基于LOD的三維地形數(shù)據(jù)的組織研究

董文雪

摘 要：該文基于筆者從事LOD的相關(guān)研究，以基于LOD的三維地形數(shù)據(jù)組織為研究對象，論文首先探討了地形的分塊與調(diào)度方法，在此基礎(chǔ)上，探討了紋理與高程數(shù)據(jù)的組織方法，相信對從事相關(guān)研究的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：LOD 三維地形數(shù)據(jù) 組織

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0111-02

1 LOD概述

在運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對大規(guī)模場景進(jìn)行繪制時，常見的做法是用大量的三角面片來描述場景中的幾何模型。隨著描述場景的三角形面片的數(shù)目的增多，所繪制的圖像質(zhì)量會越來越高，但是繪制速度也會變得越來越慢，有時甚至?xí)驗槔L制的場景過于復(fù)雜而出現(xiàn)場景漫游不流暢、畫面跳變等現(xiàn)象，這些都會嚴(yán)重影響實時繪制的效果。為了解決這一問題，從20世紀(jì)90年代初開始，研究人員就在這方面開展了大量工作，而多層次細(xì)節(jié)（Levels of Details，LOD）模型技術(shù)就是在這樣的情況下提出并發(fā)展起來的。

2 地形的分塊與調(diào)度方法

當(dāng)前，大范圍、海量數(shù)據(jù)的獲取已成為現(xiàn)實，空間數(shù)據(jù)的數(shù)量正在呈幾何級數(shù)增長。然而，受計算機(jī)內(nèi)存容量、計算和繪制能力或者操作系統(tǒng)管理能力等因素的限制，在虛擬場景中一次裝入大規(guī)模的地形數(shù)據(jù)顯得不切實際，所以必須對原始地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理。

根據(jù)Web三維數(shù)字地球的數(shù)據(jù)存儲、運(yùn)行效率等具體應(yīng)用需要，該文采用與視點相關(guān)的數(shù)據(jù)調(diào)度策略，“自頂向下”（從粗到細(xì)）的地形簡化策略，以規(guī)則格網(wǎng)表示地形。

2.1 分層與存儲

采用規(guī)則格網(wǎng)的地形數(shù)據(jù)實現(xiàn)視點相關(guān)的LOD簡化技術(shù)，必須對地形中的不同部分采用不同的表達(dá)分辨率。也就是說，需要采用一種分層表達(dá)方式，能對格網(wǎng)中的不同部分實現(xiàn)漸進(jìn)細(xì)分。目前，有許多方法能夠?qū)崿F(xiàn)這種多分辨率表達(dá)方式。其中最為通用的兩種方式是四叉樹和二叉樹。所謂四叉樹結(jié)構(gòu)就是將一個矩形區(qū)域均勻地分割為4個部分，而其中的每一部分又可以被分割為4個更小的部分，依次類推。四叉樹結(jié)構(gòu)構(gòu)造地形的基本思想是：利用四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示地形模型時，樹中的每一個節(jié)點都覆蓋地形中的一塊相應(yīng)的矩形區(qū)域。上層的節(jié)點涉及的采樣點較少，用其來表示地形時具有更高的繪制效率，但分辨率較低，地形表示的誤差較大。底層地形的分辨率高，誤差小，但繪制效率低。該文中實現(xiàn)的三維數(shù)字地球就采用了四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其基本分層原理為以地球360 °經(jīng)度和180 °緯度為標(biāo)準(zhǔn)，第一層以36 °劃分，共分為（360/36）*（180/36）=50塊，第二層以18 °，第三層以9 °，依次類推。

由于按平面展開層層劃分，所以這里涉及到行、列的概念，通過由行、列到經(jīng)、緯度值的轉(zhuǎn)換，劃分后的每個方格對應(yīng)一個該層的紋理，再加上高度值就可以實時渲染三維圖像了。

2.2 裂縫消除

動態(tài)地形的實時渲染可能會由于相鄰兩個矩形格網(wǎng)節(jié)點的分辨率不同而引起T型裂縫，此時，由于高分辨率LOD層上增加了新的頂點，而在相鄰低LOD層上沒有該頂點，因此在邊界上就可能產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象。在圖形繪制時，將會導(dǎo)致在地形中出現(xiàn)空洞，會影響漫游時的視覺效果，同時可能會大大降低地形的真實感。裂縫的產(chǎn)生是由于在接邊處，相鄰格網(wǎng)節(jié)點參與構(gòu)網(wǎng)的頂點不同而造成的，如果使相鄰矩形格網(wǎng)節(jié)點邊界上的構(gòu)網(wǎng)頂點數(shù)相同，則不會出現(xiàn)裂縫。因此，解決裂縫問題的關(guān)鍵是正確選擇相鄰不同分辨率節(jié)點邊界上參與構(gòu)網(wǎng)的頂點。

有兩類常見的解決方法：一類是細(xì)化可能產(chǎn)生裂縫的格網(wǎng)節(jié)點，如反復(fù)細(xì)分裂縫周邊三角形以產(chǎn)生連續(xù)的表面、在格網(wǎng)的縫隙間插入新三角形以生成連續(xù)的地形表面，或在低分辨率格網(wǎng)邊界上增加頂點，使得他們和高分辨率格網(wǎng)的多余頂點處于同一位置如圖1（b）；另一類則是簡化可能產(chǎn)生裂縫的格網(wǎng)節(jié)點，如改變高分辨率LOD地形格網(wǎng)中邊界上所增加的頂點的高程值，使增加的這些頂點位于相鄰的低分辨率LOD地形格網(wǎng)的邊界上，或者是忽略高分辨率地形格網(wǎng)中的中間頂點，如圖1（c）。

一般來說，細(xì)化類方案比較全面，任意層次的相鄰節(jié)點都能夠產(chǎn)生較好的繪制效果，但由于其增加了繪制三角形或頂點的數(shù)目，實現(xiàn)起來較為復(fù)雜，其繪制效率方面也必然有所損失；而簡化策略在相鄰節(jié)點層次差不超過1時也能較好地實現(xiàn)實時繪制，且實現(xiàn)較為簡單，繪制效率也較高，更加符合大規(guī)模地形繪制這種與視點相關(guān)的數(shù)據(jù)調(diào)度，因此這里我們選用減邊策略來消除裂縫。

2.3 視域剔除

在實時繪制中，視域剔除是減少需要繪制場景幾何復(fù)雜性的有效途徑之一。對于大規(guī)模地形，由于當(dāng)前視域大都只涉及地形的局部區(qū)域，因而視域剔除對于加速繪制作用更為明顯。由于對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行了分塊處理，因此只需對分塊數(shù)據(jù)作一次裁減判斷，減少了裁減判斷時間；同時，針對三維數(shù)字地球的情況，對于遮擋可以不予考慮。裁減采用矩形包圍盒的方式，即在整個節(jié)點的中心位置建立包圍盒，如圖2，包圍盒的半徑是數(shù)據(jù)塊長、寬、高最大值的一半，在具體實現(xiàn)中，通過對包圍盒進(jìn)行裁減判斷，由返回值確定是否繪制，有效降低了每次顯示的數(shù)據(jù)量、提高了顯示速度。

3 紋理與高程

紋理是增強(qiáng)地形真實繪制的有效手段，特別是高清晰的衛(wèi)星圖像可行時，能顯示大規(guī)模的紋理也是急需解決的問題。許多有關(guān)地形LOD技術(shù)的文獻(xiàn)都側(cè)重于介紹有關(guān)地形幾何數(shù)據(jù)管理方面的內(nèi)容而忽略了紋理映射問題。實際上，地形表面紋理組織以及顯示等方面也有許多非常重要的技術(shù)問題需要研究和解決。

3.1 紋理與高程數(shù)據(jù)的組織

當(dāng)?shù)匦委B加紋理時，如果全部載入最精細(xì)紋理，繪制速度會有明顯降低，同時，全部采用最細(xì)節(jié)紋理顯示所有地形也會造成較差的視覺效果。根據(jù)地形數(shù)據(jù)的分層四叉樹結(jié)構(gòu)，我們對紋理數(shù)據(jù)采用了瓦片金字塔結(jié)構(gòu)存儲，將不同精細(xì)程度的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行分級，每個劃分后的地形數(shù)據(jù)網(wǎng)格對應(yīng)一個該層下的一張512×512的紋理圖片。

對于高程數(shù)據(jù)，我們同樣采用分層方式進(jìn)行組織與調(diào)度，對每個劃分后的地形數(shù)據(jù)網(wǎng)格進(jìn)行分割，生成n個頂點，對應(yīng)該層下的一組高程數(shù)據(jù)，根據(jù)地形數(shù)據(jù)、紋理圖片與高程數(shù)據(jù)即可進(jìn)行地形的實時繪制了。

3.2 下載與調(diào)度策略

當(dāng)需要渲染區(qū)域的四叉樹網(wǎng)絡(luò)生成后，就可以確定需要渲染的區(qū)域信息。在劃分層次網(wǎng)格與填充網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)信息完成后，首先對本地緩存進(jìn)行訪問，提取對應(yīng)的紋理與高程數(shù)據(jù)，若存在則直接渲染，若不存在，則根據(jù)網(wǎng)格所在層級、行、列值生成URL向服務(wù)器進(jìn)行請求，進(jìn)行下載。當(dāng)?shù)趎+1層下載存在未下載完成的紋理時，則繼續(xù)顯示該塊的第n層紋理，以完成平滑過渡，如圖3所示。

對紋理與高程的下載采用了優(yōu)先級策略，設(shè)下載隊列的長度為l，當(dāng)l>200時，則對下載優(yōu)先級進(jìn)行判斷，刪除掉下載優(yōu)先級較低的下載元素；而當(dāng)有下載完成時，也通過判斷調(diào)取優(yōu)先級較高的先進(jìn)行下載。數(shù)據(jù)下載完成后，對地形進(jìn)行實時渲染。

4 結(jié)語

該文從基于視點的連續(xù)層次模型、多分辨紋理選取以及數(shù)據(jù)的組織和裝載等幾個方面對LOD地形簡化技術(shù)進(jìn)行了分析，最后提出將LOD技術(shù)應(yīng)用于三維數(shù)字地球的實時渲染系統(tǒng)中，有效地改善了實時渲染的速度和精度的動態(tài)調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡愛華，何宗宜，馬曉萍.基于LOD的大規(guī)模地形實時繪制方法[J].測繪通報，2009（12）.

[2] 雷軍環(huán)，曾凡喜，吳名星.基于四叉樹的視點相關(guān)LOD地形仿真算法研究[J]. 制造業(yè)自動化，2010（8）.

[3] 黃霆，趙紅武.動態(tài)LOD四叉樹虛擬地形繪制[J].現(xiàn)代 計算機(jī)（專業(yè)版）. 2010（3）.

[4] 曹敏，楊長興，楊煉.大規(guī)模地形漫游中動態(tài)LOD算法研究[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008（10）.endprint