CN103927395A - 结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构及渲染方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构及渲染方法，该方法：通过几何索引g获得当前SSI像素代表体素的几何信息，通过g提取二次曲面参数矩阵获得参数，渲染出二次曲面，当g等于1时，当前体素为一个父体素，返回SSI属性开始进行子结构的查找；获得几何信息后，通过材质坐标Mc获得储存于多层式结构简化图像(MSI)材质库中材质的RGB颜色、反光度和不透明度为当前体素增加渲染颜色；通过纹理坐标索引Tidx，获得MSI纹理坐标库中的纹理坐标，再通过纹理坐标查找细节纹理，利用查找到的细节纹理进行三维渲染。本发明解决了SSI至今只能用于表示直角结构，从而使SSI的模型表达能力大大受到局限的问题。

Description

结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构及渲染方法
技术领域
本发明涉及一种应用于互联网络的城市三维可视化模型，具体是一种结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构及渲染方法。
背景技术
目前,城市三维可视化，目的是根据真实的城市制作出三维模型，使用户能在计算机屏幕中观测到三维模型表示的城市并进行互动。
由于城市中存在的任何一种元素都是数以万计的，而一种元素中各个对象之间，例如某一建筑物与另一建筑物，也是千差万别；而且传统的三维网格模型本身储存的数据格式，至少需要储存构成三维模型的顶点(Vertex)与面(Face)的信息，用整数(integer)或浮点(floating)数据类型记录这些信息所产生的数据量本身就不小，所以城市三维建模所产生的数据量是异常庞大，往往以吉字节（GB）为单位计算的。这样庞大的数据量，即算在网络技术发达的今天，除非对三维模型精度或互动操作作出严苛的限制，否则要通过网络传输实现流畅的实时渲染是几乎不可能的。另一方面，大量的数据必然产生大量内存的消耗，也很难在普通家用或商用电脑上实现实时的大范围城市三维可视化。
结构简化图像（Simplified-structure Image, 简称SSI），通过把复杂的建筑结构储存为图像格式，解决了城市三维可视化中，数据量过大造成的网络或储存媒体传输困难和难以实现实时渲染的问题。
而最初设计的SSI由于基于直角结构，所以只能用于表示直角结构，无法对圆柱形或二次曲面或异型的城市三维场景进行表达，从而使SSI的模型表达能力受到很大的局限。
发明内容
本发明的目的是提供了一种结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构。它解决了SSI至今只能用于表示直角结构而导致SSI的模型表达能力大大受到局限的问题。
本发明的另一目的是提供一种利用结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构进行渲染的方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构，包括以下信息：
－ 储存于SSI像素中的几何索引g，表示当前SSI像素所表示体素的几何形状，g是一系列二次曲面参数矩阵的索引，这些矩阵已经预先作为参数储存于渲染程序中。
－ 创建储存于多层式结构简化图像MSI中，结构简化图像SSI相应的材质库和纹理坐标库；
－ 材质坐标Mc（mcx，mcy），储存当前SSI像素材质位于MSI材质库位置的坐标；
－ 纹理坐标索引Tidx，储存当前SSI像素的纹理坐标位于MSI纹理坐标库位置的索引；
所述mcx或mcy的值需要占用一个字节。
所述纹理坐标索引Tidx的值需要占用一个字节。
所述几何索引g的值需要占用一个字节。
上述的结构简化图像（Simplified-structure Image, 简称SSI）是指把简化后的三维体积网格切片为多层由像素(Pixel)组成的二维图像。
 
利用结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构进行渲染的方法：
A、首先通过几何索引g获得当前SSI像素代表体素的几何信息，渲染当前体素时，通过g提取二次曲面参数矩阵获得参数，利用三维视点向量与二次曲面求交的光线追踪，渲染出二次曲面，如g等于1，当前体素为一个父体素，返回SSI Properties开始进行子结构的查找；
B、完成几何渲染后，通过材质坐标Mc获得MSI材质库中材质的RGB颜色、反光度和不透明度为当前几何结果增加渲染颜色；
C、通过纹理坐标索引Tidx，获得MSI纹理坐标库中的纹理坐标，再通过纹理坐标查找纹理贴图采样获得细节纹理，添加查找到的细节纹理到当前几何渲染结果。
 
本发明的有益效果：在使用SSI进行渲染时，使用本发明提出的使用SSI三维几何及其材质纹理的数据结构及三维渲染的方法，可以使用SSI表达二次曲面(Quadric surface)，并同时表达曲面的材质，颜色及增加细节的普通纹理(Texture)信息，解决了SSI至今只能用于表示直角结构导致SSI的模型表达能力大大受到局限的问题。
由于只需要一系列索引，而无须保存复杂的二次曲面三维模型，既大大降低了数据储存空间，也降低了消耗的内存空间，可以使用普通个人计算机，通过一个定制的光线穿越算法达到在大范围城市场景下每秒30帧以上含有丰富细节的实时渲染。
 
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明的辅助数据结构实施例的查找流程图。
具体实施方式
结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构，包括以下信息：
－ 储存于SSI像素中的几何索引g，表示当前SSI像素所表示体素的几何形状，g是一系列二次曲面参数矩阵的索引，这些矩阵已经预先作为参数储存于渲染程序中。
－ 创建储存于多层式结构简化图像MSI中，结构简化图像SSI相应的材质库和纹理坐标库；
－ 材质坐标Mc（mcx，mcy），储存当前SSI像素材质位于MSI材质库位置的坐标；
－ 纹理坐标索引Tidx，储存当前SSI像素的纹理坐标位于MSI纹理坐标库位置的索引；
所述mcx或mcy的值需要占用一个字节。
所述纹理坐标索引Tidx的值需要占用一个字节。
所述几何索引g的值需要占用一个字节。
上述的结构简化图像（Simplified-structure Image, 简称SSI）是指把简化后的三维体积网格切片为多层由像素(Pixel)组成的二维图像。
 
如图1所示，利用结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构进行渲染的方法，如下：
A、首先通过几何索引g获得当前SSI像素代表体素的几何信息，渲染当前体素时，通过g提取二次曲面参数矩阵获得参数，利用三维视点向量与二次曲面求交的光线追踪，渲染出二次曲面，如g等于1，当前体素为一个父体素，返回SSI Properties开始进行子结构的查找；
B、完成几何渲染后，通过材质坐标Mc获得MSI材质库中材质的RGB颜色、反光度和不透明度为当前几何结果增加渲染颜色；
C、通过纹理坐标索引Tidx，获得MSI纹理坐标库中的纹理坐标，再通过纹理坐标查找纹理贴图采样获得细节纹理，添加查找到的细节纹理到当前几何渲染结果。
到此，以上说明了如何使用本发明提出的方法，针对一个建筑三维模型，通过三维体网格逼近并进行简化的方法，最终编码为一种新的数据结构，并达到以图像文件的形式储存原三维模型。接下来通过两个实例，说明使用本发明提出的方法及数据结构在城市三维建模方面对比传统三维网格有更高的储存效率及渲染效率。
 
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构，其特征在于，包括以下内容：
－ 储存于SSI像素中的几何索引g，表示当前SSI像素所表示体素的几何形状，g是一系列二次曲面参数矩阵的索引，这些矩阵已经预先作为参数储存于渲染程序中；
 － 创建储存于多层式结构简化图像MSI中，结构简化图像SSI相应的材质库和纹理坐标库；
－ 材质坐标Mc（mcx，mcy），储存当前SSI像素材质位于MSI材质库位置的坐标；
－ 纹理坐标索引Tidx，储存当前SSI像素的纹理坐标位于MSI纹理坐标库位置的索引。
2.根据权利要求1所述的结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构，其特征在于：所述mcx或mcy的值需要占用一个字节。
3.根据权利要求1或2所述的结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构，其特征在于：所述纹理坐标索引Tidx的值需要占用一个字节。
4.根据权利要求3所述的结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构，其特征在于：所述几何索引g的值需要占用一个字节。
5.利用权利要求1所述的结构简化图像三维几何及材质纹理的数据结构进行渲染的方法，其特征在于： 
A、首先通过几何索引g获得当前SSI像素代表体素的几何信息，渲染当前体素时，通过g提取二次曲面参数矩阵获得参数，利用三维视点向量与二次曲面求交的光线追踪渲染出二次曲面；如g等于1，则当前体素为一个父体素，返回SSI Properties开始进行子结构的查找；
B、完成几何渲染后，通过材质坐标Mc获得MSI材质库中材质的RGB颜色、反光度和不透明度为当前几何结果增加渲染颜色；
C、通过纹理坐标索引Tidx，获得MSI纹理坐标库中的纹理坐标，再通过纹理坐标查找纹理贴图采样获得细节纹理，添加查找到的细节纹理到当前几何渲染结果。
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