所有子视域四棱锥上的矢量信息，得到所有子视域四棱锥上的矢量绘制信息。

(5)将矢量纹理无缝叠加到三维地形上。

绘制三维地形，并将绘制好的矢量纹理数组，以及绘制时候的子视域四棱锥的透视投影矩阵和模型视图矩阵作为变量传入GPU(图形处理器)，然后在GPU顶点着色器中，利用地形顶点A(x，y，z)对应于矢量数据的A’(x，0，z)的一一对应关系，可快速并行计算出每个顶点的矢量纹理坐标，最后在GPU片元着色器中，使用得到的纹理坐标访问矢量纹理数组，将正确的颜色值混合到地形的片元上，实现无缝叠加。

如图2所示，本发明在大范围的三维地形表面实现高质量的典型二维矢量信息(文字、线条、多边形)无缝叠加，效果良好，走样抑制显著。

Claims (6)

1.一种基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，包括如下步骤：

（1）根据当前视线方向，选择深度剖分法或幕空间剖分法作为对视域四棱锥进行剖分的分割策略；若当前视线方向与地形面的夹角超过规定阈值则使用幕空间剖分法，否则使用深度剖分法；所述的规定阈值为80°；

（2）根据步骤（1）中选择的分割策略对视域四棱锥进行级联剖分，得到若干个子视域四棱锥；

（3）建立矢量纹理数组，将需绘制的矢量信息对应地分配到步骤（2）中的若干个子视域四棱锥上，并构建对应的矢量绘制级联相机；

（4）对子视域四棱锥上的矢量信息进行绘制范围分析，利用基于包围框的缩小范围逼近法，确定子视域四棱锥上的矢量绘制信息；构建矢量绘制级联相机组，将所有矢量绘制信息绘制成矢量纹理至所述的矢量纹理数组中，同时记录每个子视域四棱锥的绘制矩阵；

（5）绘制三维地形，根据所述的绘制矩阵将所述的所有矢量纹理无缝叠加到三维地形上。

2.根据权利要求1所述的基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，以水平分量为主要方向的视线方向采用深度剖分法作为对视域四棱锥进行剖分的分割策略；以垂直分量为主要方向的视线方向采用幕空间剖分法作为对视域四棱锥进行剖分的分割策略。

3.根据权利要求2所述的基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，其特征在于：所述的深度剖分法是将视域四棱锥从近裁切面至远裁切面的这段深度空间剖分成若干个部分，每一部分为一个子视域四棱锥，每个子视域四棱锥对应一个剖分面，其剖分面的函数表达式为：

{C_i}:Z_i=λn(f/n)^i/m+(1-λ)(n+(i/m)(f-n))（1）

其中：Z_i为第i子视域四棱锥，i为自然数，且1≤i≤m，m为子视域四棱锥个数，C_i为Z_i对应的剖分面，n和f分别为视域四棱锥的近裁切面和远裁切面，λ为平均强度系数，0<λ<1，默认值λ=0.5。

4.根据权利要求2所述的基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，其特征在于：所述的幕空间剖分法是将视域四棱锥直接沿屏幕空间的竖直方向或水平方向进行均匀分割，形成若干个子视域四棱锥。

5.根据权利要求1所述的基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，其特征在于：所述的基于包围框的缩小范围逼近法如下：

a.对所有的矢量信息构建对应的二维包围框；

b.将某一子视域四棱锥上的矢量信息在矢量数据面上进行正交投影，确定一个矩形绘制平面；

c.将矩形绘制平面内部的矢量信息包围框与所有矢量信息包围框一一求交，剔除没有交集的包围框，将所有剩下的包围框共同合并，形成一个最小矩形包围框，该最小矩形包围框内部的信息即为对应子视域四棱锥上的矢量绘制信息；

d.根据步骤b和c，遍历所有子视域四棱锥上的矢量信息，得到所有子视域四棱锥上的矢量绘制信息。

6.根据权利要求1所述的基于级联的在三维地形表面无缝叠加二维矢量的方法，其特征在于：所述的步骤（5）中，将所有矢量纹理无缝叠加到三维地形上是利用GPU实现的。

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