高速公路地形三維仿真關(guān)鍵技術(shù)研究

王 宇，陳先橋，高 嵩

(1.武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430063;2.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063)

高速公路視景仿真軟件可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行線形指標(biāo)衡量，景觀設(shè)置調(diào)配，環(huán)保經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等，同時(shí)還可以作為項(xiàng)目招標(biāo)過(guò)程中的效果演示及工程完工后的展示［1］。但由于高速公路線長(zhǎng)、面積廣，使得高速公路地形具有大規(guī)模性的特點(diǎn)。如何根據(jù)真實(shí)的地形數(shù)據(jù)快速有效地生成大規(guī)模地形并進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染成為高速公路視景仿真的關(guān)鍵。

目前在高速公路地形三維仿真方面，長(zhǎng)安大學(xué)進(jìn)行了西漢高速公路秦嶺北麓路段人—車—路(環(huán)境)聯(lián)合虛擬仿真系統(tǒng)的研究，該研究完成了基于GIS數(shù)據(jù)的真實(shí)地形生成，但其只選取了西漢高速公路的一段25 km長(zhǎng)的路段，不能體現(xiàn)高速公路地形的大規(guī)模性［2］;黃江波等做了孝襄高速公路部分路段的視景仿真，但該研究并未對(duì)孝襄高速全景地形三維仿真提出合理的解決方案［3］。在地形三維渲染方面，目前國(guó)內(nèi)外主要采用連續(xù) LOD(levels of detail)技術(shù)，主要包括DUCHAINEAUY提出的基于二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的ROAM算法［4］，LINDSTROM 提出的基于規(guī)則格網(wǎng)的連續(xù)細(xì)節(jié)層次實(shí)時(shí)高度場(chǎng)繪制算法［5］，ROTTGER等提出的基于規(guī)則格網(wǎng)的幾何形狀過(guò)渡算法［6］。這些算法都是從視點(diǎn)角度采用連續(xù)LOD技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形三維渲染的優(yōu)化。

針對(duì)高速公路一般具有線性、狹長(zhǎng)的特性，在宏觀上提出了一種按道路線形進(jìn)行地形劃分的方案，將地形的原始勘測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多個(gè)小塊地形數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)小塊地形數(shù)據(jù)提取點(diǎn)插值生成格網(wǎng)來(lái)生成小塊地形。為解決多地形塊之間的拼接問(wèn)題，筆者提出了一種多地形塊之間的邊緣融合算法。微觀上對(duì)小塊地形渲染采用OGRE引擎內(nèi)置的基于連續(xù)LOD的GeoMipMapping算法，宏觀上對(duì)多塊地形采用動(dòng)態(tài)調(diào)度策略來(lái)實(shí)現(xiàn)高速公路大規(guī)模地形的交互式實(shí)時(shí)漫游。

1 地形分塊建模

通常大規(guī)模地形涉及到海量的數(shù)據(jù)，一般不可能將所有的數(shù)據(jù)一次性全部載入內(nèi)存，必須根據(jù)地形繪制的要求，實(shí)時(shí)地進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)加載與卸載。同時(shí)由于高速公路視景仿真需要對(duì)真實(shí)地形的勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，構(gòu)建大規(guī)模的地形模型非常復(fù)雜，而構(gòu)建小塊的地形模型則比較簡(jiǎn)單，因此必須對(duì)原始地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊劃分。

就高速公路視景仿真而言，從第一人稱視角來(lái)看，視點(diǎn)是在道路上，觀察者關(guān)心的是道路沿線的景觀，并不關(guān)心縱向上距離高速公路很遠(yuǎn)的場(chǎng)景，因此只需要對(duì)高速公路沿線的場(chǎng)景進(jìn)行仿真，如圖1所示?；谠撎匦裕P者提出基于高速公路線形走勢(shì)進(jìn)行地形劃分的思想。

圖1 地形分塊示意圖

為了使劃分簡(jiǎn)單易操作且降低地形生成的復(fù)雜度，筆者在原始地形數(shù)據(jù)上按矩形區(qū)域?qū)Φ匦芜M(jìn)行劃分。沿著道路線形對(duì)需要仿真的地形區(qū)域依次構(gòu)建鄰接矩形區(qū)域完成對(duì)地形的分塊劃分。同時(shí)在此過(guò)程中，為了使建模后的多塊地形之間能夠較好地銜接，在任意兩塊地形之間構(gòu)建一小塊重疊區(qū)域如圖1所示。這樣不僅有利于地形的生成，同時(shí)也有利于地形模型的渲染及動(dòng)態(tài)調(diào)度。

1.1 地形模型選擇

目前，使用最多的地形模型主要有3種，分別是等高線模型、TIN不規(guī)則三角網(wǎng)模型和規(guī)則格網(wǎng)模型。其中，等高線模型通常需要一種插值方法來(lái)計(jì)算落在等高線外的其他點(diǎn)的高程，不利于地形的實(shí)時(shí)渲染;TIN不規(guī)則三角網(wǎng)模型雖然能夠減少格網(wǎng)模型帶來(lái)的數(shù)據(jù)冗余，但其模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于構(gòu)建以及LOD的實(shí)現(xiàn)［7］;格網(wǎng)模型所需存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，不能精確地表示地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)部，但格網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且利于構(gòu)建以及 LOD 的實(shí)現(xiàn)［8］。

由于格網(wǎng)模型簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)LOD，目前大多數(shù)地形仿真都是使用格網(wǎng)模型。高速公路仿真的重點(diǎn)在于如何高效地渲染地形，不需要非常精細(xì)的地形模型，且基于分塊劃分的矩形區(qū)域容易生成格網(wǎng)數(shù)據(jù)，因此筆者采用格網(wǎng)模型來(lái)表示地形。

針對(duì)格網(wǎng)模型數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，可以通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮的方法來(lái)減少冗余。由于格網(wǎng)模型具有規(guī)則的網(wǎng)格，任意兩個(gè)網(wǎng)格之間大小固定，可以順序存儲(chǔ)每個(gè)點(diǎn)的高程值，只需要知道一個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，就可以根據(jù)格網(wǎng)的大小偏移計(jì)算出其他點(diǎn)的坐標(biāo)。由于圖像具有順序的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，因而可以使用位圖格式來(lái)存儲(chǔ)格網(wǎng)數(shù)據(jù)，位圖中的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)格網(wǎng)中的每一點(diǎn)，像素中的值就存儲(chǔ)格網(wǎng)的高程值。目前各種位圖都有無(wú)損壓縮算法，因此基于位圖的方式來(lái)存儲(chǔ)格網(wǎng)數(shù)據(jù)可以降低格網(wǎng)數(shù)據(jù)所占存儲(chǔ)空間，減少數(shù)據(jù)冗余。

1.2 地形分塊標(biāo)準(zhǔn)

按照道路線形對(duì)整個(gè)地形進(jìn)行劃分，如果矩形區(qū)域太大，則生成的格網(wǎng)數(shù)據(jù)會(huì)很多，從而造成一塊地形很大，不利于渲染和加載且數(shù)據(jù)冗余量大;如果矩形區(qū)域太小，格網(wǎng)數(shù)據(jù)會(huì)相對(duì)減少，冗余數(shù)據(jù)也會(huì)相對(duì)減少，但由于任何兩個(gè)矩形區(qū)域之間有一定的重疊區(qū)域，重疊區(qū)域塊的增加會(huì)導(dǎo)致冗余數(shù)據(jù)量增加，從而造成整體數(shù)據(jù)冗余量比矩形區(qū)域較大時(shí)還要多。因此確定一個(gè)合適的矩形區(qū)域劃分的大小至關(guān)重要。

對(duì)于采用格網(wǎng)模型的地形來(lái)說(shuō)，山區(qū)高速公路視景仿真對(duì)地形的精度要求不高，目前很多學(xué)者在對(duì)山區(qū)高速公路進(jìn)行視景仿真時(shí)對(duì)高速公路地形格網(wǎng)間距選取為10～30 m，筆者選取格網(wǎng)間距為10 m，能夠滿足高速公路視景仿真對(duì)地形精度的要求。

筆者采用OGRE中的地形場(chǎng)景管理模塊來(lái)渲染地形，該地形場(chǎng)景管理模塊對(duì)地形格網(wǎng)數(shù)據(jù)有特殊的要求，一塊地形的格網(wǎng)必須是正方形，且正方形邊長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量必須是2n+1。為了能夠更好地對(duì)多塊地形之間進(jìn)行邊緣融合處理，筆者選取重疊區(qū)域的邊長(zhǎng)為1 km左右，需要100個(gè)左右的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，如果將邊長(zhǎng)的格網(wǎng)大小設(shè)置為513，則可用數(shù)據(jù)量只有400左右，分塊太小。因此筆者選取邊長(zhǎng)為1025的格網(wǎng)，有效格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)為900個(gè)左右，則每塊能夠容納的高速公路有效數(shù)據(jù)為9 km左右，而地形方形區(qū)域邊長(zhǎng)大小約為10 km。因此從原始的地形數(shù)據(jù)上對(duì)地形進(jìn)行分塊劃分時(shí)每個(gè)地形方形區(qū)域邊長(zhǎng)大小約為9～10 km，相鄰兩個(gè)地形塊之間設(shè)置長(zhǎng)度約1 km的重疊區(qū)域。采用該方案能夠滿足對(duì)地形渲染的實(shí)時(shí)性要求，如果再大則地形的原始數(shù)據(jù)量過(guò)大，不利于地形格網(wǎng)數(shù)據(jù)的生成，同時(shí)在渲染時(shí)也會(huì)消耗大量?jī)?nèi)存降低渲染效率。

2 格網(wǎng)地形生成

在分塊處理的基礎(chǔ)上對(duì)分塊后的小塊地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成地形規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)。一般地形原始數(shù)據(jù)的格式主要包括GIS數(shù)據(jù)，CAD數(shù)據(jù)等，筆者主要針對(duì)CAD數(shù)據(jù)來(lái)生成地形，由于CAD數(shù)據(jù)中DXF文件格式是公開(kāi)的，因此選用DXF文件的CAD數(shù)據(jù)來(lái)生成地形規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)，其中格網(wǎng)地形生成流程圖如圖2所示。

圖2 格網(wǎng)地形生成流程圖

首先將獲得的地形原始數(shù)據(jù)分成小塊，然后利用CAD軟件將小塊地形轉(zhuǎn)換生成DXF格式的地形數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)DXF文件格式分析可知，DXF文件主要包括各種圖元信息，文獻(xiàn)［9-10］對(duì)DXF文件進(jìn)行了詳細(xì)的分析。因此只需要提取出DXF文件中含有高程值的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析DXF中的各種圖元格式，依次提取出帶有高程值的點(diǎn)數(shù)據(jù)信息即可。

提取出離散點(diǎn)數(shù)據(jù)后，需要對(duì)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值生成規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)，選用Surfit軟件將離散點(diǎn)數(shù)據(jù)插值生成地形規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)。

3 多地形塊間邊緣融合算法

3.1 格網(wǎng)模型邊緣融合

原始地形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)提取、插值、生成格網(wǎng)數(shù)據(jù)后所重疊的區(qū)域，如圖3所示。由于兩塊區(qū)域的格網(wǎng)數(shù)據(jù)分別通過(guò)插值生成，因此該重疊區(qū)域必然不會(huì)吻合，經(jīng)過(guò)渲染后會(huì)在兩塊地形的重疊區(qū)域產(chǎn)生交錯(cuò)、閃爍和層疊，因此必須對(duì)該區(qū)域進(jìn)行邊緣融合處理。在該格網(wǎng)數(shù)據(jù)中，由于其邊長(zhǎng)必須是2n+1，而經(jīng)過(guò)插值生成的格網(wǎng)數(shù)據(jù)不一定滿足要求，故需要填充一些無(wú)效數(shù)據(jù)。在插值生成的格網(wǎng)數(shù)據(jù)中邊界數(shù)據(jù)相對(duì)不夠準(zhǔn)確，因此在重疊區(qū)域中，格網(wǎng)數(shù)據(jù)p1中bcd區(qū)域的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，而格網(wǎng)數(shù)據(jù)p2中abc區(qū)域的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。為了能夠充分利用p2中abc區(qū)域的數(shù)據(jù)和p1中bcd區(qū)域的數(shù)據(jù)，同時(shí)又能使處理后的重疊區(qū)域數(shù)據(jù)融入 p1，p2中，在 ab、ac、cd、bd 邊界上看不出凸起，筆者采用斜向變步長(zhǎng)線性融合算法對(duì)p1與p2的重疊區(qū)域進(jìn)行線性融合。

圖3 地形邊緣融合示意圖

圖4 斜向變步長(zhǎng)線性融合示意圖

將圖3中abcd區(qū)域放大如圖4所示，假設(shè)格網(wǎng)數(shù)據(jù)p2在該區(qū)域的高程值為p2()，格網(wǎng)數(shù)據(jù)p1在該區(qū)域的高程值為p1()。在該區(qū)域中定義一組斜率為-1的直線ij，該直線與矩形區(qū)域abcd中的任意兩條邊相交于i、j兩點(diǎn)，如圖4中虛線所示。對(duì)于其中任意一條直線ij上面的任意一點(diǎn)k，k到i的步長(zhǎng)為|yi–yk|，k到 j的步長(zhǎng)為|yj– yk|，總步長(zhǎng)為|yj–yi|。當(dāng)k點(diǎn)離 ac或ab邊比較近時(shí)則k點(diǎn)在格網(wǎng)數(shù)據(jù)p2中占的權(quán)重大，在格網(wǎng)數(shù)據(jù)p1中占的權(quán)重小，采用k點(diǎn)到i，j的距離與ij總距離的比值定義k點(diǎn)在p1和p2中的權(quán)重。則k點(diǎn)在p1中的權(quán)重為:

k點(diǎn)在p2中的權(quán)重為:

根據(jù)以上權(quán)重定義該區(qū)域中任意點(diǎn)k的高程值為:

根據(jù)以上分析構(gòu)建多塊地形間的邊緣融合算法，偽代碼描述如下:

For重疊區(qū)域中每一條斜率為-1的直線ij;

For直線 ij上每一點(diǎn) k(xk，yk);

計(jì)算k點(diǎn)在p1中的權(quán)重w1=

計(jì)算k點(diǎn)在p2中的權(quán)重w2=

3.2 邊緣紋理拼接

由于在地形進(jìn)行渲染時(shí)多塊地形是分別進(jìn)行的，因此在任意兩塊地形之間會(huì)存在紋理拼接問(wèn)題，需要對(duì)重疊區(qū)域的紋理坐標(biāo)進(jìn)行偏移來(lái)達(dá)到邊緣紋理拼接的目的。筆者采用平鋪的方式進(jìn)行地形紋理處理。對(duì)于每塊地形的局部坐標(biāo)取左上角為(0，0，z)，右下角為(xmax，ymax，z)，因此假設(shè)每塊地形任意點(diǎn)的局部坐標(biāo)為(x，y，z)，紋理貼圖大小為n×n，紋理平鋪調(diào)節(jié)因子為k。

采用紋理平鋪方式，格網(wǎng)地形p2上任意一點(diǎn)(x，y)對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)為:

假設(shè)格網(wǎng)地形p2與p1重疊區(qū)域中左上角點(diǎn)a在p2中的局部坐標(biāo)為(xa，ya)，則格網(wǎng)地形p1上任意一點(diǎn)(x，y)對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)為:

其中，k為紋理調(diào)節(jié)因子，當(dāng)k增大時(shí)紋理平鋪次數(shù)增加;當(dāng)k減小時(shí)紋理平鋪次數(shù)減小。采用CG著色語(yǔ)言在片段著色階段根據(jù)以上公式重新計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)，并根據(jù)提供的紋理獲取各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋理值，從而達(dá)到地形邊緣紋理上的拼接。

4 地形渲染

在地形渲染上，筆者從兩個(gè)方面來(lái)控制地形的繪制。在微觀上，采用OGRE引擎內(nèi)置的基于連續(xù)LOD的GeoMipMapping算法來(lái)繪制小塊地形;在宏觀上，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形塊的動(dòng)態(tài)加載與卸載。

從高速公路視景仿真的角度來(lái)看，第一人稱視角是沿著道路漫游，那么視點(diǎn)只能沿著道路前進(jìn)或后退。在對(duì)地形進(jìn)行分塊時(shí)是依道路線形進(jìn)行的，在任意時(shí)刻視點(diǎn)只可能在一塊地形上。按照地形分塊的連續(xù)性特性可知，視點(diǎn)下一時(shí)刻所處的位置只可能是在當(dāng)前地形的上一塊、下一塊或當(dāng)前塊。當(dāng)視點(diǎn)處于前進(jìn)過(guò)程中位于當(dāng)前塊的邊緣時(shí)，如果下一塊沒(méi)有加載，則會(huì)出現(xiàn)當(dāng)前視點(diǎn)前沒(méi)有任何場(chǎng)景，從而影響仿真效果，因而必須采用預(yù)取策略提前加載下一塊地形使得場(chǎng)景仿真具有連貫性。同時(shí)為了減少內(nèi)存中資源的駐留量，對(duì)于不需要的地形塊需要卸載。因此，為了使在原剪裁面范圍內(nèi)始終有地形存在，筆者采用動(dòng)態(tài)調(diào)度策略保證在任意時(shí)刻有3塊地形在內(nèi)存中，即當(dāng)前塊、上一塊和下一塊，釋放掉其他的無(wú)用地形塊，動(dòng)態(tài)調(diào)度算法偽代碼描述如下:

For每一幀;

計(jì)算當(dāng)前視點(diǎn)位置;

如果視點(diǎn)位于當(dāng)前塊覆蓋區(qū)域則返回;

如果視點(diǎn)位于當(dāng)前塊的下一塊，上一塊地形存在則釋放，更新下一塊為當(dāng)前塊，下一塊地形存在則加載并返回;

如果視點(diǎn)位于當(dāng)前塊的上一塊，下一塊地形存在則釋放，更新上一塊為當(dāng)前塊，上一塊地形存在則加載并返回;

End for

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為六武高速地形數(shù)據(jù)，其中六武高速全長(zhǎng)90 km，對(duì)原始的六武高速地形CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，每塊地形覆蓋約為9 km的道路，將整個(gè)六武高速地形劃分為10塊。然后對(duì)每塊數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)，將生成的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣融合處理，最后將規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)壓縮成高位圖數(shù)據(jù)，生成的地形高位圖如圖5(a)所示。

在Windows平臺(tái)下，筆者基于OGRE引擎提供的基于連續(xù)LOD的GeoMipMapping算法對(duì)小塊地形進(jìn)行渲染，同時(shí)在宏觀上對(duì)多塊地形采用動(dòng)態(tài)調(diào)度策略來(lái)實(shí)現(xiàn)高速公路大規(guī)模地形的實(shí)時(shí)渲染，其中渲染效果圖如圖5(b)、(c)、(d)所示。兩塊地形采用了兩種不同的紋理貼圖，其中圖5(b)為沒(méi)有進(jìn)行邊緣融合的效果圖，可以看到明顯的交錯(cuò)、閃爍和層疊效應(yīng);圖5(c)為模型經(jīng)過(guò)邊緣融合的效果圖，完全消除了圖5(b)中的交錯(cuò)效應(yīng)。應(yīng)用邊緣紋理拼接技術(shù)后兩塊地形采用相同的紋理渲染后生成的效果圖如圖5(d)所示，在圖5(c)進(jìn)行模型邊緣融合的基礎(chǔ)上消除了紋理邊緣拼接問(wèn)題。

圖5 地形高位圖及渲染效果圖

在硬件環(huán)境為酷睿雙核2.2 GHz，2 G內(nèi)存，G105M顯卡的筆記本上進(jìn)行測(cè)試，一般情況下圖形繪制平均幀率為35幀，塊與塊之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度的平均幀率為20幀。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，地形場(chǎng)景繪制能基本滿足高速公路視景仿真的要求，雖在地形塊動(dòng)態(tài)加載卸載的瞬間會(huì)有短暫的幀率下降，但也能滿足高速公路視景實(shí)時(shí)漫游的要求。由此可見(jiàn)，采用筆者的地形生成與調(diào)度算法，能夠高效、快速地生成高速公路周邊的大規(guī)模地形，有效地解決大規(guī)模地形的繪制問(wèn)題。

6 結(jié)論

筆者針對(duì)高速公路視景仿真過(guò)程中的大規(guī)模地形繪制問(wèn)題，提出了一種按道路線形對(duì)地形進(jìn)行分塊的整體劃分方案，同時(shí)根據(jù)相鄰兩塊地形間的重疊數(shù)據(jù)提出了一種斜向變步長(zhǎng)線性融合算法，較好地解決了相鄰地形塊間的邊緣銜接問(wèn)題。并結(jié)合現(xiàn)有的地形塊繪制技術(shù)，從宏觀上對(duì)地形塊采用動(dòng)態(tài)調(diào)度策略來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形的實(shí)時(shí)渲染。理論上，筆者提出的方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限長(zhǎng)高速公路周邊地形的生成與繪制，并能夠在普通PC機(jī)上達(dá)到較好的效果，完全能夠滿足高速公路視景仿真過(guò)程中對(duì)地形渲染的要求。

［1］黃江波，李杰.高速公路視景仿真系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.公路，2006(4):202-206.

［2］袁望方.山區(qū)高速公路人-車-路-環(huán)境-運(yùn)行虛擬仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)圖書館，2009.

［3］黃江波，李杰，劉堯.視景仿真系統(tǒng)在孝襄高速公路中的應(yīng)用［J］.武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，15(1):68-71.

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