CN104751505A - 基于lod模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LOD模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法，采用LOD模型对数据进行分层和分块处理以提高三维场景浏览的速度，首先，根据应用需求精度、可视化场景的大小以及地物的复杂程度及聚集程度，确定LOD建模的等级标准；进行数据分层；数据分块：小规模场景在漫游过程中作为一块来处理，当场景数据规模增大时，对场景数据作分块处理。本发明利用LOD模型来实现实时可视化，利用四叉树层次结构实现地理信息的显示、查询和分析，并把场景分割为多个子场景以保证三维场景在漫游时，显示区域的总数据量不会很大，实时浏览的速度流畅。

Description

基于LOD模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法

技术领域

本发明涉及三维场景建模技术，尤其涉及一种基于LOD模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法。

背景技术

复杂工业过程仿真系统在生产中得到了越来越广泛的应用，尤其像变电站这样对运行安全要求很高的行业。电力是现代生产的主要动力能源，随着现代工业对电力的依赖越来越强，供电的可靠性和安全性，供电质量的优劣直接影响工业生产的经济效益。而电力系统发展速度极快，需建立与之相适应的具有较高专业素质的专业技术人员和值班人员队伍。为此，有必要对岗位运行人员进行实践培训和专业培训，使在岗人员的技术素质以及处理事故的应变能力进一步提高。

随着新技术的应用，新一代电力系统的管理和保护装置已逐步取代旧设备。电力是工业生产的主要动力能源，在电力系统发展速度极快的情况下，急需建立与之相适应的具有较高专业素质的电力值班人员。实际的电力人员培训不但需要较高的成本，而且出现误操作时还会造成人员伤亡以及设备损坏的事故。因此，通过三维虚拟变电系统对变电值班人员进行专业的培训，缩短培训周期，减少培训费用，避免人员伤亡及设备损坏，并提高电力人员处理事故的应变能力等。

但是构建三维场景的模型是大量的，主要包括大量的地形数据、二维矢量图形、三维模型数据、属性数据和纹理数据，数据量一般是二维地图数量的几十倍甚至是上百倍，如何组织和管理海量数据时三维GIS的核心问题，它关系到三维模型的浏览速度。

发明内容

本发明的目的在于解决海量数据下三维模型的浏览速度，提供了一种基于LOD模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法，从而改善三维GIS系统中模型确实以及浏览不顺畅问题。

为解决以上问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于LOD模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法，采用LOD模型对数据进行分层和分块处理以提高三维场景浏览的速度，由以下步骤组成：

(1)首先，根据应用需求精度、可视化场景的大小以及地物的复杂程度及聚集程度，确定LOD建模的等级标准；

(2)数据分层：在进行数据存储和组织、图形与属性数据采集等之前必须确定三维GIS场景所涉及的所有数据的分层规则，属于同一类要素类型的地物归为一个图层，并且三维模型在场景中有可能出现重复性情况，在读取和传输时只需一次，显示时只绘制一次；

(3)数据分块：小规模场景在漫游过程中作为一块来处理，当场景数据规模增大时，对场景数据作分块处理，分块越大则扫描越粗糙，包括的顶点越多；反之，得到的裁剪后的顶点数接近于在视景体内的实际顶点数。

对步骤(3)的某一个图层中的对场景数据作分块处理及建立索引的过程为：

①将该层的全部模型数据加入到一个数据块中，计算该数据块的矩形范围框；

②设置数据块划分的粒度大小，用数据块中的对象个数或对象占用存储空间的大小为阈值；

③判断数据块中的对象是否在阈值之内，如果满足，以该数据块的范围框作为对象的空间索引；如果不是，以对象的中心位置将该数据块按四叉树继续划分成四块；

④对于四叉树的每一块，以块内所有对象的包围框重新计算数据块的范围框，并重复③，直到所有分块中的对象均满足②中的阈值条件。

本发明利用LOD模型来实现实时可视化，利用四叉树层次结构实现地理信息的显示、查询和分析，并把场景分割为多个子场景以保证三维场景在漫游时，显示区域的总数据量不会很大，实时浏览的速度流畅。

附图说明

图1是本发明实施例所述的基于LOD模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于LOD模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法，由以下步骤组成：

(1)首先，根据应用需求精度、可视化场景的大小以及地物的复杂程度及聚集程度，确定LOD建模的等级标准：LOD模型在几何结构上分离散LOD、连续LOD和多分辨率LOD，在进行场景建模时，由于地物景观丰富，选择建立多级LOD模型，若LOD层次多会导致频繁地读取不同细节层次模型数据，影响实时绘制的流畅性，LOD层次太少会导致不同等级切换有明显的突变现象。

(2)数据分层：在进行数据存储和组织、图形与属性数据采集等之前必须确定三维GIS场景所涉及的所有数据的分层规则，根据现实中，属于同一类要素类型的地物归为一个图层，并且三维模型在场景中有可能出现重复性情况，在读取和传输时只需一次，显示的时候只绘制一次，后面的模型可以直接利用读取好的模型；

(3)数据分块：小规模场景在漫游过程中作为一块来处理，当场景数据规模增大时，这需要对场景数据作分块处理；对大范围区域进行分块不仅是因为设备内存空间有限，容纳不了大规模的数据，而且有利于进行基于分块的视景体裁剪、模型数据的分块实时读取、纹理的处理和并行绘制；

分块的大小对于最后三维场景的绘制速度影响很大，分块越大，扫描就越粗糙，包括的顶点也就越多；反之，分块越小，扫描越精细，得到的裁剪后的顶点数也就越接近于在视景体内的实际顶点数；

(4)对某一个图层中的全部模型进行数据块划分及建立索引的过程为：

①将该层的全部模型数据加入到一个数据块中，计算该数据块的矩形范围框；

②设置数据块划分的粒度大小，用数据块中的对象个数或对象占用存储空间的大小为阈值；

③判断数据块中的对象是否在阈值之内，如果满足，以该数据块的范围框作为对象的空间索引；如果不是，以对象的中心位置将该数据块按四叉树继续划分成四块；

④对于四叉树的每一块，以块内所有对象的包围框重新计算数据块的范围框，并重复③，直到所有分块中的对象均满足②中的阈值条件。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现和使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书所提到的创新性特征的最大范围。

Claims (2)

1.一种基于LOD模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法，采用LOD模型对数据进行分层和分块处理以提高三维场景浏览的速度，其特征在于，由以下步骤组成：

(1)首先，根据应用需求精度、可视化场景的大小以及地物的复杂程度及聚集程度，确定LOD建模的等级标准；

(2)数据分层：在进行数据存储和组织、图形与属性数据采集等之前必须确定三维GIS场景所涉及的所有数据的分层规则，属于同一类要素类型的地物归为一个图层，并且三维模型在场景中有可能出现重复性情况，在读取和传输时只需一次，显示时只绘制一次；

(3)数据分块：小规模场景在漫游过程中作为一块来处理，当场景数据规模增大时，对场景数据作分块处理，分块越大则扫描越粗糙，包括的顶点越多；反之，得到的裁剪后的顶点数接近于在视景体内的实际顶点数。

2.根据权利要求1所述的基于LOD模型和四叉树层次结构的三维场景渲染算法，其特征在于：对步骤(3)的某一个图层中的对场景数据作分块处理及建立索引的过程为：

①将该层的全部模型数据加入到一个数据块中，计算该数据块的矩形范围框；

②设置数据块划分的粒度大小，用数据块中的对象个数或对象占用存储空间的大小为阈值；

③判断数据块中的对象是否在阈值之内，如果满足，以该数据块的范围框作为对象的空间索引；如果不是，以对象的中心位置将该数据块按四叉树继续划分成四块；

④对于四叉树的每一块，以块内所有对象的包围框重新计算数据块的范围框，并重复③，直到所有分块中的对象均满足②中的阈值条件。