CN108305315B

CN108305315B - 一种基于wpf的三维地形高效渐变着色方法

Info

Publication number: CN108305315B
Application number: CN201810066108.9A
Authority: CN
Inventors: 陈睿智; 胡晓张; 杨芳; 李�杰; 杨聿; 杨志伟; 宋利祥; 王汉岗
Original assignee: Pearl River Hydraulic Research Institute of PRWRC
Current assignee: Pearl River Hydraulic Research Institute of PRWRC
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2038-01-24
Also published as: CN108305315A

Abstract

本发明涉及一种基于WPF的三维地形高效渐变着色方法，包括步骤：S1根据自定义渐变色带颜色等级，使用特定算法在内存中生成一幅尺寸为64*64的渐变位图，并将其作为图像画刷（ImageBrush）的图像源（ImageSource）；S2构建一个不同高程值对应的颜色值与渐变位图中位置的映射函数；S3根据地形高程信息，生成构成三维地形模型的三角形面，并利用步骤S1、S2所创建的图像画刷（ImageBrush）和映射函数生成每个三角形单元对应的纹理，构建三维地形模型的GeometryModel3D实例；S4利用上一步构建定好的GeometryModel3D实例，在WPF中设置好三维画布、视角、灯光等要素，完成根据高程信息渐变着色的地形三维模型构建。本发明在WPF框架的基础上，大幅度地节约了系统资源，显著地提高了三维渲染效率，构成三维地形模型的相邻三角形单元的色彩过渡处理方法简单，颜色过渡效果好。

Description

一种基于WPF的三维地形高效渐变着色方法

技术领域

本发明涉及一种基于WPF的三维地形高效渐变着色方法，属于计算机三维展示领域。

背景技术

WPF（Windows Presentation Foundation）是微软新一代的图形系统。WPF在DirectX图形引擎的基础上进行了进一步的封装，提供了一套用于简便地构建三维图形及用户界面的类的集合。相比于OpenGL、DirectX等底层图形API，利用WPF可以更加方便快速地进行三维展示系统的构建。但是，由于WPF的封装程度较高，在三维渲染效率上有所损失。

在水利、地质、交通、国土等行业信息化的实际应用中，经常需要对地形要素进行三维空间上的展示及根据地形高程值大小对三维地形进行渐变着色。在WPF中，三维模型被描述为一系列三角形的集合，每一个三角形表面都有一种材质（Material）和一个画刷（Brush）。材质定义了一个具体角度的光的反射量，而画刷定义了表面的颜色。画刷可以是一种单纯的颜色，也可以是渐变的，也可以是一幅图片，这些称为纹理（Texture）。

对于三角形单元的渐变着色，WPF中提供了画刷（Brush）的一个派生类——线性渐变画刷（LinearGradientBrush）来完成这项任务。由于构成三维地形的每一个三角形单元的三个顶点高程值均不相同，因此对应颜色也不相同。这就需要对每一个三角形单元定义一个线性渐变画刷（LinearGradientBrush）来对其进行渐变着色。在实际应用中，一个三维地形模型通常需要由几万乃至上百万的三角形单元构成，若对于每一个单元均生成一个线性渐变画刷（LinearGradientBrush），将消耗大量的系统资源，超过普通配置计算机的承受能力，导致渲染效率极低。此外，使用线性渐变画刷（LinearGradientBrush）进行三维地形模型着色时，相邻三角形单元的色彩过渡处理困难，容易出现颜色过渡不连续的问题。因此，寻找一种性能高效、着色效果美观的WPF三维地形渐变着色的方法对于WPF在水利、地质、交通、国土等行业的实际运用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是在WPF框架的基础上，提出一种三维图形渐变着色方法，解决在进行大量三角形单元渐变着色时系统资源消耗大、渲染效率低的问题，实现高效美观的三维地形展示。

本发明为解决上述技术问题，提供一种基于WPF的三维地形高效渐变着色方法，包括以下步骤：

步骤一：用户先自定义的渐变色带，根据用户自定义的着色色带，在内存中生成尺寸为64*64的渐变位图，将该渐变位图作为创建的图像画刷（Imageush）的图像源（ImageSource）属性；

作为三维地形模型各三角形单元材质纹理（图像源）渐变位图的尺寸，要在兼顾实用和展示效果的前提下尽可能的小，以便最大程度的节约系统资源。根据地形展示实际需求，一幅尺寸为64*64的位图可以显示64*64=4096种颜色，通常情况下已经足够展示一个地形三维模型中不同位置的高程值差别。而24bit真彩色的64*64的位图，也仅需要64*64*3=12288Byte=12KB的内存空间；

步骤二：构建一个不同地形高程值相应的颜色值与渐变位图中位置之间相对应的映射函数；

步骤三：获取地形高程信息，生成构成三维地形模型的三角形面，并利用步骤一、二所创建的图像画刷（ImageBrush）和映射函数生成每个三角形单元对应的纹理材质及纹理坐标，构建出地形的三维几何模型（GeometryModel3D实例）；

步骤四：在地形的三维几何模型（GeometryModel3D实例）基础上，在WPF中设置画布、视角、光线等其它三维建模要素，完成依据高程信息渐变着色的三维地形模型构建。

进一步的，在步骤一中生成渐变位图的步骤如下：

步骤11，创建一个像素宽高均为64、XY方向的Dpi均为96、像素格式为Bgr24的WriteableBitmap类的实例；

步骤12，根据用户自定义色带中颜色等级个数C，将整个位图的4096个像素均分为N=C-1个颜色渐变段；

若位图像素个数（4096）无法被颜色渐变段个数N整除，采用以下方法进行近似处理：前面每一颜色渐变段所占的像素个数n=4096\N（\为整除符号），最后一个颜色渐变段所占的像素个数n_last=4096-n×(N-1)；

每个颜色渐变段的起止像素颜色为自定义色带中对应的颜色，中间各像素点的颜色红色通道值（R）、绿色通道值（G）、蓝色通道值（B）根据各段起止颜色的RGB值分别进行线性插值计算得到；其中，具体线性插值方式为：

；

；

；

式中，R、G、B分别为当前像素点的红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值；R_s、G_s、B_s分别为当前像素点所属的颜色渐变段的首像素红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值；R_e、G_e、B_e分别为当前像素点所属的颜色渐变段的末像素红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值；I、I_s、I_e分别为当前像素点在整个位图中的位置索引号、当前像素点所属的颜色渐变段的首像素在整个位图中的位置索引号、当前像素点所属的颜色渐变段的末像素在整个位图中的位置索引号；

步骤13，利用WriteableBitmap类的BackBuffer属性获取位图第一个像素在内存中的位置，依次将各颜色渐变段中各像素点的RGB值写入内存对应位置中，在内存中形成一幅根据自定义色带自左向右、自上而下渐变位图；

步骤14，创建一个图像画刷（ImageBrush），将其图像源（ImageSource）属性设置为上述步骤生成的渐变位图。

进一步，步骤二所述映射函数的构建方法如下：

将地形高程的最大值（Max）与渐变位图的第一个像素（索引号为0）颜色对应，将地形高程的最小值（Min）与渐变位图最后一个像素（索引号为4095）颜色对应，运用线性插值原理，建立高程值（Eta）与渐变位图中的像素索引号（Index）对应的映射函数：Index = INT（（Eta-Min）/（Max-Min））*4095），式中INT（）为取整函数。

在WPF中，基于图像画刷（ImageBrush）的纹理坐标定义为：（0，0）代表整个图形的左上角，（1，1）代表右下角，（0，1）代表左下角，（1，0）代表右上角。因此，像素索引号Index对应的纹理X坐标为X=（Index%64+1）/64，纹理Y坐标为Y=（（Index\64）+1）/64，其中%为求余符号，\为整除符号。

对于一个特定的三维地形模型，通过本步骤创建的映射函数，每一个确定的高程值有且仅有一个对应的纹理坐标，也就是说每个高程值在渐变位图中对应的像素点是唯一的，因此可以确保在对三维地形模型中的每个三角形单元进行渐变着色后，相邻三角形单元的色彩过渡连续，不会发生颜色突变的情形。

进一步，步骤三所述生成每个三角形单元对应的纹理材质及纹理坐标的步骤如下：

步骤31，采用基于不规则三角网（TIN）对实际地形进行概化，或将地形散点数据值插值到已经生成好的三角网节点上；

步骤32，创建一个MeshGeometry3D类实例，遍历三角网中的所有的三角形，将每个三角形的节点信息、拓扑关系、纹理信息写入其中，包括：

a、根据当前三角形XYZ坐标信息创建为Point3D类的一个实例，写入MeshGeometry3D实例的Positions列表中；

b、根据三角形的拓扑关系，将构成当前三角形的三个顶点的在Positions中的索引号依次写入MeshGeometry3D实例的TriangleIndices列表中；

c、根据当前三角形三个顶点的高程信息，分别利用步骤二创建的映射函数，计算出各顶点的纹理坐标，按顺序写入MeshGeometry3D实例的TextureCoordinates列表中；

步骤33，根据用户显示效果需要，创建一个材质（Material）实例，将步骤一中生成的图像画刷（ImageBrush）作为其Brush属性；

步骤34，创建一个GeometryModel3D类实例，将MeshGeometry3D类实例作为其Geometry属性，将上一步创建的材质（Material）实例作为其Material属性。

为了提高WPF三维图形渐变着色效率，本专利方法根据自定义着色色带及各颜色对应的高程值，生成一幅渐变位图，对于构成三维地形模型的每一个单元均采用该渐变位图作为其纹理，纹理坐标根据各节点高程信息对应的颜色在该位图中的位置来确定。这样，针对每个用户自定义着色色带，只需要在内存中生成一幅大小可控的渐变位图，便可以实现构成三维地形模型的所有三角形单元的渐变渲染，大大节约了系统资源，提高了三维地形模型的渲染效率。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）通过本发明采用的方法实现三维地形模型渐变着色，无论构成三维地形模型的三角形单元数量多少，仅需要创建一个图像画刷（ImageBrush）就可以实现所有三角形单元的渐变着色渲染问题。相比WPF中提供的使用线性渐变画刷（LinearGradientBrush）来进行渐变着色的方法，大幅度地节约了系统资源，显著地提高了三维渲染效率。

（2）通过本发明采用的方法实现的三维地形模型渐变着色，三维地形模型中的每个高程值在通过本方法创建的渐变位图中对应的像素点是唯一的，确保了对于三维地形模型中的每个三角形单元进行渐变着色后，相邻三角形单元的色彩过渡连续，不存在颜色突变情况。相比WPF中提供的使用线性渐变画刷（LinearGradientBrush）来进行渐变着色的方法，构成三维地形模型的相邻三角形单元的色彩过渡处理方法简单，颜色过渡效果好。

（3）通过本发明采用的方法实现的三维地形模型渐变着色，在大幅提高三维渲染效率的前提下，与WPF中提供的使用线性渐变画刷（LinearGradientBrush）来进行渐变着色的方法一样，可以支持任意用户对着色色带等级数量、颜色的自定义。

附图说明

图1 为本发明的方法流程图。

具体实施方式

实施例：为验证本申请的可行性和有效性，本实施例以广州市番禺区的一段真实河网的三维地形模型的渐变着色为具体实施案例进一步说明本发明。

本次选取的用于三维地形建模的河网实例位于广州市番禺区，北纬22°52'37.1"〜22°57'15"，东经113°15'41"〜113°29'47"，由紫坭河水道、龙湾河、市桥水道、沙湾水道构成的一段河网。

步骤一：根据自定义渐变色带颜色等级，在内存中生成一幅尺寸为64*64的渐变位图，并将其作为图像画刷（ImageBrush）的图像源（ImageSource）。

自定义的色带级别的RGB值如下：

颜色级别1：R=0, G=0, B=255；

颜色级别2：R=0, G=64, B=255；

颜色级别3：R=0, G=128, B=255；

颜色级别4：R=0, G=192, B=255；

颜色级别5：R=0, G=255, B=255；

颜色级别6：R=0, G=255, B=192；

颜色级别7：R=0, G=255, B=128；

颜色级别8：R=0, G=255, B=64；

颜色级别9：R=0, G=255, B=0；

颜色级别10：R=64, G=255, B=0；

颜色级别11：R=128, G=255, B=0；

颜色级别12：R=192, G=255, B=0；

颜色级别13：R=255, G=255, B=0；

颜色级别14：R=255, G=192, B=0；

颜色级别15：R=255, G=128, B=0；

颜色级别16：R=255, G=64, B=0；

颜色级别17：R=255, G=0, B=0。

首先创建一个像素宽高均为64、XY方向的Dpi均为96、像素格式为Bgr24的WriteableBitmap类的实例，对应C#代码为：

WriteableBitmap writeableBitmap = new WriteableBitmap(64, 64, 96, 96,PixelFormats.Bgr24, null);

用户自定义渐变色带颜色等级个数C=17，将整个为位图的4096个像素分为N= C-1=16个颜色渐变段，由于16可以被4096整除，因此各颜色渐变段所占的像素个数为n_last=n=4096/16= 256个。第一个颜色渐变段的起止颜色对应颜色级别1、颜色级别2，第二个颜色渐变段的起止颜色对应颜色级别2、颜色级别3……，依此类推。

定义指针指向WriteableBitmap实例第一个像素在内存中对应的位置，对应C#代码为：

byte* p = (byte*)(void*)writeableBitmap.BackBuffer;

对各颜色渐变段各像素点的颜色根据各段起止颜色的RGB值进行线性插值，以第一个颜色渐变段为例：

该颜色渐变段的起始颜色对应颜色级别1：R_s=0, G_s=0, B_s=255，终止颜色对应颜色级别2：R_e=0, G_e=64, B_e=255；该颜色渐变段的首像素在整个位图中的位置索引号I_s =0，末像素在整个位图中的位置索引号I_e=255。遍历该颜色渐变段对应的全部像素点，根据各像素整个位图中的位置索引号I，利用下面公式求出各像素点对应的RGB值，并进行赋值。

；

；

；

最后，创建一个图像画刷（ImageBrush）实例imageBrush，将其图像源（ImageSource）属性设置为上述步骤生成的渐变位图。

步骤二：构建一个不同高程值对应的颜色值与渐变位图中位置的映射函数。

该段河网地形最大值为Max=5m，最小值为Min=-16.5m，则落在此区间内的任意高程Eta对应的颜色在步骤一生成的渐变位图中的像素位置Index为：

Index= INT (((Eta- (-16.5)) / (5- (-16.5))) × 4095);

该像素位置对应的纹理坐标为：

X=（Index%64+1）/64;

Y=（（Index\64）+1）/64;

步骤三：根据地形高程信息，生成构成三维地形模型的三角形面，并利用步骤一、二所创建的图像画刷（ImageBrush）和映射函数生成每个三角形单元对应的纹理，构建三维地形模型的GeometryModel3D实例。

将河道高程数据插值到已经生成好的三角网节点上，该三角网由79171个三角形单元组成。

然后创建一个MeshGeometry3D类实例meshGeometry3D。

遍历所有的三角形，将每个三角形的节点信息、拓扑关系、纹理信息写入其中，第一个三角形单元为例：

①第一个三角形三个顶点的XYZ信息为：

顶点1：X= 38425993.7206，Y= 2539896.1637，Z=-1.9515；

顶点2：X= 38425968.8，Y= 2539913，Z=-0.7886；

顶点3：X= 38425979，Y= 2539877.7，Z=-1。

将第一个三角形三个顶点的XYZ信息分别储存于Point3D的三个实例Point1、Point2、Point3中，将这三个实例写入meshGeometry3D的Positions列表中。

②将构成当前三角形的三个顶点的在Positions中的索引号0、1、2写入meshGeometry3D的TriangleIndices列表中。

③三个顶点的高程分别为-1.9515，-0.7886，-1，通过步骤二构建的映射函数计算得到对应的纹理坐标为（0.3125，0.6875），（0.7656，0.7344），（0.1406，0.7344），将这三个三角形顶点对应纹理坐标写入meshGeometry3D的TextureCoordinates列表中。

在完成meshGeometry3D构建后，根据本实例的实际需要，选择漫射材料（DiffuseMaterial）作为河网地形三维模型的表面材质，创建一个DiffuseMaterial的实例diffuseMaterial，将步骤一中的imageBrush作为其Brush属性。

创建一个GeometryModel3D类实例geometryModel3D，将meshGeometry3D作为其Geometry属性，将diffuseMaterial作为其Material属性。

步骤四：利用上一步构建定好的GeometryModel3D，在WPF中设置好三维画布、视角、灯光等要素，完成根据高程信息渐变着色的河网地形三维模型构建。

本专利的主要发明目的就在于着色效果，但基于专利说明书附图不得着色的规定，本说明书未将详细的实施例着色效果图作为附图展示。

本发明未进一步展开详细说明的内容均属于技术领域的公知常识，以上实施案例是本发明技术方案的一个实例，本发明的公开范围并不局限于此，任何对于本发明的技术方案的等同替换，都落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于WPF的三维地形高效渐变着色方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤S1：根据用户自定义的着色色带，在内存中生成一幅尺寸为64*64的渐变位图，作为图像画刷ImageBrush的图像源ImageSource；

步骤S2：构建一个不同高程值对应的颜色值与渐变位图中位置之间的映射函数；

步骤S3：根据地形高程信息，生成构成三维地形模型的三角形面，并利用前述步骤S1、S2所创建的图像画刷ImageBrush和映射函数生成每个三角形单元对应的纹理材质及纹理坐标，构建出地形的三维几何模型GeometryModel3D实例；

步骤S4：在地形的三维几何模型GeometryModel3D实例基础上，完成依据高程信息渐变着色的三维地形模型构建；

其中，步骤S1中生成渐变位图的步骤如下：

步骤S11：创建一个像素宽高均为64、XY方向的Dpi均为96、像素格式为Bgr24的WriteableBitmap类的实例；

步骤S12：根据用户自定义色带中颜色等级个数C，将整个位图的4096个像素均分为N＝C-1个颜色渐变段；若位图像素个数无法被颜色渐变段个数N整除，采用以下方法进行近似处理：前面每一颜色渐变段所占的像素个数n＝4096\N，最后一个颜色渐变段所占的像素个数n_last＝4096-n×(N-1)；

其中，每个颜色渐变段的起止像素颜色为自定义色带中对应的颜色，中间各像素点的颜色红色通道值R、绿色通道值G、蓝色通道值B根据各段起止颜色的RGB值分别进行线性插值计算得到：

式中，R、G、B分别为当前像素点的红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值；Rs、Gs、Bs分别为当前像素点所属的颜色渐变段的首像素红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值；Re、Ge、Be分别为当前像素点所属的颜色渐变段的末像素红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值；I、Is、Ie分别为当前像素点在整个位图中的位置索引号、当前像素点所属的颜色渐变段的首像素在整个位图中的位置索引号、当前像素点所属的颜色渐变段的末像素在整个位图中的位置索引号；

步骤S13：利用WriteableBitmap类的BackBuffer属性获取位图第一个像素在内存中的位置，依次将各颜色渐变段中各像素点的RGB值写入内存对应位置中，在内存中形成一幅根据自定义色带自左向右、自上而下渐变位图；

步骤S14：创建一个图像画刷ImageBrush，将其图像源ImageSource属性设置为所述步骤S13生成的渐变位图；

步骤S2中建立映射函数的过程包括：

将地形高程的最大值Max与渐变位图索引号为0的第一个像素颜色对应，将地形高程的最小值Min与渐变位图索引号为4095的最后一个像素颜色对应，运用线性插值原理，建立高程值Eta与渐变位图中的像素索引号Index对应的映射函数：Index＝INT((Eta-Min)/(Max-Min))*4095)，式中INT()为取整函数；

设定像素索引号Index对应的纹理X坐标为X＝(Index％64+1)/64，纹理Y坐标为Y＝((Index\64)+1)/64，其中％为求余符号，\为整除符号。

2.根据权利要求1所述的基于WPF的三维地形高效渐变着色方法，其特征在于，在所述步骤S3中生成三角形单元对应的纹理材质及纹理坐标的步骤包括：

步骤S31：将地形散点数据插值到用户自定义的三角网各节点上；

步骤S32：创建一个MeshGeometry3D类实例，遍历所有的三角形，将每个三角形的节点信息、拓扑关系、纹理信息写入其中，包括：

步骤S33：根据用户显示效果需要，创建一个材质Material实例，将所述步骤S1中生成的图像画刷ImageBrush作为其Brush属性；

步骤S34：创建一个GeometryModel3D类实例，将MeshGeometry3D类实例作为其Geometry属性，将所述步骤S33创建的材质Material实例作为其Material属性。