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(duì)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(duì)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(lèi)號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（a）-0111-02

1 LOD概述

在運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)大規(guī)模場(chǎng)景進(jìn)行繪制時(shí)，常見(jiàn)的做法是用大量的三角面片來(lái)描述場(chǎng)景中的幾何模型。隨著描述場(chǎng)景的三角形面片的數(shù)目的增多，所繪制的圖像質(zhì)量會(huì)越來(lái)越高，但是繪制速度也會(huì)變得越來(lái)越慢，有時(shí)甚至?xí)驗(yàn)槔L制的場(chǎng)景過(guò)于復(fù)雜而出現(xiàn)場(chǎng)景漫游不流暢、畫(huà)面跳變等現(xiàn)象，這些都會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)繪制的效果。為了解決這一問(wèn)題，從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，研究人員就在這方面開(kāi)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(lái)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(shí)，空間數(shù)據(jù)的數(shù)量正在呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。然而，受計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量、計(jì)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(chǎng)景中一次裝入大規(guī)模的地形數(shù)據(jù)顯得不切實(shí)際，所以必須對(duì)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(chǔ)、運(yùn)行效率等具體應(yīng)用需要，該文采用與視點(diǎn)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(jiǎn)化策略，以規(guī)則格網(wǎng)表示地形。

2.1 分層與存儲(chǔ)

采用規(guī)則格網(wǎng)的地形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)相關(guān)的LOD簡(jiǎn)化技術(shù)，必須對(duì)地形中的不同部分采用不同的表達(dá)分辨率。也就是說(shuō)，需要采用一種分層表達(dá)方式，能對(duì)格網(wǎng)中的不同部分實(shí)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(shù)和二叉樹(shù)。所謂四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)就是將一個(gè)矩形區(qū)域均勻地分割為4個(gè)部分，而其中的每一部分又可以被分割為4個(gè)更小的部分，依次類(lèi)推。四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造地形的基本思想是：利用四叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示地形模型時(shí)，樹(shù)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都覆蓋地形中的一塊相應(yīng)的矩形區(qū)域。上層的節(jié)點(diǎn)涉及的采樣點(diǎn)較少，用其來(lái)表示地形時(shí)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(shí)現(xiàn)的三維數(shù)字地球就采用了四叉樹(shù)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(lèi)推。

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

2.2 裂縫消除

動(dòng)態(tài)地形的實(shí)時(shí)渲染可能會(huì)由于相鄰兩個(gè)矩形格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的分辨率不同而引起T型裂縫，此時(shí)，由于高分辨率LOD層上增加了新的頂點(diǎn)，而在相鄰低LOD層上沒(méi)有該頂點(diǎn)，因此在邊界上就可能產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象。在圖形繪制時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致在地形中出現(xiàn)空洞，會(huì)影響漫游時(shí)的視覺(jué)效果，同時(shí)可能會(huì)大大降低地形的真實(shí)感。裂縫的產(chǎn)生是由于在接邊處，相鄰格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參與構(gòu)網(wǎng)的頂點(diǎn)不同而造成的，如果使相鄰矩形格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)邊界上的構(gòu)網(wǎng)頂點(diǎn)數(shù)相同，則不會(huì)出現(xiàn)裂縫。因此，解決裂縫問(wèn)題的關(guān)鍵是正確選擇相鄰不同分辨率節(jié)點(diǎn)邊界上參與構(gòu)網(wǎng)的頂點(diǎn)。

有兩類(lèi)常見(jiàn)的解決方法：一類(lèi)是細(xì)化可能產(chǎn)生裂縫的格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)，使得他們和高分辨率格網(wǎng)的多余頂點(diǎn)處于同一位置如圖1（b）；另一類(lèi)則是簡(jiǎn)化可能產(chǎn)生裂縫的格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，如改變高分辨率LOD地形格網(wǎng)中邊界上所增加的頂點(diǎn)的高程值，使增加的這些頂點(diǎn)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(diǎn)，如圖1（c）。

一般來(lái)說(shuō)，細(xì)化類(lèi)方案比較全面，任意層次的相鄰節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜，其繪制效率方面也必然有所損失；而簡(jiǎn)化策略在相鄰節(jié)點(diǎn)層次差不超過(guò)1時(shí)也能較好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪制，且實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)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(diǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)調(diào)度，因此這里我們選用減邊策略來(lái)消除裂縫。

2.3 視域剔除

在實(shí)時(shí)繪制中，視域剔除是減少需要繪制場(chǎng)景幾何復(fù)雜性的有效途徑之一。對(duì)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(duì)于加速繪制作用更為明顯。由于對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行了分塊處理，因此只需對(duì)分塊數(shù)據(jù)作一次裁減判斷，減少了裁減判斷時(shí)間；同時(shí)，針對(duì)三維數(shù)字地球的情況，對(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)、寬、高最大值的一半，在具體實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)對(duì)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(shí)繪制的有效手段，特別是高清晰的衛(wèi)星圖像可行時(shí)，能顯示大規(guī)模的紋理也是急需解決的問(wèn)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(wèn)題。實(shí)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(wèn)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(shí)，如果全部載入最精細(xì)紋理，繪制速度會(huì)有明顯降低，同時(shí)，全部采用最細(xì)節(jié)紋理顯示所有地形也會(huì)造成較差的視覺(jué)效果。根據(jù)地形數(shù)據(jù)的分層四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)，我們對(duì)紋理數(shù)據(jù)采用了瓦片金字塔結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，將不同精細(xì)程度的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，每個(gè)劃分后的地形數(shù)據(jù)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)一個(gè)該層下的一張512×512的紋理圖片。

對(duì)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(duì)每個(gè)劃分后的地形數(shù)據(jù)網(wǎng)格進(jìn)行分割，生成n個(gè)頂點(diǎn)，對(duì)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(shí)時(shí)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(shù)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(duì)本地緩存進(jìn)行訪問(wèn)，提取對(duì)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(jí)、行、列值生成URL向服務(wù)器進(jìn)行請(qǐng)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(shí)，則繼續(xù)顯示該塊的第n層紋理，以完成平滑過(guò)渡，如圖3所示。

對(duì)紋理與高程的下載采用了優(yōu)先級(jí)策略，設(shè)下載隊(duì)列的長(zhǎng)度為l，當(dāng)l>200時(shí)，則對(duì)下載優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判斷，刪除掉下載優(yōu)先級(jí)較低的下載元素；而當(dāng)有下載完成時(shí)，也通過(guò)判斷調(diào)取優(yōu)先級(jí)較高的先進(jìn)行下載。數(shù)據(jù)下載完成后，對(duì)地形進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。

4 結(jié)語(yǔ)

該文從基于視點(diǎn)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(gè)方面對(duì)LOD地形簡(jiǎn)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(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)中，有效地改善了實(shí)時(shí)渲染的速度和精度的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

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