CN103035023A - 三维gis地形渲染方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三维GIS地形渲染方法，包括：载入三维GIS的地形数据，对所述地形数据进行四叉树分割，生成所述地形数据的矩形网格；将所述矩形网格进行视锥体裁切，得到需显示的矩形网格；计算每个所述需显示的矩形网格的渲染精度，判断每个所述矩形网格的渲染精度是否达到预设标准；对未达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则再次进行四叉树分割；对达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则根据每个所述矩形网格对应的地形数据，生成地形图元并渲染。对应地本发明还公开一种三维GIS地形渲染系统。本发明能有效提升三维GIS地形场景渲染的速度，数据处理过程更简单快速。
Description
技术领域
本发明涉及图像渲染技术领域，特别是涉及一种三维GIS地形渲染方法，和一种三维GIS地形渲染系统。
背景技术
近年来在电力行业，尤其在主网生产领域通过三维GIS来复现三维地形并解决业务问题已越来越受到业务部门的重视，但其目前普遍三维GIS产品的性能已无法支撑日益提升的业务新要求。而渲染技术是影响三维地形仿真性能的一个核心技术，因此一直是计算机图形学以及地理信息系统等相关领域的研究重点。
三维地形渲染可视化需要解决海量的复杂地形模型的渲染速度和渲染场景真实性，与计算机图形硬件有限的绘制能力之间的矛盾这个核心问题，目前在电力行业普遍采用传统的通过LOD控制的方式进行三维GIS地形渲染，主要的技术有三种：一是以不规则三角网格(TIN)的方式实现，但这种方法不利于场景渲染和管理；二是以Geometry Clipmaps(GC)的方式实现，但其又无法精确控制误差；之后基于四叉树分割的方法最为广泛。其优点在于，基于CPU网格动态构建，结合视点和网格粗糙度，可以很好地控制误差，但由于交互处理的数据量巨大，这种方法需进行大量的预计算，CPU的开销非常大，一般的CPU和带宽无法达到很高的渲染速度和很逼真的渲染效果。
发明内容
基于此，本发明提供一种三维GIS地形渲染方法和系统，能有效提升三维GIS地形场景渲染的速度，数据处理过程更简单快速。
一种三维GIS地形渲染方法，包括如下步骤：
载入三维GIS的地形数据，对所述地形数据进行四叉树分割，生成所述地形数据的矩形网格；
将所述矩形网格进行视锥体裁切，得到需显示的矩形网格；
计算每个所述需显示的矩形网格的渲染精度，判断每个所述矩形网格的渲染精度是否达到预设标准；
对未达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则再次进行四叉树分割；
对达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则根据每个所述矩形网格对应的地形数据，生成地形图元并渲染。
一种三维GIS地形渲染系统，包括第一分割模块、裁切模块、判断模块、第二裁切模块和渲染模块；
所述第一分割模块用于载入三维GIS的地形数据，对所述地形数据进行四叉树分割，生成所述地形数据的矩形网格；
所述裁切模块用于将所述矩形网格进行视锥体裁切，得到需显示的矩形网格；
所述判断模块用于计算每个所述需显示的矩形网格的渲染精度，判断每个所述矩形网格的渲染精度是否达到预设标准；
所述第二裁切模块用于对未达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则再次进行四叉树分割；
所述渲染模块用于对达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则根据每个所述矩形网格对应的地形数据，生成地形图元并渲染。
上述三维GIS地形渲染方法和系统，基于四叉树分割原理对庞大的地形数据进行简单化处理，通过视锥体裁切能快速地剔除当前不需显示的数据；本发明能有效提升三维GIS地形场景渲染的速度，在保证三维地形渲染逼真效果的前提下，减少CPU开销的同时，能提高GPU实时渲染的效率，从而有效提升三维GIS地形场景渲染的速度，同时也能避免因GPU难以回溯导致的处理困难。
附图说明
图1为本发明三维GIS地形渲染方法在一实施例中的流程示意图。
图2为一实施例中四叉树分割的示意图。
图3为一实施例中T型裂缝的示意图。
图4为一实施例中三角化处理的示意图。
图5为本发明三维GIS地形渲染系统在一实施例中的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，是本发明三维GIS地形渲染方法在一较佳实施例中的流程示意图，包括如下步骤:
S11、载入三维GIS的地形数据，对所述地形数据进行四叉树分割，生成所述地形数据的矩形网格；
将获取的三维GIS地形数据看作一个矩形网格，对整个地形数据进行四叉树分割，将整个三维GIS地形数据分割成多个矩形网格；如图2所示是四叉树分割的示意图，将整幅地形图进行四叉树递归分割，得到多个小矩形网格，从而将原始地形数据组织成由固定大小的规则的矩形块网格，通过遍历算法并每个矩形网格进行标注，即可获取每个矩形网格的地形数据，因此能大幅提高后续的数据处理速度，非常适合GPU并行处理。
S12、将所述矩形网格进行视锥体裁切，得到需显示的矩形网格；
根据当前显示设备的分辨率大小，对不需显示的矩形网格进行裁切，只保留当前需显示的地形数据，采用视锥体裁切方法能快速地剔除掉无需显示的地形数据。
在一较佳实施例中，所述视锥体裁切的步骤具体为：
获取当前需显示的地形范围，生成视锥体；
获取每个所述矩形网格中的地形高度最大值，生成与每个所述矩形网格对应的轴对称包围盒；
判断每一个所述轴对称包围盒与所述视锥体六个裁切平面的关系，裁切掉与所述视锥体相离的轴对称包围盒。
S13、计算每个所述需显示的矩形网格的渲染精度，判断每个所述矩形网格的渲染精度是否达到预设标准；
在一较佳实施例中，计算渲染精度的方法：
根据右式计算所述矩形网格的粗糙度：
其中，d1为所述粗糙度，d为当前分辨率下矩形网格的边长，dhi为所述矩形网格四边和两条对角线的高程平均值与矩形网格的中点高程之差；dhi越小代表地形越平坦，这样其要求精度可低，反之则要求精度高；
计算几何网格到视点的欧式距离；
根据右式计算所述矩形网格的渲染精度：
其中，f为所述渲染精度，L为所述欧式距离，C为预设值。
S14、对未达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则再次进行四叉树分割；
根据计算得到的矩形网格的渲染精度，与预设的精度阈值比较，若达不到预设标准，则需将该矩形网格继续进行四叉树分割，以保证后续渲染时能达到精度要求。
对达不到渲染精度要求的，则继续采用四叉树分割方法进行分割，将矩形网格再次细化，每一次分割后，都对得到的更小的矩形网格再次进行渲染精度的计算，若该矩形网格达到预设标准，则可停止四叉树分割。
S15、对达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则根据每个所述矩形网格对应的地形数据，生成地形图元并渲染；
从步骤S14中获取到了渲染精度符合预设标准的矩形网格，则可对矩形网格进行渲染；可由GPU遍历所述四叉树分割生成的每个网格，直接对每个矩形网格的高程的原始数据进行处理，以纹理的方式输出，再由GPU的几何着色器对纹理逐步采样，将图元送交像素着色器渲染至设备。
如图3所示，由于地形数据的连续性，若相邻两个矩形网格之间的分辨率不同，两个临近的地形图元具有不同的细节层次时，具有较高细节的地形图元会具有更多的结点，以及高程信息，但两者的共享边界会出现T型裂缝；
因此在渲染前，还可包括步骤：
比较相邻两个所述矩形网格的分辨率；
若分辨率相同，则生成所述地形图元并渲染；可通过GPU的几何着色器对每个矩形网格中包含的纹理数据进行逐步采样，生成地形图元；再通过GPU的像素着色器将地形图元渲染在显示设备上。
若分辨率不同，则先采用T型裂缝消除法消除两个所述矩形网格共享边界的裂缝，再生成所述地形图元并渲染；
这里采用T型裂缝消除法来进行裂缝消除，当矩形网格的分辨率较低时，要对该矩形网格的结点进行“三角化”调整，引入“过渡集策略”，即利用四叉树分裂规则的传递规则，通过添加额外的分裂节点，对矩形网格任意分割为多个三角形；如图4所示为对一矩形网格进行三角化的处理过程；通过控制绘制节点之间的层次差来达到避免裂缝的目的，其优势为：所访问的数据均被限制在当前层，从而避免了回溯递归等结构，也无须随机访问四叉树节点，适合GPU处理。
对应地，本发明还提供一种三维GIS地形渲染系统，包括第一分割模块51、裁切模块52、判断模块53、第二裁切模块54和渲染模块55；
所述第一分割模块51用于载入三维GIS的地形数据，对所述地形数据进行四叉树分割，生成所述地形数据的矩形网格；
将获取的三维GIS地形数据看作一个矩形网格，对整个地形数据进行四叉树分割，将整个三维GIS地形数据分割成多个矩形网格；如图2所示是四叉树分割的示意图，将整幅地形图进行四叉树递归分割，得到多个小矩形网格，从而将原始地形数据组织成由固定大小的规则的矩形块网格，通过遍历算法并每个矩形网格进行标注，即可获取每个矩形网格的地形数据，因此能大幅提高后续的数据处理速度，非常适合GPU并行处理。
所述裁切模块52用于将所述矩形网格进行视锥体裁切，得到需显示的矩形网格；
根据当前显示设备的分辨率大小，对不需显示的矩形网格进行裁切，只保留当前需显示的地形数据，采用视锥体裁切方法能快速地剔除掉无需显示的地形数据。
在一较佳实施例中，所述裁切模块52具体用于：
获取当前需显示的地形范围，生成视锥体；
获取每个所述矩形网格中的地形高程最大值，生成与每个所述矩形网格对应的轴对称包围盒；
判断每一个所述轴对称包围盒与所述视锥体六个裁切平面的关系，裁切掉与所述视锥体相离的轴对称包围盒。
所述判断模块53用于计算每个所述需显示的矩形网格的渲染精度，判断每个所述矩形网格的渲染精度是否达到预设标准；
在一较佳实施例中，所述判断模块53还用于：根据右式计算所述矩形网格的粗糙度：
其中，d1为所述粗糙度，d为当前分辨率下矩形网格的边长，dhi为所述矩形网格四边和两条对角线的端点高程平均值与矩形网格的中点高程之差；
计算矩形网格到视点的欧式距离；
根据右式计算所述矩形网格的渲染精度：
其中，f为所述渲染精度，L为所述欧式距离，C为预设值。
所述第二裁切模块54用于对未达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则再次进行四叉树分割；
根据计算得到的矩形网格的渲染精度，与预设的精度阈值比较，若达不到预设标准，则需将该矩形网格继续进行四叉树分割，以保证后续渲染时能达到精度要求。
对达不到渲染精度要求的，则继续采用四叉树分割方法进行分割，将矩形网格再次细化，每一次分割后，都对得到的更小的矩形网格再次进行渲染精度的计算，若该矩形网格达到预设标准，则可停止四叉树分割。
所述渲染模块55用于对达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则根据每个所述矩形网格对应的地形数据，生成地形图元并渲染；。
获取到了渲染精度符合预设标准的矩形网格，则可对矩形网格进行渲染；可由GPU遍历所述四叉树分割生成的每个网格，直接对每个矩形网格的高程的原始数据进行处理，以纹理的方式输出，再由GPU的几何着色器对纹理逐步采样，将图元送交像素着色器渲染至设备。
如图3所示，由于地形数据的连续性，若相邻两个矩形网格之间的分辨率不同，两个临近的地形图元具有不同的细节层次时，具有较高细节的地形图元会具有更多的结点，以及高程信息，但两者的共享边界会出现T型裂缝；
因此在一较佳实施例中，还包括比较消除模块，所述比较消除模块用于：
比较相邻两个所述矩形网格的分辨率；
若分辨率相同，则生成所述地形图元并渲染；可通过GPU的几何着色器对每个矩形网格中包含的纹理数据进行逐步采样，生成地形图元；再通过GPU的像素着色器将地形图元渲染在显示设备上。
若分辨率不同，则先采用T型裂缝消除法消除两个所述矩形网格共享边界的裂缝，再生成所述地形图元并渲染。
这里采用T型裂缝消除法来进行裂缝消除，当矩形网格的分辨率较低时，要对该矩形网格的结点进行“三角化”调整，引入“过渡集策略”，即利用四叉树分裂规则的传递规则，通过添加额外的分裂节点，对矩形网格任意分割为多个三角形；如图4所示为对一矩形网格进行三角化的处理过程；通过控制绘制节点之间的层次差来达到避免裂缝的目的，其优势为：所访问的数据均被限制在当前层，从而避免了回溯递归等结构，也无须随机访问四叉树节点，适合GPU处理。
本发明三维GIS地形渲染方法和系统，基于四叉树分割原理对庞大的地形数据进行简单化处理，通过视锥体裁切能快速地剔除当前不需显示的数据；本发明能有效提升三维GIS地形场景渲染的速度，在保证三维地形渲染逼真效果的前提下，减少CPU开销的同时，能提高GPU实时渲染的效率，从而有效提升三维GIS地形场景渲染的速度，同时也能避免因GPU难以回溯导致的处理困难。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种三维GIS地形渲染方法，其特征在于，包括如下步骤：
载入三维GIS的地形数据，对所述地形数据进行四叉树分割，生成所述地形数据的矩形网格；
将所述矩形网格进行视锥体裁切，得到需显示的矩形网格；
计算每个所述需显示的矩形网格的渲染精度，判断每个所述矩形网格的渲染精度是否达到预设标准；
对未达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则再次进行四叉树分割；
对达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则根据每个所述矩形网格对应的地形数据，生成地形图元并渲染。
2.根据权利要求1所述的三维GIS地形渲染方法，其特征在于，所述将所述矩形网格进行视锥体裁切，得到需显示的矩形网格的步骤具体包括：
获取当前需显示的地形范围，生成视锥体；
获取每个所述矩形网格中的地形高程最大值，生成与每个所述矩形网格对应的轴对称包围盒；
判断每一个所述轴对称包围盒与所述视锥体六个裁切平面的关系，裁切掉与所述视锥体相离的轴对称包围盒。
3.根据权利要求1所述的三维GIS地形渲染方法，其特征在于，所述计算渲染精度的步骤具体包括：根据右式计算所述矩形网格的粗糙度：
其中，d1为所述粗糙度，d为当前分辨率下矩形网格的边长，dhi为所述矩形网格四边和两条对角线的端点高程平均值与矩形网格的中点高程之差；
计算矩形网格到视点的欧式距离；根据右式计算所述矩形网格的渲染精度：
其中，f为所述渲染精度，L为所述欧式距离，C为预设值。
4.根据权利要求1所述的三维GIS地形渲染方法，其特征在于，所述在生成地形图元并渲染的步骤前还包括步骤：
比较相邻两个所述矩形网格的分辨率；
若分辨率相同，则生成所述地形图元并渲染；
若分辨率不同，则先采用T型裂缝消除法消除两个所述矩形网格共享边界的裂缝，再生成所述地形图元并渲染。
5.一种三维GIS地形渲染系统，其特征在于，包括第一分割模块、裁切模块、判断模块、第二裁切模块和渲染模块；
所述第一分割模块用于载入三维GIS的地形数据，对所述地形数据进行四叉树分割，生成所述地形数据的矩形网格；
所述裁切模块用于将所述矩形网格进行视锥体裁切，得到需显示的矩形网格；
所述判断模块用于计算每个所述需显示的矩形网格的渲染精度，判断每个所述矩形网格的渲染精度是否达到预设标准；
所述第二裁切模块用于对未达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则再次进行四叉树分割；
所述渲染模块用于对达到所述预设标准的每个所述矩形网格，则根据每个所述矩形网格对应的地形数据，生成地形图元并渲染。
6.根据权利要求5所述的三维GIS地形渲染系统，其特征在于，所述裁切模块具体用于：
获取当前需显示的地形范围，生成视锥体；
获取每个所述矩形网格中的地形高程最大值，生成与每个所述矩形网格对应的轴对称包围盒；
判断每一个所述轴对称包围盒与所述视锥体六个裁切平面的关系，裁切掉与所述视锥体相离的轴对称包围盒。
7.根据权利要求5所述的三维GIS地形渲染系统，其特征在于，所述判断模块还用于：
根据右式计算所述矩形网格的粗糙度：
其中，d1为所述粗糙度，d为当前分辨率下矩形网格的边长，dhi为所述矩形网格四边和两条对角线的端点高程平均值与矩形网格的中点高程之差；
计算矩形网格到视点的欧式距离；
根据右式计算所述矩形网格的渲染精度：
其中，f为所述渲染精度，L为所述欧式距离，C为预设值。
8.根据权利要求5所述的三维GIS地形渲染系统，其特征在于，还包括比较消除模块，所述比较消除模块用于：
比较相邻两个所述矩形网格的分辨率；
若分辨率相同，则生成所述地形图元并渲染；
若分辨率不同，则先采用T型裂缝消除法消除两个所述矩形网格共享边界的裂缝，再生成所述地形图元并渲染。
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