CN106991721A - 一种基于国产平台的地形可视化实现方法 - Google Patents

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曲德源
吴登勇
柳玉巧
马双涛
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Abstract

一种基于国产平台的地形可视化实现方法，包括对国产平台进行预处理、利用国产平台对原始地形数据预处理和三维地形的绘制；其特征在于，在所述三维地形的绘制中，利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化。本发明基于Tessellation Shader实现三维地形可视化GPU加速算法，对原始地形数据进行处理生成多级地形瓦片数据，从而实现国产平台地形可视化技术。

Description

一种基于国产平台的地形可视化实现方法
技术领域
本发明涉及一种基于国产平台的地形可视化实现方法，属于计算机三维可视化的技术领域。
背景技术
地形绘制技术是研究数字地形模型(DTM)或数字高程模型(DEM)的显示、简化、仿真等内容的一门学科，属于计算机图形学的分支。三维地形可视化通常都是以DEM数据为基础，动态地将地形的三维近似实时展现出来，并广泛地应用于飞行模拟、战场仿真、三维游戏和科学可视化等领域中。地形绘制技术经过几十年的发展，产生了许多优秀的算法，但是随着图形硬件(GPU)的高速发展，特别是可编程性能的提高，充分地利用硬件性能进一步提升地形绘制的效果，已经成为地形绘制领域的共识。另外，近年来，随着计算机国产化进程加快，国产平台的硬件性能提升显著，软件支持也越来越丰富。如何基于国产平台实现三维地形可视化成为新的研究课题。
中国专利文献CN103714574A公开了一种基于GPU加速的海中场景建模与实时交互绘制方法。其步骤为：(1)对海中场景声纳数据进行预处理：水体地层分离、目标检测、去噪增强；(2)利用GPU加速实现了可交互的基于光线投射方法的海中场景三维体数据可视化建模；(3)基于GPU加速实现了海中目标声纳数据表面提取和实时绘制。该专利文献涉及海中场景建模，其利用的是光线投射方法和marchingcube算法实现场景再现，但是并不适用于地形可视化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于国产平台的地形可视化实现方法。本发明主要目的是在国产平台上实现三维地形可视化，可应用于战场地形可视化、海底地形可视化以及国产平台的GIS系统等。本发明中所述的国产平台指的是基于国产处理器(龙芯、飞腾、申威)开发的计算机和服务器。
本发明的技术方案如下：
一种基于国产平台的地形可视化实现方法，包括对国产平台进行预处理、利用国产平台对原始地形数据预处理和三维地形的绘制；其特征在于，在所述三维地形的绘制中，利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化。本发明基于Tessellation Shader(细分曲面着色器)实现三维地形可视化GPU加速算法，对原始地形数据进行处理生成多级地形瓦片数据，从而实现国产平台地形可视化技术。
根据本发明优选的，所述对国产平台的预处理包括：向所述国产平台移植图形库、搭建开发环境；此步骤是保证GLSL编程语言的可用性，完成开发环境的搭建。
根据本发明优选的，所述图形库为OpenGL开放图形库。所述OpenGL是OpenGraphics Library的简写，开放图形库，是指定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口。它用于三维图像(二维的亦可)，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。
根据本发明优选的，利用国产平台对原始地形数据预处理：生成多级地形瓦片数据。
根据本发明优选的，利用国产平台对原始地形数据预处理的方法包括：通过线性插值算法将原始地形数据中的非均匀网格数据处理成均匀网格数据，根据显存大小调整网格数据的大小，采用四叉树算法对均匀网格数据进行处理，得到多级地形瓦片数据。其中，根据显存大小调整网格数据的大小是由于：算法中占用显存的数据有：地形网格数据，根据地形网格数据生成的法向量数据，地形纹理数据，Tessellation Shader细分得到的新顶点数据，因此可以根据地形网格数据计算所需的显存，为使程序流畅运行，需要根据显存大小调整网格数据的大小。算法需要的显存大小可以根据网格数据的网格点数量来计算。
此设计的优点在于，由于地形数据种类较多，分辨率不同，本发明所采用的基于Tessellation Shader三维地形可视化GPU加速算法对地形数据有一定的要求，输入数据为均匀网格数据，根据平台显存决定输入数据的大小，因此需要把原始地形数据进行预处理，通过线性插值算法把非均匀网格数据处理成均匀网格数据，根据显存大小调整网格数据的大小，采用四叉树算法制作分级地形瓦片数据。
根据本发明优选的，所述利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化的方法，包括：利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化GPU加速算法对所述多级地形瓦片数据进行处理。所述Tessellation Shader的中文名称为细分曲面着色器，其利用GPU硬件加速，将现有3D模型的三角形拆分得更细小、更细致，也就是大大增加三角形数量，使得渲染对象的表面和边缘更平滑、更精细。为提升三维地形可视化效果，本发明充分利用GPU的并行计算能力，减少传统地形可视化算法中对瓦片数据的搜索，根据视点动态调整Tessellation Shader中的细分因子，从而减少需要绘制的三角面片数量，提高渲染速度。此外，对于位于裁剪体外的三角面片在vertexshader阶段提前剔除。为提高三维地形的真实感、立体感以及感知性，在渲染场景中加入光照效果，模拟太阳光照射形成的效果。
本发明的优势在于：
1、本发明主要创新点在于基于国产平台，结合Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化GPU加速算法，对原始地形数据进行处理生成多级地形瓦片数据，从而实现国产平台地形可视化技术。
2、为了使国产平台能顺利实现地形可视化，本发明向所述国产平台移植OpenGL开放图形库、搭建开发环境，保证GLSL编程语言的可用性，完成开发环境的搭建。
3、本发明通过对原始地形数据预处理，实现后续可视化数据的格式统一。本发明充分利用GPU的并行计算能力，减少传统地形可视化算法中对瓦片数据的搜索，根据视点动态调整Tessellation Shader中的细分因子，从而减少需要绘制的三角面片数量，提高渲染速度。此外，对于位于裁剪体外的三角面片在vertexshader阶段提前剔除。为提高三维地形的真实感、立体感以及感知性，在渲染场景中加入光照效果，模拟太阳光照射形成的效果。
附图说明
图1是本发明中利用国产平台对原始地形数据预处理流程；
图2是本发明中三维地形的绘制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
如图1、2所示。
实施例1、
一种基于国产平台的地形可视化实现方法，包括对国产平台进行预处理、利用国产平台对原始地形数据预处理和三维地形的绘制；其特征在于，在所述三维地形的绘制中，利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化。所述对国产平台的预处理包括：向所述国产平台移植图形库、搭建开发环境；
所述图形库为OpenGL开放图形库。
利用国产平台对原始地形数据预处理：生成多级地形瓦片数据。
实施例2、
如实施例1所述的一种基于国产平台的地形可视化实现方法，其区别在于，利用国产平台对原始地形数据预处理的方法包括：通过线性插值算法将原始地形数据中的非均匀网格数据处理成均匀网格数据，根据显存大小调整网格数据的大小，采用四叉树算法对均匀网格数据进行处理，得到多级地形瓦片数据。
如图1所示，对原始地形数据进行预处理，首先采用二次线性插值方法把原始非均匀网格数据处理成均匀网格数据，方便shader程序使用。然后，根据均匀网格数据采用四叉树方法把地形数据作成多级瓦片数据，可根据原始数据大小和显存来决定分级数。
实施例3、
如实施例1所述的一种基于国产平台的地形可视化实现方法，其区别在于，所述利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化的方法，包括：利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化GPU加速算法对所述多级地形瓦片数据进行处理。
如图2所示，展示了三维地形的具体绘制过程。本发明采用C++、QT编程语言和OpenGL图形开发库，GPU编程语言采用GLSL。首先要初始化OpenGL渲染窗口，C++程序完成对地形数据的加载，将数据加载至内存；接下来，调用GPUshader程序，将地形高程数据作为纹理加载至显存，根据视点设置细分因子，剔除裁剪体外的顶点，从而减少需要绘制的地形区域，提高渲染效率，对于有效区域顶点，采样地形高程纹理和海陆颜色纹理，生成三角面片；然后，根据Blinn-phong光照模型计算光照对三角面片增加光照效果，从而生成三维地形可视化效果。

Claims (6)

1.一种基于国产平台的地形可视化实现方法，包括对国产平台进行预处理、利用国产平台对原始地形数据预处理和三维地形的绘制；其特征在于，在所述三维地形的绘制中，利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化。
2.根据权利要求1所述的一种基于国产平台的地形可视化实现方法，其特征在于，所述对国产平台的预处理包括：向所述国产平台移植图形库、搭建开发环境。
3.根据权利要求2所述的一种基于国产平台的地形可视化实现方法，其特征在于，所述图形库为OpenGL开放图形库。
4.根据权利要求3所述的一种基于国产平台的地形可视化实现方法，其特征在于，利用国产平台对原始地形数据预处理：生成多级地形瓦片数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于国产平台的地形可视化实现方法，其特征在于，利用国产平台对原始地形数据预处理的方法包括：通过线性插值算法将原始地形数据中的非均匀网格数据处理成均匀网格数据，根据显存大小调整网格数据的大小，采用四叉树算法对均匀网格数据进行处理，得到多级地形瓦片数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于国产平台的地形可视化实现方法，其特征在于，所述利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化的方法，包括：利用Tessellation Shader细分曲面着色器实现三维地形可视化GPU加速算法对所述多级地形瓦片数据进行处理。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103714574A (zh) * 2013-12-19 2014-04-09 浙江大学 一种基于gpu加速的海中场景建模与实时交互绘制方法
CN105336003A (zh) * 2015-09-28 2016-02-17 中国人民解放军空军航空大学 结合gpu技术实时流畅绘制出三维地形模型的方法

Patent Citations (2)

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