CN104463948A - 三维虚拟现实系统与地理信息系统的无缝可视化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三维虚拟现实系统与地理信息系统的无缝可视化方法。在预处理阶段，对三维地理信息系统中的三维模型进行处理并生成地图学规范表示的二维地图符号。在三维地理场景的实时可视化阶段，在摄像机由近至远漫游和观察的过程中，采用层次选择技术使三维模型产生多分辨率层次细节由精细到粗糙直至最粗糙层的切换过渡；随着摄像机与三维模型的距离进一步拉大并到达一定程度时，通过Morph技术使三维模型无缝过渡到公告牌，并最终无缝过渡到预先生成的二维地图符号；摄像机由远至近的可视化过程与上述由近至远的切换过渡过程相反。本发明能够形成无缝过渡的可视化融合结果，满足用户对于地理信息多维度多形态的综合感知和认知。

Description

三维虚拟现实系统与地理信息系统的无缝可视化方法
技术领域
本发明属于虚拟现实技术、地理信息技术领域，具体涉及一种三维虚拟现实系统与地理信息系统的无缝可视化方法。
背景技术
大规模三维复杂虚拟场景的实时可视化是虚拟现实系统的重要组成部分，广泛应用于：数字地球，战场信息可视化，大型建筑物漫游，三维驾驶仿真，计算机辅助工业制造，以及计算机游戏和动画等众多分支领域，是所有虚拟现实系统的基础。它的目标在于：在一个空间跨度较大的三维复杂场景范围内，给用户提供一个能够实时交互的浏览环境，从中能够获得逼真度非常高的视觉体验。
地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。地理信息系统结合了地理学和地图学，被广泛应用在测绘与地图制图、资源管理、灾情监测、城乡规划、国防、环境保护、宏观决策支持等一百多个领域。除了专业的地理信息系统，随着互联网和移动互联网的蓬勃房展，人们日常生活中能够接触到的商业地理信息系统也越来越多，如国外的Google地图、Bing地图，国内的百度地图、高德导航等。这些系统为我们的生活提供了极大的便利。地图符号是传统地理信息系统中用来表示实际地物的图解记号，它能表示地物的数量特征及空间位置关系。地图符号的可视化能增强地理信息系统和地图的易读性。
随着计算机图形学与虚拟现实技术及其三维可视化技术的快速发展，地理信息系统也开始逐渐从二维向三维空间发展，传统的二维地图符号的呈现方式已不能满足三维地理信息系统中复杂三维场景空间的表示和可视化的需要，如何有效地展示三维地理信息系统中的地理事物的空间位置信息的抽象形式及其所对应地理实体的三维空间特性成为亟需解决的难点问题。国内外几个主要的GIS产品中，包含三维模块的主要有以下几个：
(1)ESRI公司推出的ArcGIS不断扩展了它的三维显示与分析组件ArcGIS 3DAnalyst。该组件提供用户的功能可以实现地表网格的三维构模和立体分析，数字城市的三维显示、分析与管理，并提供三维建模工具。
(2)ERDAS公司推出的IMAGINE系列产品是一个包括制图和可视化核心功能在内的 影像工具软件。其扩充的VirtualGIS模块可以实现实时三维飞行模拟和GIS分析等功能。
(3)CyberCity 3D公司所推出的CyberCity 3D系统是根据城市数据、GIS数据、CAD数据等自动建立三维模型，并具有大范围海量数据三库一体化管理和无缝三维实时漫游功能，并具有常规GIS的空间信息查询、表示、分析和决策功能。
但是目前三维GIS依然面临着许多技术挑战，许多关键技术没有得到很好的解决。例如，如何自动重构三维GIS数据源，如何实现海量地理信息的高效可视化等。地理信息三维可视化系统的研究对象是三维空间，三维地理信息的可视化系统不仅仅对二维地理信息系统进行简单扩展，而是从地理空间模型分析到空间数据库的结构直至三维地理数据的可视化。地理信息系统可视化要为用户提供兼具具象和抽象含义的地理信息展示，上述具备三维地理信息可视化功能的系统及其方法虽然可以较好地表达地理实体的三维空间形状等具象信息，但是一方面由于具象信息过多过密集而容易导致信息的过载和混乱，另一方面也难以有效表达地理空间位置信息的抽象符号化形式，他们往往把三维地理实体和抽象的地理符号区分对待；而传统二维GIS的可视化主要侧重于表达地理事物的空间位置信息和地理实体之间的关系以及状态变化，而对三维实体本身的空间结构、形态缺乏真实表达，仅仅以抽象或象形符号代表。作为传统地图和2D地理信息系统中用来表达和传递地理信息的工具，地图符号的重要性不言而喻。地图符号是地图和地理信息系统中用来表示实地物体的特定图解记号，是地理信息对真实世界的描述与表达。地图符号作为地理信息表示和可视化的形式具有有两个基本功能，一是表示地物种类及其数量和质量特征，二是表示地物的空间位置和现象分布。地图符号的好坏直接影响到地图和地理信息系统中地理信息的表达和传递效果及其易读性。随着地理信息系统从二维到三维的发展，原来的二维地图符号已难以满足三维场景逼真性的要求,它必然要求与之配套的三维场景可视化技术和相应的符号理论及技术。
上述无论二维GIS还是具有三维可视化功能的三维GIS系统的可视化方式都有可能造成地理事物抽象与具象信息的混淆、错乱、脱节，从而降低了三维地理信息系统的可读性、易用性，给用户带来极大的障碍和麻烦。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种面向广泛的三维GIS应用及虚拟现实应用的三维虚拟现实系统与地理信息系统的无缝可视化一体化方法，使得具有抽象含义的二维地图符号和具象含义的三维地理场景模型具有统一的数据表示并在整个可视化过程中自如地过渡、切换，形成无缝的可视化融合结果，满足用户对于地理信息多维度多形态的综合感知和认知。
本发明采用的技术方案如下：
一种三维虚拟现实系统与地理信息系统的无缝可视化方法，其步骤包括：
1)在预处理阶段，对三维地理信息系统中的各种三维模型采用模型简化技术构建静态层次多分辨率模型，或者不经过预处理阶段，而直接在后续的步骤中采用动态层次多分辨率建模技术；然后以某个满足视觉特征的层次细节的模型作为该层次多分辨率模型的最粗糙层，并以此层模型为基础自动生成地图学规范表示的二维地图符号；
2)在由大量三维建筑模型及其群落以及其他地表模型及其群落组成的三维地理场景的实时可视化阶段，在摄像机(视点)由近至远漫游和观察的过程中，首先采用层次选择技术使得三维地理场景中的三维模型依据摄像机距离远近的变化而产生多分辨率模型的层次细节由精细到粗糙直至最粗糙层的切换过渡；随着摄像机与三维模型的距离进一步拉大并到达一定程度时，通过Morph技术使三维地理场景的三维模型无缝过渡到公告牌(Billboard)，并最终无缝平滑过渡到步骤1)中预先生成的二维地图符号，公告牌和二维地图符号在可视化过程中始终正面向摄像机；
3)摄像机由远至近漫游三维地理场景时的可视化过程与上述摄像机由近至远的变化过程相反。
进一步地，步骤1)以三维模型中的三角形或者多边形面片为最小操作单位，从三维模型自动生成相应的符合地图学规范二维地图符号，具体步骤包括：
a)根据由三角形或者多边形网格和纹理贴图表示的三维模型提取可视化所需要的基础属性信息；
b)对三维模型中多个网格表示的部件进行合并，将三维模型中所有的顶点集合和三角形或者多边形面片信息集合合并到顶点和面片两大集合中；
c)选取三维模型特征最显著表面对三维模型进行扁平化然后投影；，
d)生成三维模型可见面的深度图；
e)计算可见三角形或者多边形面片的邻接关系并分片，将法向量相同或者相近且邻接的多个三角形或者多边形面片划分为Patch；
f)计算Patch之间的邻接关系；
g)根据Patch的位置及邻接关系对Patch进行取舍和染色，生成三维模型对应的二维地图符号。
进一步地，步骤g)采用下面四种策略中的一种对Patch进行取舍和染色(染色方案一般选择两种颜色，分别代表建筑表面主体颜色和醒目的特征色)；
第一种策略：将所有Patch划分成两类：处于边缘的Patch和处于内部的Patch；处于边缘的Patch涂成醒目的特征色(如蓝色或者红色等)，处于内部的Patch涂成与建筑表面主体 颜色相近的主体色(如白色或者灰色)；
第二种策略：将所有不在边缘且邻接Patch数量为1的Patch涂成主体色，其他所有Patch涂成特征色；
第三种策略：将所有Patch分成三类：处于边缘的Patch一律涂成特征色；处于中间且面积占符号总面积的比例大于一定阈值的Patch，将边缘部分涂成主体色，或者模拟方向光照导致的阴影，将某个方向的边缘部分涂成主体色，其他边缘还是特征色；处于中间且面积占符号总面积的比例小于一定阈值的Patch涂成特征色；
第四种策略：将策略二和策略三结合，是二者的叠加。
进一步地，步骤2)采用基于屏幕贡献率的层次选择算法实现层次切换，设物体的有向包围盒在渲染屏幕上的投影面积为S，通过基于编码的区域积分方法计算有向面积并取其绝对值可以得到S，设渲染屏幕的面积为S0，定义所述屏幕贡献率为：以r为依据，设定模型各个层次LOD之间的切换值。
进一步地，步骤2)采用基于滞后的LOD选取技术，使层次切换值是一个围绕ri且具有上下限的条带区域，当r增大时使用条带上限作为切换值，而r减小时使用条带下限作为切换值，以避免某物体的屏幕贡献率r反复围绕某一个切换值ri变化时，画面上该物体频繁出现层次切换带来的跳变情况。
进一步地，步骤2)采用Morph方法实现由三维模型无缝过渡到二维符号，包含两个阶段：第一个阶段从最粗糙层次的三维模型无缝过渡到扁平化的三维模型并以公告牌形式呈现；第二个阶段从公告牌无缝过渡到预先生成的二维地图符号；在两个阶段之间更换多边形网格，即将扁平化的三维模型换成在三维模型在扁平化方向上的投影作为纹理贴图的公告牌。
第一阶段的模型扁平化的过渡，为了与第二阶段的公告牌及二维地图符号对齐，选择模型特征最显著表面为基准面构建模型的三维长方体包围盒，根据基准面的上下左右边缘为包围盒的长l和宽w，包围盒的高或者深度为d＝d0，随着视点的拉远d以线性或者非线性函数关系变化逐步趋近于0，包围盒内的的模型在深度方向随之一起被压扁，最终呈现为Billboard形式。
第二阶段中设该方法的目标是将Billboard源图像，标记为IS，无缝过渡到二维地图符号，标记为目标图像IT，其中源图像IS的控制点用源多边形网格MS来标记，目标图像IT相应的控制点用目标多边形网格MT来标记，源多边形网格和目标多边形网格满足两个限制条件：1)拓扑结构相同；2)不能自交。该Morph方法的步骤包括：
a)标记源图像或图形和目标图像或图形中相应的特征，两个网格中相同位置的顶点对应 图像上的特征一致；
b)规定从源图像要经过多少帧过渡到目标图像，进行源图形与目标图形之间的插值，包括多边形网格中各个顶点的插值和颜色的插值；
c)在三维模型到二维地图符号无缝过渡的过程中，实现Billboard公告牌角度、颜色和大小的无缝过渡；所述公告牌角度的无缝过渡是指随着摄像机视角的变化，公告牌所表示的地表建筑物实体始终朝着摄像机；所述颜色的无缝过渡是指通过Blend方式把公告牌的光照产生的色彩逐步通过α比例混合变化到二维地图符号的颜色；所述公告牌大小的无缝过渡是指公告牌根据离摄像机的距离自动缩放以调整大小，保持其在成像平面上的投影大小维持不变。
面向智慧城市应用的三维地理信息系统中的核心要素是城市建筑及其群落，本发明以三维地理信息系统中城市三维建筑模型场景为研究对象，能够根据三维建筑物模型自动生成并过渡到一个保留了三维模型主要特征且丢弃细节的抽象二维地图符号。在摄像机由近至远漫游和观察的三维地理信息的可视化过程中，三维建筑场景首先产生层次细节的变化，简化到达一定程度时通过Morph技术无缝过渡到形态最简化的Billboard(公告牌)，并最终过渡到地图学中的二维地图符号，摄像机由远至近的漫游过程则变化过程相反。随着摄像机视角的变化，公告牌所表示的地物实体始终朝着摄像机，其性能比使用层次细节技术更高，其可视化效果更符合三维地理信息系统的对于地理信息符号标注和显示的需求。通过实验和对比验证了本发明提出的方法的有效性，由于兼顾了地理信息可视化的具象和抽象特性，在三维地理信息系统中具有更好的易读性和性能上的优势。
附图说明
图1为天坛模型经过简化获得6级LOD示意图。
图2为包围盒投影到屏幕时的三种情况即分别包含1，2，3个可见面的示意图。
图3为包围盒的顶点编号以及6个面的名称定义示意图。
图4为利用围线积分方法计算面积的示意图。
图5为基于滞后的LOD选取技术示意图。
图6为house模型经过两步Patch划分并涂色后的结果示意图。
图7为从三维建筑模型到二维地图符号的无缝过渡过程分为两个阶段的示意图。
图8A为实验用的两个模型RIDEAU和TownHouse的示意图。
图8B为两个模型RIDEAU和TownHouse正面的投影图。
图8C为两个模型RIDEAU和TownHouse投影生成的深度图。
图8D为两个模型RIDEAU和TownHouse根据法向量划分Patch的结果图。
图8E为TownHouse模型第一次Patch划分和第二次Patch划分的结果图。
图8F为对RIDEAU模型应用四种生成二维符号策略的结果图。
图8G为对TownHouse模型应用四种生成二维符号策略的结果图。
图9A～图9D为建筑物模型RIDEAU在三种渲染方式和不同的观察方向和与视点距离下易识别性的对比效果图。
图10A～图10D为建筑物模型TownHouse在三种渲染方式和不同的观察方向和与视点距离下易识别性的对比效果图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
1.难点和基本思路
信息过载和视觉混乱是采用图形和虚拟现实方法进行地理信息系统中大规模三维城市场景可视化中常遇到的一个认知方面的问题。在大规模三维城市场景中，由于存在有着大量视觉细节的建筑物的三维模型，给用户传递的视觉信息过于丰富，导致用户出现认知方面的困难(如在关注某个区域时，注意力总是被该区域周围的其他建筑物干扰)。目前关于这个问题，一般采用Focus+Context Visualization策略，这是一类突出显示用户关注区域中的内容而弱化用户关注区域周围内容的可视化方法(InfoVis:Wiki.Focus-plus-Context[EB/OL].Available from:http://www.infovis-wiki.net/index.php/Focus-plus-Context.2013-04-10.)。
关于大规模三维地理信息城市场景中出现的信息过载和视觉混乱问题，Pan等人提出了在一个场景中混合使用多种不同渲染风格的方法来解决(Bin Pan,Yong Zhao,Xiaoming Guo,Xiang Chen,Wei Chen,Qunsheng Peng.Perception-motivated visualization for 3D city scenes[J].The Visual Computer 29(4):277-286(2013))，Semmo等人提出了根据距离摄像机的远近，对三维场景中的物体选择不同的抽象层次的方法(Amir Semmo,Matthias Trapp,Jan Eric Kyprianidis,JürgenInteractive Visualization of Generalized Virtual 3D City Models using Level-of-Abstraction Transitions[J].Computer Graphics Forum,vol.31,no.3,pp.885–894,2012.)。
本发明提出了一种面向广泛的三维GIS应用及虚拟现实应用的三维虚拟现实系统与地理信息系统的无缝可视化一体化方法，这其中又包含了从三维模型自动生成二维地图符号的方法以及从三维场景模型到二维地图符号的无缝可视化过渡方法。在摄像机由近至远漫游和观 察的三维地理场景的可视化过程中，三维模型首先采用基于屏幕贡献率的多分辨率技术产生依据视点远近的层次细节变化，简化到达一定程度时基于Morph技术无缝过渡到形态最简化的Billboard(公告牌)，随着摄像机视角的变化，公告牌所表示的地物实体始终朝着摄像机，并最终无缝过渡到地图学规范表示的二维地图符号。摄像机由远至近的漫游过程则变化过程相反。本发明使得具有抽象含义的二维地图符号和具象含义的三维地理场景模型具有统一的数据表示并在完整的可视化过程中自如地过渡切换，消除了地理信息可视化过程中可能出现的信息过载、混淆、错乱、脱节等问题，满足用户对于地理信息多维度多形态的综合感知和认知。
2.相关工作
本发明的研究内容中有一点是根据三维模型自动生成二维符号，关于二维地图符号应该满足什么样的设计原则，有很多文献对此作了阐述。下面列举一些比较有代表性的设计原则：
符号应具有概括力和表现力；符号应有独立性和一定的系统性；符号应有定位和量度中心；符号要简明、图案化；符号的大小要适当。地图符号应满足图案化、象征性、简洁性、系统性、可行性。
图案化指地图符号应该从符号所表达的具体对象的形象来构成符号，对形象素材进行高度概括，去其枝叶成分，把最基本的特征表现出来。象征性指地图符号要尽可能的保留甚至夸张地物的形象特征，让用户看到符号马上就可以联想到地物本身。简洁性指地图符号必须做到简洁、明了，这样才能保证其清晰性和简洁性。系统性指地图符号要反映出其所表示地物的重要关系、协调关系、分类分级的层次关系等。可行性针对三维符号来说，指三维符号中的多边形不能太多，要考虑到图形显示中的计算量和系统性能。地图符号设计应满足图案化、象征性、清晰性、系统性和使用适应性。
图案化指地图符号应该是比较简单，却又是抽象了地物最重要特征的规则化图形，应该对其所表现的的地物进行整理、夸张和变形。包括以下基本原则：a)对形象素材进行高度概括，去其枝叶成分，把最基本的特征表现出来，成为比较简略的图形。b)图形应尽可能地规格化。
象征性强调地图符号与其所表示地物之间的相似性与自然联系，利用人们看到符号产生联想的心理活动自然地引向对事物的理解。
清晰性包含以下几点：a)简单性：符号结构形状不宜过分复杂，应用尽可能简单的图像表现尽可能丰富的信息。b)对比度：要有适当的对比度。具有较大明度、颜色对比强的符号适合需要突出表现的内容。c)紧凑性：构成符号的元素应尽量向其中心聚集，形成整体感。
系统性指地图符号要与其所指代对象的性质和地位相适应，从而在符号上表现出地图内 容的分类、分级、主次、虚实等关系。
使用适应性指地图符号的风格要适应不同的地图类型和用户群体。比如活泼、颜色明快的地图符号多用于儿童地图，而生动形象的地图符号一般用于旅游地图。
3.本发明方案的实施步骤
3.1步骤一：基于屏幕贡献率的多分辨率模型生成
3.1.1多分辨率技术概述
三维场景中许多的模型都有非常精致的局部细节，当模型距离视点较远时，容易出现大量像素贡献率非常低的图元，即出现许多模型面片都被映射到同一个像素点的情形，这无疑造成了渲染资源的极大浪费，多分辨率技术，也即层次细节技术(Level of Detail，LOD)即是解决此问题的重要手段之一。
LOD技术是指同一个形态的模型在多种分辨率下拥有不同的细节表示层次。该技术又可以分为静态和动态两种方式，视不同的应用背景而定。
静态LOD技术预先计算各种分辨率层次下的近似模型，这些模型按细节细致程度顺序排列，呈现一个从简单到精致的离散渐变的过程，所以静态LOD也被称为离散LOD技术。该方法的优点在于：工作在预处理阶段完成，运行时几乎没有时间消耗，同时可以很好的利用显示列表，而缺点在于随着视点逐渐靠近模型的过程中，会出现跳变情况。
对于动态LOD，又包括Progressive LOD和Continuous LOD(Massive model visualization techniques:course notes,International Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques,ACM SIGGRAPH 2008 classes,Los Angeles,California,USA)，PLOD是由一个粗糙模型和一系列的逆向加细变换(边的分裂)构成，通过分裂边，模型产生中间过渡级别的分辨率模型。算法的好处是：极大的减轻模型显示的跳变感觉，缺点在于速度相对较慢，而且更重要的是对于一个复杂模型，横跨很大的空间，即模型本身各个部分到视点的距离变化很大的情况时，该方法不能适用。CLOD则是在PLOD基础上的进一步改进，模型的不同部分可以有不同的精细程度表示，较为经典的方法是多分辨率三角化算法(Multi-Triangulation)(Leila De Floriani,Paola Magillo,Enrico Puppo,Efficient implementation of multi-triangulations,Proceedings of the conference on Visualization'98,pp.43-50,October 18-23,1998,Research Triangle Park,North Carolina,United States)，该方法将逐步加细策略描述成有向无环图(Directed Acyclic Graph)的偏序结构，每个节点代表一个局部区域的细化方式，该文章指出，通过操作DAG的割集就可以得到各个局部有不同精细度的网格，然而这种方法计算量巨大，尤其是实时渲染过程中对精细层次的选择，是整个流程的瓶颈，由于同种类的不同模型各自需要维护一个实时的三角面片集合，使得CPU的计算负荷较大，同时受制于CPU与GPU通 信带宽，实时绘制效率受到约束。
3.1.2实现方法
a)模型简化与离散细节层次生成
LOD技术是实现大规模三维复杂场景显示不可或缺的一环。由于目前场景中，模型总类繁多，摆放数量巨大，单一复杂模型空间跨度有限。针对系统的这一特点，配合地形的分辨率，本发明既采用基于静态离散LOD的方法，同时利用模型显示列表来提高绘制效率，也可以采用动态LOD方法，在三维模型的漫游浏览过程中进行模型的动态简化和细化，从而形成模型的多个层次和分辨率的表示。考虑到三维地理信息系统和虚拟现实系统实时性的要求，本发明在实际的系统实现时采用的是静态LOD的方法。
对于原始精细模型，本发明采用模型简化算法，得到不同分辨率要求下的简化模型，层次数目主要以初始模型的精细程度为依据，同时兼顾模型本身对于系统的重要程度，比如大型复杂建筑物(天坛模型等)，将使用较多级的层次表示。如图1所示，为天坛模型6级LOD示意图，最精细层面片数量：139285，最简化层面片数量2631，每一级包含的面片数约为上一级更精细层的一半，而对于花草树木模型，只需建立较少的层次结构，即可满足要求。
b)基于屏幕贡献率的细节层次选择
i.层次切换的依据
给定一个物体在不同精细程度下的多分辨率模型表示之后，往往需要一个选择受益函数来决定系统运行时究竟该采用哪一层次分辨率的模型进行绘制，即根据当前视点和物体的空间位置关系来进行度量。在三维地理信息系统中，相机可以从地球外太空一直切换到地表建筑物的附近，空间尺度变化巨大，而且相同的位移操作，在不同的地表高度所导致的绝对距离变化也不同。因此，完全基于距离的度量方法显得有较大的随意性，难于估算模型不同层次切换的临界值，而且不同的模型，大小、重要程度均不一样，需要反复系统测试才能确定当前模型的各级切换值，增加了后期维护的困难。有鉴于此，本发明的系统采用了基于屏幕贡献率的层次选择算法，算法采用更合理的依赖于物体在屏幕上的近似投影面积。
ii.基于屏幕贡献率的层次选择算法
本发明使用物体的有向包围盒(Oriented Bounding Box)，作为物体投影计算的近似，由于场景中模型数量巨大，如何快速计算包围盒的投影面积以满足实时绘制的要求是算法实现的重点和难点。本发明的层次选择快速算法如下。
首先，按照可见面的数目，将包围盒在屏幕的投影分成以下3种情况，如图2所示，(a)图所示为情况1：一个面可见，2D多边形包括4个可见顶点；(b)图所示为情况2：2个面可见，2D多边形包括6个可见顶点；(c)图所示为情况3：3个面可见，2D多边形包括7个可 见顶点。
包围盒的6个平面把3维空间划分成了27区域，那么只要根据视点位置，计算出它所在的区域，就可以判断包围盒在屏幕投影的情况。给包围盒的顶点进行编号，并规定6个面的名称，如图3所示：
其次，建立一种从视点所在区域到2D多边形顶点标号顺序(顺时针)的映射，如图所示情形，标号顺序为：0，3，7，6，2，1，可见面为前面和顶面。对场景中的所有包围盒，每一帧实时计算这个序列是非常低效的，为此引入查找表技术，将事先计算好的顶点序列存于此表中，根据视点所在区域的编码进行快速查找。定义包围盒的外侧为平面正侧(用1表示)，内侧为平面负侧(用0表示)，设计区域编码方法如表1所示：
表1.区域编码
Bit位 5 4 3 2 1 0
代表面 后 前 顶 底 右 左
如：000000代表包围盒的内部区域，理论上编码存在26＝64种组合，实际上存在一些无效情况，如：第0，1位均为1(表明视点同时在左侧和右侧平面的外侧)的情形，所以需要约束条件以排除这些情况，具体描述是：第2n位与第2n+1位不可以同时为1，这里n＝0,1,2。
使用向量运算来确定视点所在区域，设视点位置为P，若向量与向量的点乘运算<0，即夹角小于90°，则P在底面的负侧；反之，P在底面的正侧(把P在平面上的情况归类于在平面的正侧)，以此类推其他6个面，将计算出的区域编码所对应的十进制数值作为索引，则可得到区域编码与顶点序列的映射关系表。特别的，当视点在包围盒内的情况，设定此时num值为-1，作为特殊情况标记，表示直接使用最精细层的LOD模型进行渲染，其他情况，当num值为0时，表示是无效情况，直接抛出异常，否则读取索引序列。
由于投影多边形是封闭图形，且索引序列按照顶点顺时针顺序环绕一圈，所以可以使用围线积分(Contour Integral)的方法，如图4所示，计算有向面积之和，其绝对值就是最终投影多边形的面积S。
设渲染屏幕的面积为S0，定义屏幕贡献率：以r为依据，设定LOD各层次的切换临界值。
系统运行时，如果某物体的屏幕贡献率r反复围绕某一个切换值ri变化，则画面上，该物体会频繁出现层次切换带来的跳变情况，给用户很突兀的感觉，为了避免这种现象，采用 基于滞后的LOD选取技术(King,Yossarian,Never Let’Em See You Pop—Issues in Geometric Level of Detail Selection,in Mark DeLoura,ed.,Game Programming Gems,Charles River Media,pp.432-438,2000)，具体做法是，层次切换值不再单一，而是一个围绕ri，定义具有上下限的条带区域[ri]，如图5所示的灰色条带区域，当r增大时，使用条带上限ri](即该条带区域的最大值)作为切换临界值，而r减小时，使用条带下限[ri(即该条带区域的最小值)作为切换临界值。
本发明将物体的各级模型文件的信息，以及层次切换值，条带范围统一在其相应的XML文件中进行描述。
3.2步骤二：从三维模型自动生成二维地图符号
3.2.1问题分析
根据三维模型自动生成对应的二维地图符号。生成的二维符号要满足地图符号设计的原则，即首先符号要与其所指代的地物相似，让人容易辨认，其次符号要夸张其所指代的地物的主要特征，去掉枝叶特征，第三符号要简洁、清晰。
为了让符号容易辨认，生成的二维地图符号要反映其对应的三维模型的主要特征，尤其是二维地图符号的边缘轮廓要和三维模型最易识别的面的轮廓一致或相似，内部的一些主要的特征也要反映出来。
为了夸张其所指代的地物的主要特征，去掉枝叶特征，需要设计一套各个特征是否是主要特征的判别标准，最好这个标准有一些可以调节的参数，便于实验。为了使符号简洁、清晰，本发明选择二色符号风格。
3.2.2约束条件
由于最后生成的二维地图符号要应用于三维地理信息系统中，要满足能从相应的三维模型无缝过渡到二维地图符号的条件，具有以下的约束：
第一条约束：生成的二维地图符号要作为公告牌上的纹理贴图，所以二维地图符号应该绘制在一个2m×2n大小的方形缓冲区中(虽然目前比较新的图形软硬件对纹理贴图大小的限制放宽了，但考虑到一些低端的图形硬件设备和算法的方便性，仍考虑采用上述方形大小贴图)，而且除了地图符号区域，符号周边的区域应该是透明的。
第二条约束，为了保证过渡是无缝的，三维模型和二维地图符号上相应的网格特征位置应该一一对应。为此，本发明以三维模型所有可见面扁平化后组成的网格为基础，以三角形面片为最小操作单位来生成相应的二维地图符号。
3.2.3实施步骤
步骤1：三维模型信息处理
先从三维模型中提取所需要的原始信息。三角形网格(或者多边形网格)和网格表面纹理贴图表示的三维模型，可以获得的信息有：模型的颜色信息(根据纹理贴图和材质等获取)、模型的可见面的三角形(或多边形)网格的信息、模型的深度信息、模型各个三角形(多边形)面片的法线信息等。根据由三角形或者多边形网格和纹理贴图表示的三维模型提取上述可视化所需要的基础属性信息。
本发明为了叙述方便，后面的方法均用三角形网格作为本发明的实现实例，但是所有三角形网格所采用的本发明的方法均可以推广到多边形网格中，因此本发明所针对的模型并不仅仅针对三角形网格。算法中用几个在尺寸上等大，且互相之间有映射关系的缓冲区分别存储这些信息。为了满足各个缓冲区都是2m×2n大小，且考虑不同大小的纹理贴图能展现的细节丰富程度，实现中选取m＝n＝10，即1024×1024大小的缓冲区。
子步骤1：三维模型多个网格部件的合并
网格或者多边形网格是用一系列顶点及其具有拓扑连接的关系所形成的边和面来表示的一个多边形物体。在建模过程中，为了方便对复杂物体的处理，通常一个复杂物体的模型会用若干个简单的网格部件组合而成，且三维模型中每个网格部件具有一种材质属性。由于大多数复杂模型具有若干种材质，所以可以根据材质将一个复杂物体的模型分成若干个部分。
一个三维模型由若干个网格部件组成，假设网格部件数量为mcount，则一个三维模型M＝{(Vi,Ti)|0≤i＜mcount}。
为了便于算法的实现，需要先将一个三维模型中所有的顶点集合和三角形面片信息集合合并成Vm和Tm两个集合。其中，由于每个网格的三角形面片信息集合中的顶点序号都是从0开始编号的，所以Tm的内容不能通过简单合并Ti实现。建立一个辅助用的数据结构VertexCount，并为所有添加到Tm中的顶点序号重新编号。所有网格数据均来自合并产生的Vm和Tm。然后计算得到三维模型的OBB包围盒及包围盒的中心点坐标C0。
子步骤2：选取三维模型特征最明显表面进行投影
为满足无缝过渡过程的需求，选择将三维模型特征最明显表面的投影作为公告牌的纹理贴图，所以需要计算上述特征最明显表面的投影。
关于如何选取三维模型中特征最明显表面以便于生成地图符号的问题，由于对于不同类型的地图符号，其相应生成规则不同，而且这属于认知领域的问题，本发明选择三维建筑模型的正面作为特征最明显表面，因为人们往往对建筑物的正面一般印象更深。
由于该投影用于在过渡过程中替换被逐渐扁平化的三维模型，所以不能直接截取三维模 型的前视图，直接截取的前视图会受到光照计算的影响，与扁平化后的效果不一致。所以在截图前，先将模型扁平化。扁平化的结果为了与第二阶段的公告牌及二维地图符号的对齐，选择模型特征最显著表面为基准面构建模型的三维长方体包围盒，根据基准面的上下左右边缘为包围盒的长l和宽w，包围盒的高或者深度为d＝d0。在扁平化过程中，d以线性或者非线性函数关系变化逐步趋近于0，包围盒内的的模型在深度方向随之一起被压扁。为了使得从模型逐渐过渡到公告牌的过程中，光照效果保持一致，在进行投影时，将方向光源调整成垂直于投影面，使得投影成像之后亮度最大。之后在过渡过程中用着色语言计算实时光照，调整其亮度。
对于扁平化后的模型，其投影窗口调整为指定的大小(如1024×1024)，以其包围盒的长和宽中较长的为基准，使其占满整个窗口，同时使模型中心点C0在屏幕中居中出现。投影窗口首先背景初始化为白色且透明度值α＝0(即完全透明)，然后绘制该模型于帧缓冲区中，则绘制完成后模型投影所生成的代表符号的像素的透明度值α＝1，而在符号周围区域的透明度α值依然为0。通过相应的API将帧缓冲中所存的图像的RGBA值保存成一个图像文件。
子步骤3：生成三维模型可见面的深度图
获取三维模型的深度信息：一是为了在判断三维模型特征的时候使用，二是通过深度测试选出所有可见的面。
由于最后生成的二维地图符号只与三维模型中可见的面有关，所以先将所有可见面提取出来。但由于各个三角形面片之间可能有遮挡关系，这给判断一个三角形面片是否是可见面增加了复杂性。于是可以先通过法向量提取出所有朝向摄像机的面片，然后通过绘制深度图，进行深度测试，来保留下所有可见面。
为了绘制的效率，通过背向面剔除掉背向的面，只绘制前向的面。本发明采用逆时针绕序，即如果一个三角形面片三个顶点数据的顺序是呈逆时针旋转的，则该三角形面片为前向的面。在绘制三维场景时，往往用一张和窗口同样大小的深度缓冲区Z-Buffer来记录每个像素的位置最靠前的三角形的深度值和颜色值。在本发明中，通过Z-Buffer进行排序的算法中最后的颜色值替换成三角形面片的编号，也就是形成了一个三角形编号缓冲区。经过对所有前向面进行处理后，三角形光栅化的过程中一边进行深度测试，一边记录面片的编号，在最终三角形编号缓冲区中出现的编号所对用的三角形面片就是可见面，其他的为不可见面。
在算法实现中，设置两个尺寸等大的缓冲区，深度缓存DepthBuffer(即Z-Buffer)和三角形编号索引缓存TriangleIndexBuffer，遍历前向三角形面片列表Tmfront时，一边将每个像素的灰度信息写入深度缓冲去DepthBuffer，一边将该像素所属三角形面片的编号写入三角形编号索引缓冲区TriangleIndexBuffer。得到DepthBuffer和TriangleIndexBuffer后，遍历 TriangleIndexBuffer，将所有存在于TriangleIndexBuffer中的三角形加入可见三角形面片集合Tmvisible。
子步骤4：计算可见三角形面片的邻接关系并分片(Patch)
本发明把法向量相同或者相近，且邻接的多个三角形面片划分为patch，以patch为最小单元进行后续操作和计算。
所谓两个三角形ta和tb邻接，是指这两个三角形有两个公共顶点vi、vj，并共享一条边eij。目前可用的信息为可见面片集合Tmvisible，其中的信息为各个三角形面片的三个顶点在顶点集合Vm中的下标。为了判断两个三角形面片是否邻接，采用判断两个三角形是否共享一条边的方法来判断，定义了边类Edge和三角形类Triangle。
Patch指代多边形网格中由若干邻接且法向量相同的三角形面片组成的网格片段。本发明提出的算法将Patch划分分为两步，第一步根据法向量是否相同或者相近将所有三角形面片划分成若干集合，第二步再根据三角形的邻接关系将之前根据法向量划分的几何进行细分。
在第一步中，需要根据各个可视三角形面片的法向量将其分组，由于法向量是用三个浮点数x,y,z表示的，浮点数直接进行比较会有误差，而且即使两个三角形面片法向量相同，也可能由于浮点数的误差导致被分到不同的组里。为了处理这个问题，将法向量各个分量取小数点后n位有效数字，然后将其乘以10n或者其他放大数值以变成整数，然后将x,y,z三个分量的整数拼接成一个无符号长整数进行比较。
以上代码段为本算法为对法向量进行比较定义的Normal类，其中x，y，z三个分量的精度取到小数点后一位。
为了方便根据法向量对所有可视三角形面片进行分组，本算法以字典结构来保存分组结果，记为Dictionarybigpatch，字典的键为Normal对象，值为法向量相同的三角形面片编号列表。遍历可视三角形面片集合Tmvisible，在遍历时计算每个三角形面片ti的法向量并将其单位化然后用单位法向量生成Normal对象normali，判断Dictionarybigpatch中是否已存在该键，如果存在，就将这个三角形编号加入该键对应的三角形编号列表中，否则在字典中新增这一项。
在第二步，对保存在Dictionarybigpatch中的根据法向量划分好的patch根据其邻接关系进行进一步细分，将其结果保存在字典Dictionarysmallpatch中。也就是只有法向相同或者相近，且彼此相邻接的面片会划分入相同的patch中。
随着法向量精度的降低，最后划分出的patch数量也越少，由于本算法的目的是为了在生成的二维地图符号中保留三维模型的主要特征，次要特征可以丢弃，而且patch数划分的多了，对于比较复杂的模型，最后的划分结果全是一些面积比较小，比较琐碎的块，不利于地理信息的表达。所以本算法选择只将法向量的有效位数保留到小数点后一位。图6是对 house模型进行两步patch划分并涂色后的结果：左边的(a)图是根据法向量是否相同进行的第一步Patch划分，右边的(b)图是在左边的基础上，根据三角形面片是否邻接进行的第二次Patch划分。
Patch划分完之后，为了生成二维地图符号，需要将Patch划分的信息保存在一张与深度图DepthBuffer和三角形编号缓冲区TriangleIndexBuffer等大的一个缓冲区中，命名为PatchIndexBuffer，里面每个元素pibi,j为TriangleIndexBuffer中对应元素tibi,j所属Patch编号。如果tibi,j为-1，即该像素不属于任何一个三角形面片(为符号周围的空白区域)，则pibi,j也为-1。
子步骤5：计算Patch的邻接关系
以Patch作为基本的操作单元来生成三维模型对应的二维地图符号，需要根据Patch的拓扑结构决定在最后的二维地图符号中各个Patch的取舍，所以需要计算出各个Patch之间的邻接关系。不同于三角形面片在三维空间中的邻接关系，Patch之间的邻接关系是指在最后生成的二维符号所在的二维平面空间中的邻接关系。从三维图形空间到二维图像空间的变化过程中，一些原来在三维空间不邻接的三角形面片在二维空间中产生了邻接。因此，Patch之间的邻接关系不能直接通过三角形的邻接关系来计算，而是在图像空间中根据不同Patch所含像素之间的关系来计算。遍历PatchIndexBuffer，对其中每个元素与上下左右四个元素进行比较，当两个相邻元素的Patch编号不同时，认为这两个编号的Patch邻接，将这两个编号分别加入到这两个Patch的邻接Patch列表里。
由于二维地图符号要保留三维模型一些比较重要的特征，比如轮廓，所以需要在计算Patch的邻接关系时，顺便标记出哪些Patch是边缘的Patch(即与编号为-1的Patch邻接)。
步骤2：自动生成二维地图符号
根据三维模型自动生成对应的二维地图符号的算法最后生成的符号是一张二色的位图(主体部分采用蓝色，一些要突出表现的特征采用白色)，所以本步骤为对划分好的Patch进行取舍和染色，即根据Patch的位置及与其他Patch的邻接关系，决定这些Patch最终索要染的颜色。染色方案一般选择两种颜色，分别代表建筑表面主体颜色和醒目的特征色。
本发明提出了四种策略对Patch进行取舍和染色，从而生成地图符号。
第一种策略：考虑到人类的视觉皮层对轮廓特征比较敏感，该策略将所有Patch划分成两类：处于边缘的Patch和处于内部的Patch；处于边缘的Patch涂成醒目的特征色(如蓝色或者红色等)，处于内部的Patch涂成与建筑表面主体颜色相近的主体色(如白色或者灰色)；
第二种策略：一般在建筑物的模型中，门窗部分的三角形面片和其周围的边框部分的三角形面片是有明显的区别的，所以一般会属于不同的Patch，而门窗的Patch一般都会被边框 的Patch整个包围住。所以，该策略将所有不在边缘且邻接Patch数量为1的Patch涂成主体色，其他所有Patch涂成特征色；
第三种策略：如果采用第二种策略，对于没有门窗类Patch的模型来说，最后生成的符号整体都是蓝色，内部的特征没有表现出来。为了表现内部的一些特征，在给一个Patch涂色的时候，将边缘部分涂成白色，为了获得较好的视觉效果，可以模拟方向光照导致的阴影，将某个方向的边缘部分涂成白色，其他边缘还是蓝色。
然而，该策略并不是对所有Patch都采用这种方法涂色，因为这样会导致最后生成的二维符号中包含过多的细节。该策略将所有Patch分成三类：处于边缘的Patch一律涂成特征色；处于中间且面积占符号总面积的比例大于一定阈值的Patch，将边缘部分涂成主体色，或者模拟方向光照导致的阴影，将某个方向的边缘部分涂成主体色，其他边缘还是特征色；处于中间且面积占符号总面积的比例小于一定阈值的Patch涂成特征色；这样可以将内部的一些主要特征显现出来，过于细枝末节的特征被忽略掉。
该策略可以用三个参数进行调节，一个是阈值，命名为区域面积大小areaThreshold，另外两个是红色色块与蓝色边框在X轴和Y轴上的偏移量，命名为xOffset和yOffset，以像素为单位。由于不同的模型划分完Patch后，各个Patch的面积占符号总面积的比例的分布千差万别，所以不能简单选取一个固定的阈值。阈值的选取要根据各Patch的面积的分布情况来选取。本发明提出的算法选择将所有Patch的面积占符号总面积的比例按升序排序，然后选取其中位数作为阈值，这样基本能保证比较大的Patch的轮廓可以被勾勒出来，而比较小的细节不会显现。
第四种策略：第三种策略生成的符号中，内部特征都是以较细的边缘表示的，符号视觉效果不太明显，该策略将策略二和策略三结合，是二者效果的叠加。
3.3步骤三：从三维地理场景到二维地图符号的可视化无缝过渡
3.3.1基本思路
本发明提出的算法分两部分：根据三维模型自动生成二维地图符号和从三维地理场景到二维地图符号的可视化无缝过渡，其中，第一部分的输出作为第二部分的输入。
三维模型到地图符号形态的无缝过渡分两个阶段(表2中的阶段II和阶段III)：第一个阶段，从最粗糙层次的三维模型无缝过渡到扁平化的模型符号。第一阶段的模型扁平化的过渡，为了与第二阶段的公告牌及二维地图符号的对齐，选择模型特征最显著表面为基准面构建模型的三维长方体包围盒，根据基准面的上下左右边缘为包围盒的长l和宽w，包围盒的高或者深度为d＝d0，随着视点的拉远d以线性或者非线性函数关系变化逐步趋近于0，包围盒内的的模型在深度方向随之一起被压扁，最终呈现为Billboard形式。
第二个阶段：从扁平化的模型符号的billboard形式无缝过渡到预先生成的二维地图符号。这几个阶段的切换受摄像机离目标对象的距离控制，可以将摄像机距离目标对象的距离D作为一个控制地图符号形态变化的参数。
表2.从三维模型到二维地图符号无缝过渡的各个阶段
该步骤包括以下几点：第一，在三维地理场景的可视化过程中，随着摄像机与三维模型的距离从近到远，三维模型无缝地过渡到二维符号。第二，由于二维符号是以公告牌的形式显示的，而公告牌要保证时刻朝向摄像机，为了在三维符号过渡到二维符号的过程中保持整个动画过程是平滑的，所以需要在镜头远近发生变化时，同时根据镜头与三维符号所成的角度计算三维符号的实时朝向。
对于第二阶段从billboard形式无缝过渡到预先生成的二维地图符号这个过程，采用下述Morph方法来实现。要进行Morph的场景的三维模型是用三角形网格表示的，最后表示二维符号的公告牌也是三角形网格，morph方法由下述过程组成。
将Billboard源图像，标记为IS，无缝过渡到二维地图符号，标记为目标图像IT，其中源图像IS的控制点用源多边形网格MS来标记，目标图像IT相应的控制点用目标多边形网格MT来标记，源多边形网格和目标多边形网格满足两个限制条件：拓扑结构相同，不能自交；该方法目标为将源图像IS无缝过渡到目标图像IT，Morph方法的步骤包括：
步骤1：源多边形网格和目标多边形网格中的控制点一般位于模型或者图像等关键的特征处，将源图像或图形和目标图像或图形中相应的特征标记出来(Feature Specification)，而且两个网格中相同位置的顶点对应图像上的特征必须一致。
步骤2：规定从源图像要经过多少帧过渡到目标图像，从而根据帧数目进行源图形与目标图形之间的插值，不仅包括多边形网格中各个顶点的插值，也包括颜色的插值。
两个阶段的无缝可视化过渡如图7所示。在两个阶段之间，更换多边形网格，即将扁平化的三维模型换成在三维模型在扁平化的方向上的投影作为纹理贴图的公告牌。这个替换过程用户分辨不出来，所以仍然保持了“无缝”过渡，且该方法解决了Warp Generation过程中 UV坐标系不统一导致的困难。
步骤3：平滑过渡的过程控制。
三维模型到二维地图符号无缝过渡的过程从时间上可以分为两个阶段：第一个阶段，从三维模型无缝过渡到扁平化的模型符号；第二个阶段，从扁平化模型符号无缝过渡到二维地图符号。从另一个角度看，根据变化过程中改变的属性不同，这个过渡过程又可以分为两个层面：第一个层面，是基本形态的变化；第二个层面，是地图符号随着摄像机的变化其角度发生的实时变化。角度的变化要考虑到当前状态和三维模型起始的朝向，以及摄像机角度的变化，从而进行插值。由于最后二维地图符号的显示方式是公告牌，地表建筑物模型billboard的形式需要实时根据摄像机的角度转动，始终保持正对摄像机。在表2中的阶段I，模型本身不需要转动，阶段III，公告牌的角度由摄像机的正方向决定即可，在阶段II比较复杂。
在阶段II中，逐渐扁平化的三维模型的朝向θ受摄像机与三维模型的位置之间的距离D约束：
第一，当摄像机与三维地表模型的位置之间的距离逐渐拉大到D＝d0时，设三维模型的朝向θ0为开始旋转方向；
第二，当摄像机与三维地表模型的位置之间的距离进一步拉大到D＝d1时，设公告牌的朝向θ1为旋转结束方向；
为了使过渡效果流畅，采取线性插值，在此过程中扁平化模型的朝向为θ＝(θ1-θ0)/(d1-d0)+θ0。但是θ1当前是不确定的，也跟摄像机角度有关，为了简化令θ1的值为当前正对摄像机的方向，这样，在阶段II中，三维模型的旋转会有一个延迟，但仍然保持无缝过渡。
公告牌颜色的无缝过渡是把公告牌的光照产生的色彩逐步通过α比例混合变化到二维地图符号的颜色，通过Alpha Blending实现。公告牌的光照采用Lambertion光照模型。二维地图符号中的点状符号一般不随地图放大缩小而变化，始终保持一个固定显示大小，而公告牌是一个三维模型，随着摄像机的拉近拉远，会出现随透视近大远小的现象。为了保证以公告牌形式显示的二维地图符号遵循地图符号的显示原则使其具有更好的易读性，则公告牌应该根据离摄像机的距离自动调整大小，保持其在成像平面上的投影大小维持不变。假设摄像机与公告牌距离为Dsymbol，在无缝过渡过程中公告牌刚出现时与摄像机距离为d1，公告牌缩放比例为scale，则：scale＝Dsymbol/d1。
公告牌放大的过程中会被地形及其他物体遮挡，为了保证公告牌总是可见，在绘制公告牌时，将深度测试条件改为ZTest Always，使得任何情况下，公告牌都会被完整的渲染。
图8A～图8G展示了两个模型RIDEAU和TownHouse应用四种生成二维符号策略的示意图。图8A为实验用的两个模型RIDEAU和TownHouse示意图。图8B为两个模型正面的投 影，作为公告牌的纹理贴图。图8C为投影生成的深度图，通过深度测试筛选出所有可见的三角形面片。图8D为根据法向量划分Patch的结果，其中法向量有效数字取到小数点后一位。上半部分为程序随机涂色的结果，下半部分是为了不同的Patch便于区分，手动将原来的颜色替换成对比度较高的颜色。图8E为TownHouse模型第一次Patch划分((a)图)和第二次Patch划分((b)图)的结果。图8F为对RIDEAU模型应用四种生成二维符号策略的结果。图8G为对TownHouse模型应用四种生成二维符号策略的结果。图8F、图8G的(a)、(b)、(c)、(d)图分别对应第一、二、三、四种策略。
综上所述，由于地图符号模型千差万别，且点状地图符号以建筑物为主，综合考虑各种因素，选择第四种策略，即策略二和策略三的结合，对各种模型都能达到一个相对较好的结果，本发明分别设计并实现上述四种策略，并确定在最后的系统中采用策略四。
3.3.2从三维地图符号向二维地图符号无缝过渡算法的实验结果
对于从三维地图符号无缝过渡到二维地图符号这个过程，从易识别性与性能两方面与全程使用三维模型和使用LOD技术两种情况进行对比分析。
对于易识别性，本文在场景中放置单个建筑物的模型，分别用三种方法可视化，从正面、侧面、背面、上面，不同的距离(近、中、远)分别对模型截图，以对比在各个角度三种渲染方法的易识别性。
图9A～图9D、图10A～10D展示了两个建筑物模型RIDEAU和TownHouse在三种渲染方式和不同的方向和距离下，易识别性的对比。该三种渲染方式分别为常规方式、LOD方式和本发明提出的方法。其中，图9A表示RIDEAU模型的正面，图9B表示RIDEAU模型的侧面，图9C表示RIDEAU模型的背面，图9D表示RIDEAU模型的上面；图10A表示TownHouse模型的正面，图10B表示TownHouse模型的侧面，图10C表示TownHouse模型的背面，图10D表示TownHouse模型的上面；每一面均包含近、中、远三种。
通过对比可见，本发明提出的方法除了非正面的近距离视点外，不论从其他任何角度和距离观察建筑物模型，都可以看到模型最易识别的面，而且保留的细节比LOD模型要丰富，易识别性总的来说比其他方法强。
表3列出了三种渲染方式的性能对比。可见本发明的方法由于要渲染的三角形面片数大大减少了，在帧率上比用LOD的方式和常规渲染方式要高。
表3.三种渲染方式的性能对比
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种三维虚拟现实系统与地理信息系统的无缝可视化方法，其步骤包括：
1)在预处理阶段，对三维地理信息系统中的各种三维模型采用模型简化技术构建静态层次多分辨率模型，或者不经过预处理阶段，而直接在后续的步骤中采用动态层次多分辨率建模技术；然后以某个满足视觉特征的层次细节的模型作为该层次多分辨率模型的最粗糙层，并以此层模型为基础自动生成地图学规范表示的二维地图符号；
2)在由大量三维建筑模型及其群落以及其他地表模型及其群落组成的三维地理场景的实时可视化阶段，在摄像机由近至远漫游和观察的过程中，首先采用层次选择技术使得三维地理场景中的三维模型依据摄像机距离远近的变化而产生多分辨率模型的层次细节由精细到粗糙直至最粗糙层的切换过渡；随着摄像机与三维模型的距离进一步拉大并到达一定程度时，通过Morph技术使三维地理场景的三维模型无缝过渡到公告牌，并最终无缝平滑过渡到步骤1)中预先生成的二维地图符号，公告牌和二维地图符号在可视化过程中始终正面向摄像机；
3)摄像机由远至近漫游三维地理场景时的可视化过程与上述摄像机由近至远的变化过程相反。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)以三维模型中的三角形或者多边形面片为最小操作单位，从三维模型自动生成相应的符合地图学规范二维地图符号，具体步骤包括：
a)根据由三角形或者多边形网格和纹理贴图表示的三维模型提取可视化所需要的基础属性信息；
b)对三维模型中多个网格表示的部件进行合并，将三维模型中所有分散的顶点集合和三角形或者多边形面片信息集合合并到顶点和面片两大集合中；
c)选取三维模型特征最显著表面对三维模型进行扁平化然后投影；，
d)生成三维模型可见面的深度图；
e)计算可见三角形或者多边形面片的邻接关系并分片，将法向量相同或者相近且邻接的多个三角形或者多边形面片划分为Patch；
f)计算Patch之间的邻接关系；
g)根据Patch的位置及邻接关系对Patch进行取舍和染色，生成三维模型对应的二维地图符号。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤g)采用下面四种策略中的一种对Patch进行取舍和染色；
第一种策略：将所有Patch划分成两类：处于边缘的Patch和处于内部的Patch；处于边缘的Patch涂成醒目的特征色，处于内部的Patch涂成与建筑表面主体颜色相近的主体色；
第二种策略：将所有不在边缘且邻接Patch数量为1的Patch涂成主体色，其他所有Patch涂成特征色；
第三种策略：将所有Patch分成三类：处于边缘的Patch一律涂成特征色；处于中间且面积占符号总面积的比例大于一定阈值的Patch，将边缘部分涂成主体色，或者模拟方向光照导致的阴影，将某个方向的边缘部分涂成主体色，其他边缘还是特征色；处于中间且面积占符号总面积的比例小于一定阈值的Patch涂成特征色；
第四种策略：将策略二和策略三结合，是二者的叠加。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)采用基于屏幕贡献率的层次选择算法实现层次切换，设物体的有向包围盒在渲染屏幕上的投影面积为S，通过基于编码的区域积分方法计算有向面积并取其绝对值可以得到S，设渲染屏幕的面积为S0，定义所述屏幕贡献率为：以r为依据，设定模型各个层次之间的切换值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：采用基于滞后的LOD选取技术，使层次切换值是一个围绕ri且具有上下限的条带区域，当r增大时使用条带上限作为切换值，而r减小时使用条带下限作为切换值，以避免某物体的屏幕贡献率r反复围绕某一个切换值ri变化时，画面上该物体频繁出现层次切换带来的跳变情况。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)采用Morph方法实现由三维模型无缝过渡到二维符号，包含两个阶段：第一个阶段从最粗糙层次的三维模型无缝过渡到扁平化的三维模型符号并以公告牌形式呈现；第二个阶段从公告牌无缝过渡到预先生成的二维地图符号；在两个阶段之间更换多边形网格，即将扁平化的三维模型换成在三维模型在扁平化方向上的投影作为纹理贴图的公告牌。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：对于步骤2)的第一阶段的模型扁平化的过渡，为了与第二阶段的公告牌及二维地图符号对齐，选择模型特征最显著表面为基准面构建模型的三维长方体包围盒，根据基准面的上下左右边缘为包围盒的长l和宽w，包围盒的高或者深度为d＝d0，随着视点的拉远d以线性或者非线性函数关系变化逐步趋近于0，包围盒内的的模型在深度方向随之一起被压扁，最终呈现为公告牌形式。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤2)的第二阶段中，设该方法的目标是将公告牌源图像IS无缝过渡到二维地图符号即目标图像IT，其中源图像IS的控制点用源多边形网格MS来标记，目标图像IT相应的控制点用目标多边形网格MT来标记，源多边形网格和目标多边形网格满足两个限制条件：一，拓扑结构相同；二，不能自交；该Morph方法的步骤包括：
a)标记源图像或图形和目标图像或图形中相应的特征，两个网格中相同位置的顶点对应图像上的特征一致；
b)规定从源图像要经过多少帧过渡到目标图像，从而根据帧数目进行源图形与目标图形之间的插值，包括多边形网格中各个顶点的插值和颜色的插值；
c)在三维模型到二维地图符号无缝过渡的过程中，实现公告牌角度、颜色和大小的无缝过渡；所述公告牌角度的无缝过渡是指随着摄像机视角的变化，公告牌所表示的地表建筑物实体始终朝着摄像机；所述颜色的无缝过渡是指通过Blend方式把公告牌的光照产生的色彩逐步通过α比例混合变化到二维地图符号的颜色；所述公告牌大小的无缝过渡是指公告牌根据离摄像机的距离自动缩放以调整大小，保持其在成像平面上的投影大小维持不变。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：对于所述公告牌角度的无缝过渡，在所述第二阶段，公告牌的角度由摄像机的正方向决定；在所述第一阶段，逐渐扁平化的三维模型的朝向θ受摄像机与三维模型的位置之间的距离D约束：
第一，当摄像机与三维地表模型的位置之间的距离逐渐拉大到D＝d0时，设三维模型的朝向θ0为开始旋转方向；
第二，当摄像机与三维地表模型的位置之间的距离进一步拉大到D＝d1时，设公告牌的朝向θ1为旋转结束方向；
为了使过渡效果流畅，在此过程中扁平化模型的朝向为θ＝(θ1-θ0)/(d1-d0)+θ0。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：对于所述公告牌大小的无缝过渡，假设摄像机与公告牌所处三维空间位置的距离为Dsymbol，在无缝过渡过程中公告牌刚出现时与摄像机距离为d1，公告牌缩放比例为scale，则：scale＝Dsymbol/d1。
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