大規(guī)模水下地形實(shí)時(shí)三維可視化技術(shù)研究

馮傳勇　張振軍

摘要：針對(duì)大規(guī)模水下地形海量數(shù)據(jù)與有限的計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間及顯卡繪圖效率之間的矛盾，提出了一種基于DEM瓦片金字塔模型與Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的海量地形數(shù)據(jù)組織與儲(chǔ)存方法，以及一種基于透視投影的四叉樹調(diào)度方法，實(shí)現(xiàn)LOD地形實(shí)時(shí)高效渲染。針對(duì)水下地形起伏小、立體效應(yīng)差的問題，提出一種基于高程分布概率密度的自適應(yīng)分層設(shè)色法，增強(qiáng)了水下地形渲染的立體感。典型應(yīng)用結(jié)果表明：該方法可突破計(jì)算機(jī)硬件性能限制，在普通PC機(jī)環(huán)境實(shí)現(xiàn)大規(guī)模水下地形的實(shí)時(shí)、交互式三維可視化，并取得較高的效率和良好的視覺效果。

關(guān)鍵詞：水下地形; 三維可視化; 層次細(xì)節(jié)模型; 數(shù)字高程模型; 自適應(yīng)分層設(shè)色

中圖法分類號(hào)： TV221.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.019

0引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、空間地理信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)測(cè)繪現(xiàn)代化和信息化發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段，即從以地圖生產(chǎn)為主的數(shù)字化階段轉(zhuǎn)向以地理信息服務(wù)為主的信息化階段。在水下地形測(cè)繪領(lǐng)域，傳統(tǒng)DLG（數(shù)字線劃圖）無法滿足豐富、多樣、廣泛、便捷的地理信息服務(wù)需求，水下地形三維可視化正成為該領(lǐng)域的重要關(guān)注點(diǎn)之一[1-2]，其在防洪減災(zāi)、水資源調(diào)查、水域?qū)Ш健⑸嫠こ探ㄔO(shè)、水域河道航運(yùn)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值[3-5]。

隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的不斷提高，水下地形三維可視化技術(shù)也得到了很大的改善。與此同時(shí)，隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷進(jìn)步，水下地形可視化需要處理的數(shù)據(jù)量也在飛速增長(zhǎng)。面對(duì)TB級(jí)甚至PB級(jí)的大規(guī)模地形數(shù)據(jù)，水下地形三維可視化技術(shù)面臨著巨大挑戰(zhàn)。如何突破當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟硬件水平的限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模水下地形場(chǎng)景實(shí)時(shí)、交互式三維可視化，一直都是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)[6-7]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海量地形數(shù)據(jù)的合理組織[8]、分區(qū)調(diào)度等方面進(jìn)行了大量研究[9-10]。針對(duì)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足的問題，提出了四叉樹、八叉樹、瓦片金字塔等數(shù)據(jù)組織模型[11-13];針對(duì)顯卡渲染效率有限的問題，提出了基于LOD（層次細(xì)節(jié)模型）的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法[14-15]。存在的主要不足包括兩方面：一是普遍采用文件方式組織和存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)，不利于數(shù)據(jù)安全、遠(yuǎn)程共享;二是普遍針對(duì)陸地地形三維可視化，與陸地地形相比，水下地形通常起伏變化較小，且缺乏真實(shí)影像紋理數(shù)據(jù)，采用常規(guī)方法立體效果較差。

為此，本文針對(duì)水下地形數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，研究水下地形三維建模與可視化技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)與LOD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模水下地形數(shù)據(jù)合理組織、存儲(chǔ)與高效調(diào)度;通過自適應(yīng)分層設(shè)色，增強(qiáng)水下地形立體效果。并在此基礎(chǔ)上，基于OpenGL開發(fā)了一套水下地形三維可視化系統(tǒng)。

1水下地形三維建模

1.1DEM瓦片金字塔生成

水下地形三維模型常用規(guī)則格網(wǎng)DEM（數(shù)字高程模型）或TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）表示。其中，規(guī)則格網(wǎng)DEM具有數(shù)據(jù)量小、計(jì)算分析高效、易于更新等優(yōu)勢(shì)，是三維數(shù)字地球等大規(guī)模地形場(chǎng)景三維可視化普遍采用的模型。本文結(jié)合瓦片金字塔數(shù)據(jù)組織模型，將多波束測(cè)量得到的離散三維點(diǎn)云插值生成規(guī)則格網(wǎng)DEM，設(shè)瓦片大小為256行×256列，技術(shù)流程如下。

（1） 統(tǒng)計(jì)離散點(diǎn)云平面分布范圍，按照設(shè)定的DEM格網(wǎng)間隔和瓦片大小，將測(cè)區(qū)進(jìn)行分塊，并為離散點(diǎn)建立規(guī)則格網(wǎng)索引。

（4） 鑒于多波束等測(cè)深數(shù)據(jù)受慣導(dǎo)定位定姿精度、聲速效應(yīng)、測(cè)船姿態(tài)變化等多種因素影響，相對(duì)地面測(cè)量誤差較大，兼顧水下地形相對(duì)較平滑，采用高斯濾波器對(duì)DEM進(jìn)行濾波處理。高斯濾波核函數(shù)如式（3）所示，能較好地顧及光滑性，適合水下地形濾波;為加快運(yùn)算速度，二維卷積可由2次一維卷積運(yùn)算替代，可將算法復(fù)雜度由O（n2）降至O（2n），其中n為卷積窗口大小。

（5） 開展DEM瓦片金字塔構(gòu)建。對(duì)DEM瓦片按0.5倍大小降采樣，即將256×256大小的瓦片降采樣為128×128，并將相鄰行列的4個(gè)降采樣瓦片合并成一個(gè)新的256×256瓦片。

（6） 按照步驟（5），逐級(jí)降采樣與合并，得到一個(gè)多分辨DEM瓦片金字塔，層數(shù)如公式（4）所示。

（7） 從金字塔底層到頂層進(jìn)行DEM瓦片數(shù)據(jù)冗余檢測(cè)。對(duì)于相鄰兩層金字塔瓦片，若上一層瓦片的覆蓋范圍內(nèi)，下層瓦片DEM高差方差均小于設(shè)定閾值，則刪除下層瓦片。

（8） 水下地形通常缺少真實(shí)影像紋理，為渲染得到立體感、光滑的三維地形，需逐網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算平均法向量，使模型面片獲得正確的光照，產(chǎn)生陰影與立體效應(yīng)。格網(wǎng)點(diǎn)平均法向量的計(jì)算方法如圖1所示，取格網(wǎng)8鄰域點(diǎn)，與當(dāng)前點(diǎn)0連線，建立8個(gè)空間向量，將兩兩相鄰向量進(jìn)行叉乘計(jì)算法向量，取8組歸一化法向量的均值，如式（5）所示。為保證瓦片接邊處法向量的一致性，在瓦片接邊處取該瓦片與相鄰?fù)咂徲螯c(diǎn)計(jì)算平均法向量。

1.2DEM瓦片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理

目前，大部分的三維可視化系統(tǒng)采用基于文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理方式實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量地形數(shù)據(jù)的調(diào)度和漸進(jìn)繪制，該方式需要建立大量的文件或文件夾，并且其數(shù)據(jù)保密與數(shù)據(jù)更新困難。而基于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理模式可有效解決這些問題。鑒于在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)在穩(wěn)定性和性能方面更勝一籌，本文采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)DEM數(shù)據(jù)。每級(jí)（level）金字塔的基本信息對(duì)應(yīng)一條記錄，存儲(chǔ)在DEM信息數(shù)據(jù)表中，如表1所列。金字塔各級(jí)瓦片數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)在如表2所列DEM瓦片數(shù)據(jù)表中，每個(gè)瓦片對(duì)應(yīng)一條記錄。為便于快速調(diào)度，將瓦片DEM高程數(shù)據(jù)及法向量數(shù)據(jù)以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)。其中，高程數(shù)據(jù)采用float數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)，每個(gè)高程數(shù)據(jù)占用4字節(jié)存儲(chǔ)空間;將法向量數(shù)據(jù)歸一化后，映射到（0～255）區(qū)間，并采用uchar數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)，每個(gè)三維法向量?jī)H占3字節(jié)存儲(chǔ)空間，可大大減少數(shù)據(jù)量，從而提高查詢調(diào)度效率。為保證數(shù)據(jù)安全，為數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)不同權(quán)限的用戶，各用戶通過有效用戶名與密碼登錄。

2水下地形三維可視化

2.1模型自適應(yīng)分層設(shè)色

與陸地地形相比，水下地形通常起伏變化較小，僅僅依靠法向量與光照模型，立體感較差;而多波束等現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)無法采集得到水下地形的真實(shí)紋理數(shù)據(jù)。因此，通過合理的高程分層設(shè)色方法，結(jié)合法向量與光照模型可增強(qiáng)水下地形立體效果。分層設(shè)色法是以一定次序的顏色或色調(diào)變化來顯示質(zhì)量特征和數(shù)量逐級(jí)變化的方法。常規(guī)的分層設(shè)色方法需要人為設(shè)定各關(guān)鍵高程點(diǎn)的顏色，較為繁瑣;或采用等高差自動(dòng)均勻分層設(shè)色的方法，難以表現(xiàn)局部地形的微小變化。為此，本文借鑒直方圖規(guī)定化數(shù)字圖像增強(qiáng)的思想，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)分層設(shè)色的方法，流程如下：

（1） 設(shè)定n種（通常5～10種）不同RGB顏色。

（2） 逐瓦片統(tǒng)計(jì)DEM高程，得到整個(gè)測(cè)區(qū)的高程最小與最大值（Zmin，Zmax），并按設(shè)定高程間距（如0.5 m）將Zmin～Zmax區(qū)間劃分為m個(gè)子區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)高程子區(qū)間高程點(diǎn)的數(shù)量，即得到測(cè)區(qū)高程直方圖。

（3） 按式（6）計(jì)算高程直方圖的縮小倍率λ，將直方圖中每組數(shù)據(jù)縱坐標(biāo)值縮小λ倍并取整。

（4） 按直方圖縱坐標(biāo)值為m個(gè)子區(qū)間逐個(gè)分配不同數(shù)量的顏色（色階），并采用分段線性插值法，根據(jù)區(qū)間高程插值出每種顏色的RGB值。

（5） 將插值后顏色按高程次序排列，得到一組包含高程值與RGB顏色的漸變色卡。按色卡為DEM瓦片進(jìn)行著色。

顯然，該方法的本質(zhì)是根據(jù)水下地形高程分布密度進(jìn)行自適應(yīng)設(shè)色，給高程變化區(qū)間小、分布范圍大的區(qū)域分配數(shù)量更多的色階，使得該區(qū)域的自動(dòng)設(shè)色對(duì)高程變化更加敏感，從而能顯著地表現(xiàn)出局部地形的微小變化。

2.2DEM數(shù)據(jù)調(diào)度與渲染

采用金字塔模型僅解決了海量數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)問題，然而計(jì)算機(jī)顯卡繪圖能力有限與三維可視化渲染質(zhì)量、效率之間的矛盾還需要采用LOD（Level of Detail，層次細(xì)節(jié)模型）技術(shù)來消除。LOD的思想是指對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景的物體使用具有不同細(xì)節(jié)的描述方法得到一組模型，供繪制時(shí)選擇合適的細(xì)節(jié)模型使用。層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化技術(shù)在不影響畫面視覺效果的條件下通過逐次簡(jiǎn)化景物的表面細(xì)節(jié)來減少場(chǎng)景的幾何復(fù)雜性，從而提高繪制算法的效率。該技術(shù)通常對(duì)每一原始多面體模型建立幾個(gè)不同逼近精度的幾何模型，與原模型相比，每個(gè)模型均保留了一定層次細(xì)節(jié)。 當(dāng)從近處觀察物體時(shí)，采用精細(xì)模型;而當(dāng)從遠(yuǎn)處觀察物體時(shí)，則采用較為粗糙的模型。因此，DEM瓦片數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度與實(shí)時(shí)渲染是實(shí)現(xiàn)LOD的關(guān)鍵，即以地形數(shù)據(jù)預(yù)處理后形成的瓦片層次數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)為前提，在地形場(chǎng)景繪制過程中采用自適應(yīng)層次組織結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。

本文采用四叉樹算法實(shí)現(xiàn)DEM瓦片的動(dòng)態(tài)調(diào)度，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1） 對(duì)于0級(jí)（金字塔最頂層）DEM瓦片，分別連接兩對(duì)邊中點(diǎn)，使之分裂成4 個(gè)大小相同的子級(jí)瓦片。

（2） 對(duì)于每一個(gè)子級(jí)瓦片，取其4個(gè)角點(diǎn)，采用三維投影的模型矩陣、投影矩陣、視圖矩陣，計(jì)算瓦片在屏幕上的投影位置。

（3） 根據(jù)子瓦片投影位置，判斷該瓦片是否在窗口顯示范圍內(nèi)。

（4） 如果子瓦片在顯示范圍內(nèi)，則進(jìn)一步估算其投影面積和顯示分辨率。

（5） 如果該瓦片的細(xì)節(jié)層次尚未達(dá)到顯示分辨率要求，則按步驟（1）～（4）對(duì)該子瓦片繼續(xù)分裂。

（6） 依此遞歸，直至劃分至滿足要求的細(xì)節(jié)層次，則從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)度對(duì)應(yīng)層級(jí)的DEM瓦片進(jìn)行三維渲染。

按照上述方法，動(dòng)態(tài)加載的LOD地形由很多不同分辨率的DEM瓦片組成，若相鄰兩個(gè)瓦片具有不同的剖分層次，其邊界拼接處的高程值不完全相等，從而產(chǎn)生裂縫或孔洞。為了消除三維場(chǎng)景的裂縫，將DEM瓦片的每個(gè)格網(wǎng)剖分為兩個(gè)三角形來繪制，并在不同分辨率瓦片接邊處將兩兩相鄰的三角形合并成一個(gè)三角形來繪制，繪制方法如圖2所示。

采用四叉樹模型對(duì)水下地形進(jìn)行LOD處理后，可在保證地形渲染質(zhì)量的同時(shí)，大幅減少實(shí)時(shí)渲染的DEM網(wǎng)格數(shù)量。此時(shí)，大規(guī)模場(chǎng)景三維地形渲染效率還取決于從數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)時(shí)調(diào)度DEM瓦片數(shù)據(jù)的速度。應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的訪問通常采用ADO等中間件來實(shí)現(xiàn)，讀取大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低，難以滿足地形實(shí)時(shí)渲染對(duì)數(shù)據(jù)快速調(diào)度的要求。為此，本文采用OCI（Oracle Call Interface）直接與Oracle連接，以解決DEM瓦片數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度的效率問題。OCI是由Oracle提供的用于開發(fā)前端應(yīng)用程序及中間件的C/C++開發(fā)類型庫(kù)，是Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)的底層訪問接口，相較于 ADO（ActiveX Data Objects）、ODBC（Open Database Connectivity）等中間件技術(shù)，ICO雖然很復(fù)雜，但擁有最高的效率和最全的功能。

3試驗(yàn)分析

本文采用VC++編程環(huán)境、OpenGL圖形庫(kù)開發(fā)了水下地形三維可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能包括：水下三維地形點(diǎn)云導(dǎo)入、金字塔多分辨率DEM瓦片建模、DEM瓦片數(shù)據(jù)入庫(kù)、DEM自適應(yīng)分層設(shè)色、LOD地形三維可視化、三維場(chǎng)景漫游、三維動(dòng)畫、空間量測(cè)與定位等。以杭州灣海底管道三維可視化為例，介紹本文研究成果的應(yīng)用。海底管道是最快捷、最安全和經(jīng)濟(jì)可靠的海上油氣運(yùn)輸方式，也是海上油（氣）田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分，由于長(zhǎng)期受到海流的沖刷、海洋地質(zhì)災(zāi)害以及人類活動(dòng)等因素的影響，易發(fā)生斷裂，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染。通過海底三維可視化技術(shù)，可直觀、全面再現(xiàn)和定量分析海底管道的掩埋、裸露、懸空狀態(tài)，為海底輸油管道安全監(jiān)管提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

測(cè)區(qū)范圍約為24 km×18 km，多波束三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件大小為9.7 GB，平均點(diǎn)距約1.0 m。將離散點(diǎn)云插值成規(guī)則格網(wǎng)DEM，最高分辨率DEM的格網(wǎng)大小為0.5 m×0.5 m，金字塔共分為9層，DEM總數(shù)據(jù)量約為9.3 GB，高程分布范圍為-3 ～ -20 m。三維可視化渲染效果如圖3所示。其中，三維管道模型和樁號(hào)注記由現(xiàn)有BIM（Building Information Modeling）模型轉(zhuǎn)換為3ds三維模型交換格式后直接導(dǎo)入，系統(tǒng)通過解析3ds數(shù)據(jù)文件中的材質(zhì)與紋理數(shù)據(jù)、三維頂點(diǎn)坐標(biāo)、三角網(wǎng)頂點(diǎn)索引與面信息，將BIM模型加載到三維地形場(chǎng)景。采用普通電腦測(cè)試（內(nèi)存：4 GB;顯卡：NVIDIA Quadro 2000;CPU：Core i7-4790 @3.60 GHz），內(nèi)存消耗約130 M，三維可視化渲染速度約為50FPS（Frames Per Second，幀/s），三維場(chǎng)景漫游與互操作流暢，有效克服了大規(guī)模地形三維可視化對(duì)超高計(jì)算機(jī)硬件配置的依賴問題。通過自適應(yīng)分層設(shè)色，使得海底高程變化較小的區(qū)域有顯著的著色差異，結(jié)合法向量與光照模型，對(duì)水下地形的三維可視化表達(dá)有了良好的立體效應(yīng)和視覺效果。

4結(jié) 語

本文從海量地形數(shù)據(jù)組織與儲(chǔ)存、LOD地形調(diào)度、三維地形渲染三方面入手，研究了大規(guī)模水下地形三維可視化技術(shù)。采用規(guī)則格網(wǎng)DEM與瓦片金字塔模型，設(shè)計(jì)了oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大規(guī)模水下地形數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ);提出一種基于高程分布密度的自適應(yīng)分層設(shè)色法，增強(qiáng)了水下地形立體感;研究了一種基于四叉樹和OCI的LOD地形調(diào)度與無縫渲染方法，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模水下地形的實(shí)時(shí)三維可視化。典型應(yīng)用結(jié)果表明，本文研究方法能取得較高的效率和良好的視覺效果，可突破計(jì)算機(jī)硬件性能限制，可在普通PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模水下地形的實(shí)時(shí)、交互式三維可視化。

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（編輯：劉 媛）

Abstract：In view of the contradiction between massive data of large-scale underwater terrain and limited computer memory space and graphics card drawing efficiency，we propose a method of massive terrain data organization and storage based on DEM tile pyramid model and Oracle database，and a quadtree scheduling method based on perspective projection to achieve real-time and efficient rendering of level of detail （LOD） terrain.Moreover，considering the small undulation and poor stereo effect of underwater terrain，an adaptive hierarchical coloring method based on elevation distribution probability density is proposed to enhance the stereo effect.Typical application results show that the proposed method can realize real-time and interactive 3D visualization of large-scale underwater topography on ordinary PC，and achieve high efficiency and fine visual effect.

Key words：underwater topography;3D visualization;level of detail （LOD）;DEM;adaptive hypsometric layer