CN103927396B - 利用辅助数据在三维渲染中获得三维空间信息的查找方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用辅助数据在三维渲染中获得三维空间信息的查找方法，包括以下步骤：一个任意三维点P在一个维度上映射于一段一维空间范围内后获得归一化的坐标并对相应数组查找，读取该元素的SSI索引和分数；比较坐标数值与分数，如坐标值大于分数，获取新的SSI索引值=SSI索引+1，如坐标值小于分数，获取现有的SSI索引值；在获得SSI索引后，使用该索引在SSI中进行查找，就能获得P点相应的第一次简化后所属空间的材质颜色。以上查找方法将实施于一个三维点的每一个维度上。本发明的查找方法，由于需要内存空间非常低，可以使用普通个人计算机，通过一个定制的光线穿越算法渲染出分别为49fps和30fps。

Description

利用辅助数据在三维渲染中获得三维空间信息的查找方法
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，具体是一种利用辅助数据在三维渲染中获得三维空间信息的查找方法。
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。
该项技术存在两个固有难点，第一是对城市三维模型的建模，第二是建模所产生的非常大量的数据。而本发明主要针对后者难点。
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; 而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，也是千差万别的。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，因此存在网络传输困难，低效的缺陷。
在多数情况下，要实用三维网格实现城市三维可视化，为了减少数据量的产生，必须大大减低三维网格的复杂度，而且使用精度较低的纹理贴图，导致三维可视化视觉效果强差人意，存在视觉效果较差的缺点。
另外，国内一些IT企业开发出假三维（2.5D）的城市可视化系统。首先制作出精细的三维城市模型，然后以单一观察角度渲染出真实巨大的三维效果图，在用户交互时再根据用户的视觉位置传送位置相对的效果图。假三维（2.5D）图像该技术使用单一视角的预渲染，用户实际见到的只是预渲染结果的图像。无法自由导航，改变观测角度等交互，存在互动的限制。由于这一限制，除了地图应用以外，可以实现的实际应用非常少。
另一方面，大量的数据必然产生大量内存的消耗，一个大型城市的模型数据往往 会产生数十GB的内存（尤其是显存）。这样的数据量很难在只有数GB内存或显存的普通家用 或商用电脑上实现实时的大范围城市三维可视化，存在无法实时渲染的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用辅助数据在三维渲染中本发明公开了一种利用辅助数据在三维渲染中通过结构简化图像（Simplified-structure Image, 简称SSI）获得三维空间信息的查找方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
利用辅助数据在三维渲染中获得三维空间信息的查找方法，包括以下步骤：
1、辅助数据数组定义的空间宽度 = SSI像素第一次简化后空间分布整体宽度。
2、假设一个三维点P，映射于辅助数据数组整体定义的空间内。
3、P在一个维度上映射于一维空间范围内后获得归一化的坐标并对相应数组查找，可以获得数组中的一个元素，读取该元素的SSI索引和分数；
4、将P再次映射到该元素定义的空间内，再次获得一个归一化坐标，比较坐标数值与分数。
5、如坐标值大于分数，即P点已经跨越SSI索引代表的SSI像素原空间边界，获取新的SSI索引值=SSI索引+1。
6、如坐标值小于分数，即P点没有跨越SSI索引代表的SSI像素原空间边界，获取现有的SSI索引值。
7、在获得SSI索引后，使用该索引在SSI中进行查找，就能获得P点相应的第一次简化后所属空间的材质颜色。
以上查找方法将实施于一个三维点的每一个维度上，每一个辅助数据数组对应三维点的一个维度，即需要实施三次。
其中，所述辅助数据(Metadata)包括三个数组(Array)，每一组记录一个维度的信息；辅助数据的一个数组，代表着将SSI像素在一个维度上第一次简化后的整体非等分空间分布，切割为数组元素个数的等分空间；辅助数据数组中，每一个数组元素记录以下4个数据：
SSI索引：一个整数，是该元素相关联的SSI像素中元素的索引；相关联的SSI像素由该元素左边边界所处在SSI原空间分布元素决定；
分数：一个浮点数，记录相关联的SSI像素第一次简化后空间边界在该元素中映射后的位置；
前跳距：一个整数，记录该数组维度正方向上，下一个SSI像素边界所处的元素与该元素的距离；
后跳距：一个整数，记录该数组维度负方向上，下一个SSI像素边界所处的元素与该元素的距离。
通过以上的查找方式，利用辅助数据，任何一点都可以在等分空间分布的SSI中，重新获得该点在第一次简化后的三维体网格中的正确的材质颜色等空间属性。
所述前跳距和后跳距以元素个数为单位。
所述的4个数据，每一个都用8比特即1字节去记录,一个元素就可以用4字节记录下来。
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)组成的二维图像数据，而每一个像素记录的是原模型材质的颜色。
本发明的有益效果：在三维渲染时重新获得利用结构简化图像储存的建筑三维模型所丢失的三维信息。使用本发明提出的辅助数据数据结构和查找方法，只需要实行一次查找，效率远比使用递归的树型（二叉树，八叉树）查找高，而且需要内存空间非常低，故可以使用普通个人计算机，通过一个定制的光线穿越算法渲染出分别为49fps（帧/秒）和30fps。
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图表。
具体实施方式
利用辅助数据在三维渲染中获得三维空间信息的查找方法如下：
由于SSI本身失去了所有原来三维结构的三维边界信息，因此一个SSI需要构造一组辅助数据(Metadata)，在三维渲染中去重新获得三维空间信息。
一组辅助数据Metadata包括三个数组(Array)，每一组记录一个维度的信息。参考图1，图1上部分为一个维度的辅助数据的实例。
辅助数据的一个数组，代表着将SSI像素在一个维度上第一次简化后的整体非等分空间分布，切割为数组元素个数的等分空间。而决定元素个数的规则是：SSI第一次简化后空间分布的 每一条边界,最多只在一个数组元素的范围内。
辅助数据数组中，参考图1，每一个元素记录以下4个数据：
1，SSI索引，一个整数，是该元素相关联的SSI像素中元素的索引。相关联的SSI像素由该元素左边边界所处在SSI原空间分布元素决定。
2，分数，一个浮点数，记录相关联的SSI像素第一次简化后空间边界在该元素中映射后的位置。
3，前跳距，一个整数，记录该数组维度正方向上，下一个SSI像素边界所处的元素与该元素的距离。以元素个数为单位。三维渲染时用。
4，后跳距，一个整数，记录该数组维度负方向上，下一个SSI像素边界所处的元素与该元素的距离。以元素个数为单位。三维渲染时用。
这4个数据，每一个都用8比特即1字节去记录,一个元素就可以用4字节记录下来，同样会被储存为图像格式的像素。因此辅助数据三个数组中的每一个都会被储存为一组像素。
在渲染过程中，利用辅助数据重新获得一个SSI的原空间分布信息的查找(Lookup)方法，参照图1，如下：
1，辅助数据数组定义的空间宽度 = SSI像素第一次简化后空间分布整体宽度；
2，假设一个三维点P，映射于辅助数据数组整体定义的空间内。
3，P在一个维度上映射于一维空间范围内后获得归一化的坐标并对相应数组查找，可以获得数组中的一个元素，读取该元素的SSI索引和分数。
4，将P再次映射到该元素定义的空间内，再次获得一个归一化坐标，比较坐标数值与分数。
5，如坐标值大于分数，即P点已经跨越SSI索引代表的SSI像素原空间边界，获取新的SSI索引值=SSI索引+1。
6，如坐标值小于分数，即P点没有跨越SSI索引代表的SSI像素原空间边界，获取现有的SSI索引值。
7，在获得SSI索引后，使用该索引在SSI中进行查找，就能获得P点相应的第一次简化后所属空间的材质颜色。
以上查找方法将实施于一个三维点的每一个维度上，每一个辅助数据数组对应三维点的一个维度，即需要实施三次。通过以上的查找方式，利用辅助数据，任何一点都可以在等分空间分布的SSI中，重新获得该点在第一次简化后的三维体网格中的正确的材质颜色等空间属性。
以上说明了如何使用本发明提出的方法，在三维渲染时重新获得利用结构简化图像储存的建筑三维模型所丢失的三维信息。使用本发明提出的辅助数据数据结构和查找方法，只需要实行一次查找，效率远比使用递归的树型（二叉树，八叉树）查找高，而且需要内存空间低，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。
由此可见，通过使用本发明提出的方法和数据结构，既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。
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 (3)

1.一种利用辅助数据在三维渲染中获得三维空间信息的查找方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、一个维度上的辅助数据数组定义的一段长度等于SSI图像在一个维度方向上的像素的锁代表的物理空间的整体宽度；
B、假设一个三维点P，映射于辅助数据数组整体定义的空间内；
C、P在一个维度上映射于一维空间范围内后获得归一化的坐标并对相应数组查找，可以获得数组中的一个元素，读取该元素的SSI索引和分数，SSI为结构简化图像Simplified-structure Image的简称；
D、将P再次映射到该元素定义的空间内，再次获得一个归一化坐标，比较坐标数值与分数；
E、如坐标值大于分数，即P点已经跨越SSI索引代表的SSI像素原空间边界，此时获取新的SSI索引值等于元SSI索引值加1，P点属于下一个SSI像素表达的空间；
F、如坐标值小于分数，即P点没有跨越SSI索引代表的SSI像素原空间边界，获取现有的SSI索引值；
G、在获得SSI索引后，使用该索引在SSI中进行查找，就能获得P点相应的第一次简化后所属空间的材质颜色；
以上查找方法将实施于一个三维点的每一个维度上，每一个辅助数据数组对应三维点的一个维度，即需要实施三次；
其中，所述辅助数据包括三个数组，每一组记录一个维度的信息；辅助数据的一个数组，代表着将SSI像素在一个维度上第一次简化后的整体非等分空间分布，切割为数组元素个数的等分空间；辅助数据数组中，每一个数组元素记录以下4个数据：
SSI索引：一个整数，是该元素相关联的SSI像素中元素的索引；相关联的SSI像素由该元素左边边界所处在SSI原空间分布元素决定；
分数：一个浮点数，记录相关联的SSI像素第一次简化后空间边界在该元素中映射后的位置；
前跳距：一个整数，记录该数组维度正方向上，下一个SSI像素边界所处的元素与该元素的距离；
后跳距：一个整数，记录该数组维度负方向上，下一个SSI像素边界所处的元素与该元素的距离。
2.根据权利要求1所述的利用辅助数据在三维渲染中获得三维空间信息的查找方法，其特征在于：所述前跳距和后跳距以元素个数为单位。
3.根据权利要求1或2所述的利用辅助数据在三维渲染中获得三维空间信息的查找方法，其特征在于：所述的4个数据，每一个都用8比特即1字节去记录,一个元素就可以用4字节记录下来。
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