CN112419498A - 一种海量倾斜摄影数据的调度渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种海量倾斜摄影数据的调度渲染方法，通过动态构建树状分页细节层次结构TPLS来实现海量倾斜摄影数据的调度渲染。本发明通过海量倾斜摄影数据的跳跃式加载方法，降低了网络请求，提高了加载效率，减少了内存占用；通过对内存中数据节点进行合并，大大提升了渲染效率，使渲染更流畅。

Description

一种海量倾斜摄影数据的调度渲染方法

技术领域

本发明属于地理信息系统技术领域，具体涉及一种海量倾斜摄影数据的调度渲染方法。

背景技术

随着Gis领域技术的不断发展，倾斜摄影技术被广泛应用于城市模型的构建，与传统的人工建模方式相比，倾斜摄影方式具有生产效率高、人工成本低等诸多优点。目前国内外有多家公司单位拥有自己的倾斜摄影模型构建工艺，其中法国Acute3D公司的Smart3DCapture倾斜摄影自动建模软件在国内得到了广泛的使用。

当前的倾斜摄影测量三维模型技术已经属于一项成熟度较高的技术，针对海量的数据通常按照四叉树、八叉树的方式进行数据组织，然后按照瓦片调度原理实现瓦片的加载，可降低瓦片加载时间，维持内存占用可控。然而传统的瓦片调度渲染方法仍有部分缺陷：其一是其调度采用逐级向下加载的方式，需要从顶级瓦片开始加载，逐级向下直到当前所需层级的瓦片数据；二是数据是以瓦片为基本单元来参与场景渲染，每块瓦片包含至少一个模型节点，当屏幕中展现较多的模型节点且模型数据精度较高时，在一帧中渲染的图元和纹理过多会导致漫游卡顿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海量倾斜摄影数据的调度渲染方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种树状分页细节层次结构TPLS，包括：

根节点R；

所述根节点R包括顶级数据节点D0₀₀和第1级分页瓦片组节点G1₀₀两个子节点，当根节点R创建时，顶级数据节点D0₀₀同时完成创建，第1级分页瓦片组节点G1₀₀随着数据的漫游动态的构建与消亡；

所述第1级分页瓦片组节点G1₀₀包括第1级动态渲染数据节点RD1₀₀和第1级分页瓦片节点P1_ij(i,j>＝0；i,j<＝1)五个子节点，其中第1级动态渲染数据节点RD1₀₀在渲染遍历时由多个数据节点合并得到，是实际参与场景渲染的数据节点，第1级分页瓦片节点P1_ij代表的第1级第i列第j行分页瓦片节点，当第1级分页瓦片组节点G1₀₀创建时，第1级分页瓦片节点P1_ij同时完成创建；

所述第1级分页瓦片节点P1_ij包括第2级数据节点D1_ij和第2级分页瓦片组节点G2_ij两个子节点，与顶级数据节点D0₀₀不同，第2级数据节点D1_ij是在树结构动态构建过程中开始创建的，通过多线程发起数据请求，当数据返回时完成创建，第2级分页瓦片组节点G2_ij随着数据的漫游动态的构建与消亡；

所述第2级分页瓦片组节点G2_ij具有与第1级分页瓦片组节点G1₀₀相同的树状结构，并在漫游浏览需要时保持相同的结构向下逐级拓展，直到最后一级分页瓦片组节点Glast_mn(m,n>＝0；m,n<＝2^last-1-1)；

所述最后一级的分页瓦片组节点Glast_mn的树状结构中不再向下拓展下一级分页瓦片组节点。

一种海量倾斜摄影数据的调度渲染方法，基于上述树状分页细节层次结构TPLS进行倾斜摄影数据的调度渲染，具体步骤如下：

步骤1，构建瓦片根节点R和顶级数据节点D0₀₀，完成树状分页细节层次结构TPLS的初始化；

步骤2，确定当前帧的相机视点位置，计算视点与瓦片包围球中心的距离dis，若dis位于可视范围(minRange,maxRange]内，则执行步骤3进行裁剪计算；若dis小于等于minRange，则执行步骤4向下拓展树结构；若dis大于maxRange，则结束本次调度渲染，其中minRange、maxRange为可视范围的最大、最小值；

步骤3，进行裁剪计算，若瓦片被裁剪，则结束本次调度渲染，否则将顶级数据节点D0₀₀标记为可视数据节点，完成当前帧TPLS动态构建，并转至步骤7；

步骤4，向下拓展树结构，判断下一级分页瓦片组节点G1₀₀是否存在，若存在G1₀₀，则判断第一级动态渲染数据节点RD1₀₀是否存在，若存在RD1₀₀，则删除RD1₀₀，若不存在RD1₀₀，则保持其状态，再执行步骤5；若不存在G1₀₀，则先创建G1₀₀，然后按照四叉树结构创建四个第1级分页瓦片节点P1_ij(i,j>＝0；i,j<＝1)作为G1₀₀的子节点，再执行步骤5；

步骤5，进行瓦片可视范围和裁剪计算，判断P1_ij的可见性，若P1_ij不可见则停止向下拓展；若P1_ij可见，且第二级数据节点D1_ij已存在，则将D1_ij标记为可视数据节点，接下来执行步骤6；如D1_ij不存在，则发起多线程请求来获取所需数据，接下来执行步骤7；

步骤6，构建第2级分页瓦片组节点G2_ij，向下递归拓展树结构，直到构建的分页瓦片节点处于可视范围内为止，然后执行步骤7；

步骤7，判断所有的可视数据节点是否全部存在，对于仍未请求到的数据节点，逐级向上查找，以距离最近的瓦片数据来替代下面各级瓦片数据作为可视数据节点，然后执行步骤8，若所有的可视数据节点全部存在，则直接执行步骤8；

步骤8，对于处于同一分页瓦片组节点下的可视数据节点，若其节点数目大于1则进行节点合并得到动态渲染数据节点，若节点数目等于1则将此节点直接作为动态渲染数据节点，将动态渲染数据节点添加到TPLS下的对应位置，继续执行步骤9；

步骤9，开始渲染遍历，从根节点向下，若存在动态渲染数据节点，将此节点加入到这一帧的渲染场景中，当前帧的调度渲染过程结束。

进一步的，步骤8中，对于处于同一分页瓦片组节点下的可视模型数据节点，若可视模型数据节点数目大于1，则进行节点合并得到动态渲染数据节点，具体方法为：

(1)取出所有模型节点中的图元顶点数组，合并成图元顶点数组P；

(2)取出所有模型节点中的几何图元集合，合并成图元集合G；

(3)取出所有模型节点中的二维纹理数组，合并成纹理数组T；

(4)取出所有模型节点中的纹理坐标数组，合并成纹理坐标数组C，同时建立纹理坐标索引数组I，纹理坐标索引数组与纹理坐标数组相对应，存储每个纹理坐标所在的纹理索引号；

(5)使用P、G、T、C构建出一个新的绘制节点，并将I传入到绘制节点的着色器中；

(6)在片元着色器中使用纹理坐标数组与纹理坐标索引数组在对应二维纹理中取出颜色四分量，完成片元着色。

进一步的，对于瓦片根节点或分页瓦片节点，在节点构建时需要计算其可视范围，用于确定其可见性，具体计算步骤如下：

(1)根据瓦片地理范围计算得出瓦片在世界坐标系下的包围球；

(2)根据包围球半径R与调节因子f计算出瓦片的可视范围(minRange,maxRange]，minRange＝0.5*R*f，maxRange＝R*f，其中，f与倾斜摄影数据的精度相关。

一种海量倾斜摄影数据的调度渲染系统，基于上述方法进行海量倾斜摄影数据的调度渲染。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法进行海量倾斜摄影数据的调度渲染。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法进行海量倾斜摄影数据的调度渲染。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)通过海量倾斜摄影数据的跳跃式加载方法，降低了网络请求，提高了加载效率，减少了内存占用；2)通过对内存中数据节点进行合并，大大提升了渲染效率，使渲染更流畅。

附图说明

图1是本发明的树状分页细节层次结构示意图。

图2是本发明的数据节点替代方法示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本发明提出一种海量倾斜摄影数据的调度渲染方法，通过动态构建树状分页细节层次结构TPLS来实现海量倾斜摄影数据的调度渲染。

如图1所示，树状分页细节层次结构TPLS，结构具体如下：

1)R为树结构的根节点，包括顶级数据节点D0₀₀和第1级分页瓦片组节点G1₀₀两个子节点。当R创建时，D0₀₀同时完成创建，G1₀₀随着数据的漫游动态构建与消亡。

2)G1₀₀包括第一级动态渲染数据节点RD1₀₀和分页瓦片节点P1_ij(i,j>＝0；i,j<＝1)五个子节点。动态渲染数据节点可在渲染遍历时由多个数据节点合并得到，它是实际参与场景渲染的数据节点；P1_ij代表的第1级第i列第j行分页瓦片节点，当G1₀₀创建时，P1_ij同时完成创建。

3)P1_ij包括第2级动态渲染数据节点D1_ij和第2级分页瓦片组节点G2_ij两个子节点。与顶级数据节点D0₀₀不同，D1_ij是在树结构动态构建过程中开始创建的，通过多线程发起数据请求，当数据返回时完成创建；G2_ij随着数据的漫游动态构建与消亡。

4)G2_ij具有与第1级分页瓦片组节点G1₀₀相同的树状结构，并在漫游浏览需要时可保持相同的结构向下逐级拓展，直到最后一级分页瓦片组节点Glast_mn(m,n>＝0；m,n<＝2^last-1-1)。

5)最后一级的分页瓦片组节点的树状结构中不再向下拓展下一级分页瓦片组节点。

本发明海量倾斜摄影数据的调度渲染方法，融合了TPLS的动态构建与消亡、场景帧的渲染遍历，其具体步骤如下：

步骤1：判断TPLS是否已进行初始化，若结果为是，则执行步骤2；若结果为否，则进行初始化，首先构建瓦片根节点R和顶级数据节点D000，然后计算存储R的可视范围，接下来执行步骤2。

步骤2：确定当前帧的相机视点位置，计算视点与瓦片包围球中心的距离dis，若dis位于可视范围(minRange,maxRange]内，则执行步骤3；若dis小于等于minRange，则执行步骤4；若dis大于maxRange，则结束本次调度渲染。

瓦片的可视范围(minRange,maxRange]和瓦片地理范围相关，具体计算为：首先根据瓦片地理范围计算瓦片在世界坐标系下的包围球；然后根据包围球半径R与调节因子f计算出瓦片的可视范围(minRange,maxRange]，minRange＝0.5*R*f，maxRange＝R*f，其中f与倾斜摄影数据的精度相关，通过调节f值可调节瓦片的可视范围，便于在层级切换时让每块瓦片展示出最佳的视觉效果。

步骤3：进行裁剪计算，若瓦片被裁剪，则结束本次调度渲染；否则将D0₀₀标记为可视数据节点，当前帧TPLS动态构建完成，执行步骤7。

步骤4：向下拓展树结构，判断下一级分页瓦片组节点G100是否存在，若结果为是，继续判断RD100是否存在，若存在RD100，则删除RD100，若不存在RD100，保持其状态，然后执行步骤5；若结果为否，则执行以下操作，首先创建G100，然后按照四叉树结构创建四个分页瓦片节点P1ij(i,j>＝0；i,j<＝1)作为G100的子节点，计算存储P1ij的可视范围，接下来执行步骤5。

步骤5：通过瓦片可视范围和裁剪计算判断P1_ij的可见性，若P1_ij不可见，则停止向下拓展P1_ij；若P1_ij可见，继续判断D1_ij是否已存在，如存在，则将D1_ij标记为可视数据节点，接下来执行步骤6；如不存在，则发起多线程请求来获取所需数据，接下来执行步骤7；

步骤6：构建G2_ij，向下递归拓展树结构，直到构建的分页瓦片节点处于可视范围内为止，并且针对长期不参与渲染的分页瓦片组节点，动态的从树结构中销毁掉，继续执行步骤7。

步骤7：判断所有的可视数据节点是否全部存在，对于仍未请求到的数据节点，逐级向上查找，以距离最近的瓦片数据来替代下面各级瓦片数据作为可视数据节点，继续执行步骤8；如可视数据节点全部存在，直接执行步骤8。

下面以图2为例，介绍当所需的数据节点尚未请求完成导致数据节点不存在时，如何逐级向上查找，以距离最近的瓦片数据来替代下面各级的瓦片数据。如图2所示，需求的数据节点集为{F,G,H,I,C,D,E}，其中数据节点集{I,C}不存在。首先以节点B替换数据节点集{F,G,H,I}，得到节点集{B,C,D,E}；然后以数据节点A替换数据节点集{B,C,D,E}，得到最终的可用数据节点集{A}。

步骤8：对于处于同一分页瓦片组节点下的可视数据节点，若其节点数目大于1，则进行节点合并，得到动态渲染数据节点，若节点数目等于1，则将此节点直接作为动态渲染数据节点，将动态渲染数据节点添加到TPLS下的对应位置，继续执行步骤9。

所述对同一分页瓦片组节点下的多个可视数据节点进行合并操作，提高了渲染效率，具体步骤如下：

步骤8.1：取出所有模型节点中的图元顶点数组，合并成图元顶点数组P；

步骤8.2：取出所有模型节点中的几何图元集合，合并成图元集合G；

步骤8.3：取出所有模型节点中的二维纹理数组，合并成纹理数组T；

步骤8.4：取出所有模型节点中的纹理坐标数组，合并成纹理坐标数组C，同时建立纹理坐标索引数组I，纹理坐标索引数组与纹理坐标数组相对应，存储每个纹理坐标所在的纹理索引号；

步骤8.5：使用P、G、T、C构建出一个新的绘制节点，并将I传入到绘制节点的着色器中；

步骤8.6：在片元着色器中使用纹理坐标数组与纹理坐标索引数组在对应二维纹理中取出颜色四分量，完成片元着色。

步骤8.9：开始渲染遍历，从根节点向下，若存在动态渲染数据节点，将此节点加入到这一帧的渲染场景中，当前帧的调度渲染过程结束。

本发明还提出一种海量倾斜摄影数据的调度渲染系统，基于上述方法进行海量倾斜摄影数据的调度渲染。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法进行海量倾斜摄影数据的调度渲染。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法进行海量倾斜摄影数据的调度渲染。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。

本实施例中采集了30G的倾斜摄影数据，在同一硬件环境下进行实验，硬件配置包括2k分辨率的显示屏、GTX1060独立显卡、32G内存、i7CPU等。

实验规划了5组相同的数据漫游浏览路径，分别以瓦片逐层加载和跳跃式加载两种调度方式进行实验，实验结果如表1所示，采用跳跃式加载降低了18％的网络请求，节省了16％的内存占用。与逐层加载方式请求到的数据相比，由于跳跃式加载方式所请求的瓦片数据是一个子集，所以可降低网络请求，提高加载效率，且减少内存占用。

表1网络请求和内存占用的实验结果对比表

调度方式	测试数据大小	平均网络请求(次)	平均内存占用(M)
				逐层加载	30G	281	538
跳跃加载	30G	345	642

同时在漫游浏览数据过程中记录渲染帧率，实验结果如表2所示，可以看出采用动态合并节点的方式可大大减少渲染过程中每一帧的计算耗时，显著提升仿真渲染的效率。

表2渲染帧率的实验结果对比表

是否渲染优化	测试数据大小	平均帧率
			未优化	30G	45fps
优化	30G	58fps

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种树状分页细节层次结构TPLS，其特征在于，包括：

根节点R；

所述根节点R包括顶级数据节点D0₀₀和第1级分页瓦片组节点G1₀₀两个子节点，当根节点R创建时，顶级数据节点D0₀₀同时完成创建，第1级分页瓦片组节点G1₀₀随着数据的漫游动态构建与消亡；

所述第1级分页瓦片组节点G1₀₀包括第1级动态渲染数据节点RD1₀₀和第1级分页瓦片节点P1_ij(i,j>＝0；i,j<＝1)五个子节点，其中第1级动态渲染数据节点RD1₀₀在渲染遍历时由多个数据节点合并得到，是实际参与场景渲染的数据节点，第1级分页瓦片节点P1_ij代表第1级第i列第j行分页瓦片节点，当第1级分页瓦片组节点G1₀₀创建时，第1级分页瓦片节点P1_ij同时完成创建；

所述第1级分页瓦片节点P1_ij包括第2级数据节点D1_ij和第2级分页瓦片组节点G2_ij两个子节点，与顶级数据节点D0₀₀不同，第2级数据节点D1_ij是在树结构动态构建过程中开始创建的，通过多线程发起数据请求，当数据返回时完成创建，第2级分页瓦片组节点G2_ij随着数据的漫游动态构建与消亡；

所述第2级分页瓦片组节点G2_ij具有与第1级分页瓦片组节点G1₀₀相同的树状结构，并在漫游浏览需要时保持相同的结构向下逐级拓展，直到最后一级分页瓦片组节点Glast_mn(m,n>＝0；m,n<＝2^last-1-1)；

所述最后一级的分页瓦片组节点Glast_mn的树状结构中不再向下拓展下一级分页瓦片组节点。

2.一种海量倾斜摄影数据的调度渲染方法，其特征在于，基于权利要求1所述的树状分页细节层次结构TPLS进行倾斜摄影数据的调度渲染，具体步骤如下：

步骤1，构建瓦片根节点R和顶级数据节点D0₀₀，完成树状分页细节层次结构TPLS的初始化；

步骤2，确定当前帧的相机视点位置，计算视点与瓦片包围球中心的距离dis，若dis位于可视范围(minRange,maxRange]内，则执行步骤3进行裁剪计算；若dis小于等于minRange，则执行步骤4向下拓展树结构；若dis大于maxRange，则结束本次调度渲染，其中minRange、maxRange为可视范围的最大、最小值；

步骤3，进行裁剪计算，若瓦片被裁剪，则结束本次调度渲染，否则将顶级数据节点D0₀₀标记为可视数据节点，完成当前帧TPLS动态构建，并转至步骤7；

步骤4，向下拓展树结构，判断下一级分页瓦片组节点G1₀₀是否存在，若存在G1₀₀，则判断第一级动态渲染数据节点RD1₀₀是否存在，若存在RD1₀₀，则删除RD1₀₀，若不存在RD1₀₀，则保持其状态，再执行步骤5；若不存在G1₀₀，则先创建G1₀₀，然后按照四叉树结构创建四个第1级分页瓦片节点P1_ij(i,j>＝0；i,j<＝1)作为G1₀₀的子节点，再执行步骤5；

步骤5，进行瓦片可视范围和裁剪计算，判断P1_ij的可见性，若P1_ij不可见则停止向下拓展；若P1_ij可见，且第二级数据节点D1_ij已存在，则将D1_ij标记为可视数据节点，接下来执行步骤6，如D1_ij不存在，则发起多线程请求来获取所需数据，接下来执行步骤7；

步骤6，构建第2级分页瓦片组节点G2_ij，向下递归拓展树结构，直到构建的分页瓦片节点处于可视范围内为止，然后执行步骤7；

步骤7，判断所有的可视数据节点是否全部存在，对于仍未请求到的数据节点，逐级向上查找，以距离最近的瓦片数据来替代下面各级瓦片数据作为可视数据节点，然后执行步骤8，若所有的可视数据节点全部存在，则直接执行步骤8；

步骤8，对于处于同一分页瓦片组节点下的可视数据节点，若其节点数目大于1则进行节点合并得到动态渲染数据节点，若节点数目等于1则将此节点直接作为动态渲染数据节点，将动态渲染数据节点添加到TPLS下的对应位置，继续执行步骤9；

步骤9，开始渲染遍历，从根节点向下，若存在动态渲染数据节点，将此节点加入到这一帧的渲染场景中，当前帧的调度渲染过程结束。

3.根据权利要求2所述的海量倾斜摄影数据的调度渲染方法，其特征在于，步骤8中，对于处于同一分页瓦片组节点下的可视模型数据节点，若可视模型数据节点数目大于1，则进行节点合并得到动态渲染数据节点，具体方法为：

(1)取出所有模型节点中的图元顶点数组，合并成图元顶点数组P；

(2)取出所有模型节点中的几何图元集合，合并成图元集合G；

(3)取出所有模型节点中的二维纹理数组，合并成纹理数组T；

(4)取出所有模型节点中的纹理坐标数组，合并成纹理坐标数组C，同时建立纹理坐标索引数组I，纹理坐标索引数组与纹理坐标数组相对应，存储每个纹理坐标所在的纹理索引号；

(5)使用P、G、T、C构建出一个新的绘制节点，并将I传入到绘制节点的着色器中；

(6)在片元着色器中使用纹理坐标数组与纹理坐标索引数组在对应二维纹理中取出颜色四分量，完成片元着色。

4.根据权利要求2所述的海量倾斜摄影数据的调度渲染方法，其特征在于，对于瓦片根节点或分页瓦片节点，在节点构建时需要计算其可视范围，用于确定其可见性，具体计算步骤如下：

(1)根据瓦片地理范围计算得出瓦片在世界坐标系下的包围球；

(2)根据包围球半径R与调节因子f计算出瓦片的可视范围(minRange,maxRange]，minRange＝0.5*R*f，maxRange＝R*f，其中，f与倾斜摄影数据的精度相关。

5.一种海量倾斜摄影数据的调度渲染系统，其特征在于，基于权利要求2-4任一项所述的方法，进行海量倾斜摄影数据的调度渲染。

6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求2-4任一项所述的方法，进行海量倾斜摄影数据的调度渲染。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求2-4任一项所述的方法，进行海量倾斜摄影数据的调度渲染。

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