CN110807787A - 一种天际线提取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天际线提取方法及系统，应用于3D模型的天际线提取。该天际线提取方法包括：获取待显示的3D模型；在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制3D模型的地物的可视部分；在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制3D模型的地物的不可视部分的着色轮廓；根据不可视部分的轮廓对应的模板缓存区与可视部分对应的模板缓存区的缓存值逻辑关系提取天空与地物相接的轮廓线段，得到天际轮廓线段；由天际轮廓线段描绘出天际线。本发明的天际线提取方法及系统能够适用于真三维场景天际线实时提取。

Description

一种天际线提取方法及系统

技术领域

本发明涉及城市天际线提取领域，特别是涉及一种天际线提取方法及系统。

背景技术

目前城市天际线的提取，多采用基于区域的分割分类和边缘检测等图像处理方法。Fang等采用基于亮度梯度的区域增长算法，对相机拍摄的城市全景照片的每列像素由上到下检测亮度值，与阈值比较提取天际线像素点。Saurer等采用支持向量机(SupportVector Machine，SVM)算法对颜色、纹理等特征训练分类器，分割天空和地形。边缘检测方面，Yang等采用Canny滤波边缘检测算法提取到画面的拓扑信息，并以山峰最高点和两侧低点为种子点延伸构建天际线。刘松涛等采用形态学滤波和Hough变换等方法来识别海天相接线。在软件方面，吕亚霓使用ESRI公司研发的ArcGIS平台的天际线工具，导入三维模型，计算选定视野面上的虚拟阻挡点并连接成线，投影在圆柱上展开成二维平面以展示天际线轮廓。

当前多采用图像处理的方法在数码照片中提取天际线，但二维图像无法表达三维真实世界中的复杂实体对象之间的关系，也无法动态获取不同观察角度下的天际线，无法适用于真三维场景中实时提取天际线。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于真三维场景天际线实时提取的天际线提取方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种天际线提取方法，应用于3D模型的天际线提取；

该天际线提取方法包括：

获取待显示的3D模型；

在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的可视部分；

在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的不可视部分的着色轮廓；

根据所述不可视部分的轮廓对应的模板缓存区与所述可视部分对应的模板缓存区的缓存值逻辑关系提取天空与地物相接的轮廓线段，得到天际轮廓线段；

由所述天际轮廓线段描绘出天际线。

可选的，所述在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的可视部分，具体包括：

利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到每个像素点的颜色信息；

清空模板缓存区，并设置预设函数为模板函数；

启用模板测试和深度测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模板测试和深度测试都通过时，更新模板值为1，从而使地物像素的可视部分颜色得以保留，得到地物的可视部分。

可选的，所述在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的不可视部分的着色轮廓，具体包括：

利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到地物图元的轮廓；

设置模板值不为1时通过模版测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模版测试和深度测试都通过时更新模板值为1从而对所述地物图元的轮廓进行模板测试，使地物轮廓的不可视部分颜色得以保留，得到地物的不可视部分的着色轮廓。

可选的，所述由所述天际轮廓线段描绘出天际线，具体包括：

在所述可视部分的基础上连接各个所述天际轮廓线段形成天际线轮廓；

对所述天际线轮廓进行平滑处理，得到天际线。

一种天际线提取系统，应用于3D模型的天际线提取；

该天际线提取系统包括：

3D模型获取模块，用于获取待显示的3D模型；

地物可视部分绘制模块，用于在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的可视部分；

地物不可视轮廓绘制模块，用于在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的不可视部分的着色轮廓；

天际轮廓线段提取模块，用于根据所述不可视部分的轮廓对应的模板缓存区与所述可视部分对应的模板缓存区的缓存值逻辑关系提取天空与地物相接的轮廓线段，得到天际轮廓线段；

天际线描绘模块，用于由所述天际轮廓线段描绘出天际线。

可选的，所述地物可视部分绘制模块包括：

第一渲染管线单元，用于利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到每个像素点的颜色信息；

初始化单元，用于清空模板缓存区，并设置预设函数为模板函数；

可视部分提取单元，用于启用模板测试和深度测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模板测试和深度测试都通过时，更新模板值为1，从而使地物像素的可视部分颜色得以保留，得到地物的可视部分。

可选的，所述地物不可视轮廓绘制模块包括：

第二渲染管线单元，用于利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到地物图元的轮廓；

不可视部分轮廓提取单元，用于设置模板值不为1时通过模版测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模版测试和深度测试都通过时更新模板值为1从而对所述地物图元的轮廓进行模板测试，使地物轮廓的不可视部分颜色得以保留，得到地物的不可视部分的着色轮廓。

可选的，所述天际线描绘模块包括：

轮廓线段连接单元，用于在所述可视部分的基础上连接各个所述天际轮廓线段形成天际线轮廓；

平滑处理单元，用于对所述天际线轮廓进行平滑处理，得到天际线。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的天际线提取方法及系统，在显示3D模型的过程中，利用模板测试和深度测试从视点出发对3D模型进行两次绘制，分别绘制地物不可视部分的轮廓和地物可视部分，通过对这两部分得到的模板缓存区内的数据进行逻辑处理确定轮廓线段，进而得到天际线，实现了针对3D模型的天际线提取，从而使本发明的天际线提取方法及系统能够适用于真三维场景天际线提取。同时由于本发明的天际线提取方法及系统利用的是模板测试和深度测试，从而能够在硬件层面对天际线进行显示，耗时随场景数据量增大的变化较小，能在毫秒级别对天际线进行渲染，实现了天际线的实时提取。并且由于模版测试属于硬件层的渲染，节省了大量系统计算和内存空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的天际线提取方法的方法流程图；

图2为本发明实施例2的天际线提取系统的系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

该实施例1提供的天际线提取方法，应用于3D模型的天际线提取。

在对三维场景进行动态浏览过程中，视点和视线空间随每一帧的变化而变化，若采用视线跟踪求交算法实时提取天际线，CPU计算量激增，超出了多核CPU并行处理的能力，因此本发明考虑利用GPU渲染管线的方法。为了充分利用渲染管线的高效处理能力，考虑在光栅化阶段利用GPU，对三维天际线进行实时渲染。具体通过光栅化阶段中的融合阶段，这一阶段主要负责将像素着色阶段生成的片段颜色与当前存储在颜色缓存中的颜色合并以及解决可见性问题，通过深度缓存测试渲染离视点更近的图元，并对该位置上的深度和颜色进行更新。而在写入深度缓存前，还可通过模版测试记录渲染图元位置的离屏缓存。将该方法用于三维渲染中物体轮廓线显示，完全利用GPU计算，显示效率高，可实现实时渲染三维天际线。

图1为本发明实施例1的天际线提取方法的方法流程图。

参见图1，该天际线提取方法包括：

步骤101：获取待显示的3D模型。

步骤102：在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的可视部分。

该步骤102具体包括：

A：利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到每个像素点的颜色信息。渲染管线通常包括顶点提取与着色、图元装配、像素化、片段化、测试等几个阶段。顶点提取与着色即提取3D模型中的各个顶点。图元装配即将各个顶点连接成规定形状的图元，形成轮廓。像素化即即将图元转换成显示屏可以显示的像素。片段化即计算各个像素的颜色信息。测试包括模板测试和深度测试等。该步骤只需处理到片段化阶段得到颜色信息即可。

B：清空模板缓存区，并设置预设函数为模板函数。

C：启用模板测试和深度测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模板测试和深度测试都通过时，更新模板值为1，从而使地物像素的可视部分颜色得以保留，得到地物的可视部分。

一般来说，渲染3D模型的最后一步是，将投影变换得到的且将在屏幕显示的3D模型的每个像素点的颜色值写入屏幕显示区相应的单元。和深度测试一样，模版测试也是用于决定片段的取舍，也就是说在模版测试阶段，要根据一个规则，利用模版缓存区存储的值，决定前面和后面的片段保留哪个。例如可以把缓存模版设置为0，则所有的渲染片段不通过，不进行渲染，为1则全部通过。如果允许模版测试，就在每次写入一个像素点颜色值前，使用设定的模版比较函数进行测试，即对该像素点对应的模板缓存单元(模板缓存区中存储某一个像素点模板值的基本单元)的值和模板参考值进行比较，只有该像素点对应的模板缓存单元的值和模板参考值比较成功时，渲染函数才对模板缓存单元的值执行写入。在该步骤C中，启用模板测试和深度测试，正常绘制物体，规定模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模版测试和深度测试都通过时，用参考值1替换掉模板值。一般来说地面物体和天空的颜色、材质、纹理和渲染方式有很大的区别，选用模版函数时应保证模板函数可以实现对天空和地面物体的区分，在该情况下，能通过深度测试和模版测试的一般为地面物体的正面部分，即可视部分。

深度测试是根据场景摄像机和场景的关系判别哪些可见哪些不可见，一般来说，正面部分是可见部分，需要渲染绘制，深度模板中标定为1；背面部分是不可见部分，无需绘制，深度模板中标定为0。因此，深度测试能够用来判别地物的正面和背面。

模板测试是给出一个模板函数，来识别不同类型的图元(这里为地物和天空)。在使用的过程中，开启模板缓冲，绘制一个物体作为我们的模板，这个过程实际上就是写入模版缓存区的过程；接着我们利用模版缓存区中的值决定是丢弃还是保留后续绘图中的片元。

一般地绘制模板以及利用模板选择性地绘制物体时则开启模板缓冲，绘制其他物体时关闭模板缓冲。使用模板缓存的步骤一般如下：

1、开启模板测试。

2、绘制模板，写入模板缓冲(不写入颜色缓存和深度缓存)。

3、关闭模板缓冲写入。

4、利用模板缓冲中的值，绘制后续场景。

步骤103：在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的不可视部分的着色轮廓。

该步骤103具体包括：

D：利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到地物图元的轮廓。该步骤D只执行到渲染管线的片段化阶段。并且像素化阶段只对图元装配阶段生成的图元的轮廓线进行像素化并赋予轮廓线宽度值，从而使轮廓线构成的图元大于原始物体，进而能够防止天际线和地物的重叠而产生的闪烁现象。在片段化阶段，计算放大后的轮廓线所对应的像素点的颜色值。

E：设置模板值不为1时通过模版测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模版测试和深度测试都通过时更新模板值为1从而对所述地物图元的轮廓进行模板测试，使地物轮廓的不可视部分颜色得以保留，得到地物的不可视部分的着色轮廓。

该步骤E通过正面剔除手段，使模板缓冲区不为1的地方，即天空背景通过模版测试。

步骤104：根据所述不可视部分的轮廓对应的模板缓存区与所述可视部分对应的模板缓存区的缓存值逻辑关系提取天空与地物相接的轮廓线段，得到天际轮廓线段。

两次绘制场景(步骤102和步骤103)，将步骤103绘制的场景叠加到步骤102绘制的场景上，通过模板测试剔除掉模板区域内的线框，保留模板区域0值和1值相交区域的线框，即天空背景和地物相接的线段。三维物体的线框形式并不是直接绘制到场景，而是一种逻辑上的叠加，只是用于区分区域内的模版值是0或者1。

步骤105：由所述天际轮廓线段描绘出天际线。

该步骤105具体包括：

在所述可视部分的基础上连接各个所述天际轮廓线段形成天际线轮廓；

对所述天际线轮廓进行平滑处理，得到天际线。

实施例2：

实施例2提供一种天际线提取系统，应用于3D模型的天际线提取。

图2为本发明实施例2的天际线提取系统的系统结构图。

参见图2，该天际线提取系统包括：

3D模型获取模块201，用于获取待显示的3D模型；

地物可视部分绘制模块202，用于在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的可视部分；

地物不可视轮廓绘制模块203，用于在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的不可视部分的着色轮廓；

天际轮廓线段提取模块204，用于根据所述不可视部分的轮廓对应的模板缓存区与所述可视部分对应的模板缓存区的缓存值逻辑关系提取天空与地物相接的轮廓线段，得到天际轮廓线段；

天际线描绘模块205，用于由所述天际轮廓线段描绘出天际线。

所述地物可视部分绘制模块202包括：

第一渲染管线单元，用于利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到每个像素点的颜色信息；

初始化单元，用于清空模板缓存区，并设置预设函数为模板函数；

可视部分提取单元，用于启用模板测试和深度测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模板测试和深度测试都通过时，更新模板值为1，从而使地物像素的可视部分颜色得以保留，得到地物的可视部分。

所述地物不可视轮廓绘制模块203包括：

第二渲染管线单元，用于利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到地物图元的轮廓；

不可视部分轮廓提取单元，用于设置模板值不为1时通过模版测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模版测试和深度测试都通过时更新模板值为1从而对所述地物图元的轮廓进行模板测试，使地物轮廓的不可视部分颜色得以保留，得到地物的不可视部分的着色轮廓。

所述天际线描绘模块205包括：

轮廓线段连接单元，用于在所述可视部分的基础上连接各个所述天际轮廓线段形成天际线轮廓；

平滑处理单元，用于对所述天际线轮廓进行平滑处理，得到天际线。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的天际线提取方法及系统，在显示3D模型的过程中，利用模板测试和深度测试从视点出发对3D模型进行两次绘制，分别绘制地物不可视部分的轮廓和地物可视部分，通过对这两部分得到的模板缓存区内的数据进行逻辑处理确定轮廓线段，进而得到天际线，实现了针对3D模型的天际线提取，从而使本发明的天际线提取方法及系统能够适用于真三维场景天际线提取。同时由于本发明的天际线提取方法及系统利用的是模板测试和深度测试，从而能够在硬件层面对天际线进行显示，耗时随场景数据量增大的变化较小，能在毫秒级别对天际线进行渲染，实现了天际线的实时提取。并且由于模版测试属于硬件层的渲染，节省了大量系统计算和内存空间。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种天际线提取方法，其特征在于，应用于3D模型的天际线提取；

该天际线提取方法包括：

获取待显示的3D模型；

在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的可视部分；

在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的不可视部分的着色轮廓；

根据所述不可视部分的轮廓对应的模板缓存区与所述可视部分对应的模板缓存区的缓存值逻辑关系提取天空与地物相接的轮廓线段，得到天际轮廓线段；

由所述天际轮廓线段描绘出天际线。

2.根据权利要求1所述的天际线提取方法，其特征在于，所述在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的可视部分，具体包括：

利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到每个像素点的颜色信息；

清空模板缓存区，并设置预设函数为模板函数；

启用模板测试和深度测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模板测试和深度测试都通过时，更新模板值为1，从而使地物像素的可视部分颜色得以保留，得到地物的可视部分。

3.根据权利要求2所述的天际线提取方法，其特征在于，所述在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的不可视部分的着色轮廓，具体包括：

利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到地物图元的轮廓；

设置模板值不为1时通过模版测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模版测试和深度测试都通过时更新模板值为1从而对所述地物图元的轮廓进行模板测试，使地物轮廓的不可视部分颜色得以保留，得到地物的不可视部分的着色轮廓。

4.根据权利要求1所述的天际线提取方法，其特征在于，所述由所述天际轮廓线段描绘出天际线，具体包括：

在所述可视部分的基础上连接各个所述天际轮廓线段形成天际线轮廓；

对所述天际线轮廓进行平滑处理，得到天际线。

5.一种天际线提取系统，其特征在于，应用于3D模型的天际线提取；

该天际线提取系统包括：

3D模型获取模块，用于获取待显示的3D模型；

地物可视部分绘制模块，用于在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的可视部分；

地物不可视轮廓绘制模块，用于在启用模板测试和深度测试的情况下利用渲染管线的方法绘制所述3D模型的地物的不可视部分的着色轮廓；

天际轮廓线段提取模块，用于根据所述不可视部分的轮廓对应的模板缓存区与所述可视部分对应的模板缓存区的缓存值逻辑关系提取天空与地物相接的轮廓线段，得到天际轮廓线段；

天际线描绘模块，用于由所述天际轮廓线段描绘出天际线。

6.根据权利要求5所述的天际线提取系统，其特征在于，所述地物可视部分绘制模块包括：

第一渲染管线单元，用于利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到每个像素点的颜色信息；

初始化单元，用于清空模板缓存区，并设置预设函数为模板函数；

可视部分提取单元，用于启用模板测试和深度测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模板测试和深度测试都通过时，更新模板值为1，从而使地物像素的可视部分颜色得以保留，得到地物的可视部分。

7.根据权利要求6所述的天际线提取系统，其特征在于，所述地物不可视轮廓绘制模块包括：

第二渲染管线单元，用于利用渲染管线的方法对所述3D模型进行处理，得到地物图元的轮廓；

不可视部分轮廓提取单元，用于设置模板值不为1时通过模版测试，并设置模板测试未通过时保留模板值，模板测试通过但深度测试未通过时保留模板值，模版测试和深度测试都通过时更新模板值为1从而对所述地物图元的轮廓进行模板测试，使地物轮廓的不可视部分颜色得以保留，得到地物的不可视部分的着色轮廓。

8.根据权利要求1所述的天际线提取系统，其特征在于，所述天际线描绘模块包括：

轮廓线段连接单元，用于在所述可视部分的基础上连接各个所述天际轮廓线段形成天际线轮廓；

平滑处理单元，用于对所述天际线轮廓进行平滑处理，得到天际线。

Images