基于多分辨率半邊的三維地形自適應(yīng)無(wú)縫建模

侯 紹 洋，趙 學(xué) 勝，王 鵬 飛

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

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基于多分辨率半邊的三維地形自適應(yīng)無(wú)縫建模

侯 紹 洋，趙 學(xué) 勝，王 鵬 飛

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

“限定四叉樹(shù)”法可以實(shí)現(xiàn)三維地形自適應(yīng)無(wú)縫建模，但仍存在一些問(wèn)題，如計(jì)算量大、數(shù)據(jù)冗余等。該文將多分辨率半邊理論引入到三維地形建模中，提出了適合自適應(yīng)地形格網(wǎng)存儲(chǔ)和格網(wǎng)面提取的方法；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三維地形自適應(yīng)無(wú)縫建模的算法；最后，應(yīng)用C語(yǔ)言和DirectX工具，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。與“限定四叉樹(shù)”法相比，該方法不需要反復(fù)檢測(cè)相鄰格網(wǎng)的層差，且隨剖分層次的增加，格網(wǎng)數(shù)量和渲染數(shù)據(jù)量的降低率逐漸增大，分別達(dá)13.9%和12.2%(剖分層次為7)。

自適應(yīng)建模；裂縫消除；限定四叉樹(shù)；多分辨率半邊

0 引言

地形自適應(yīng)表達(dá)對(duì)三維地形建模十分有意義，其在滿(mǎn)足視覺(jué)要求的前提下，達(dá)到了節(jié)省內(nèi)存空間、減少渲染數(shù)據(jù)量的目的[1-3]。四叉樹(shù)模型是自適應(yīng)表達(dá)常用的模型之一，具有結(jié)構(gòu)規(guī)范、層次清晰、易于空間索引、便于紋理鑲嵌等優(yōu)點(diǎn)。但不同層次相鄰格網(wǎng)邊界處會(huì)出現(xiàn)裂縫，不僅影響視覺(jué)，而且從地表連續(xù)的角度而言，也是一種錯(cuò)誤。目前，裂縫消除的方法有垂直邊緣法、頂點(diǎn)拉伸法和“限定四叉樹(shù)”法等。垂直邊緣法[4，5]是在各節(jié)點(diǎn)邊界周?chē)纱怪边叄哉趽趿芽p，實(shí)際并未真正消除裂縫；頂點(diǎn)拉伸法[6，7]是對(duì)裂縫處的頂點(diǎn)高程進(jìn)行調(diào)整，可能會(huì)導(dǎo)致T型節(jié)及地形失真；“限定四叉樹(shù)”法[8-11]雖然克服了以上兩種方法的缺陷，但是要求相鄰格網(wǎng)的剖分層差不大于1，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在冗余，且需要反復(fù)檢測(cè)相鄰格網(wǎng)的剖分層差，計(jì)算量大。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生“裂縫”問(wèn)題的根本原因是：四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)將地形格網(wǎng)作為面的集合來(lái)存儲(chǔ)，只對(duì)面進(jìn)行管理，剖分過(guò)程操作的唯一拓?fù)鋵?shí)體是面，未涉及格網(wǎng)邊的細(xì)分。為了從根本上解決此問(wèn)題，本文擬將多分辨率半邊引入到三維地形建模中，構(gòu)建不產(chǎn)生裂縫的地形自適應(yīng)建模方法。目前，多分辨率半邊理論被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，如模型多分辨率編輯和自適應(yīng)細(xì)分等[12-14]。因?yàn)樵摲椒▽⑽矬w表面抽象成具有方向的邊的集合，通過(guò)邊管理面，邊剖分時(shí)，相應(yīng)面與之同步細(xì)分，所以有望從根本上消除三維地形自適應(yīng)表達(dá)中的“裂縫”現(xiàn)象。

1 基本理論

Fig.1 Adaptive partition based on multiresolution half-edges

除未剖分的半邊外，其余半邊均被多個(gè)層次使用。因此該理論下的半邊被稱(chēng)為多分辨率半邊，可以看出相鄰格網(wǎng)的剖分層差沒(méi)有限制。

2 多分辨率半邊存儲(chǔ)原理與格網(wǎng)面提取方法

2.1 存儲(chǔ)原理

如圖2所示，上圖表示第L層引入的兩條半邊he1、he2及其對(duì)合關(guān)系，反向半邊指針被存儲(chǔ)于數(shù)組0位置；下圖表示第L+1層時(shí)，邊被剖分，再引入兩個(gè)半邊he3、he4，它們作為he1、he2的反向半邊存于數(shù)組1位置。即對(duì)于第j層引入的半邊he，如果其最大的剖分層次為k，那么he將存儲(chǔ)k-j+1個(gè)反向半邊指針，he與第i層的關(guān)系存儲(chǔ)于數(shù)組i-j位置。需要說(shuō)明的是，多分辨率半邊用于三維地形自適應(yīng)建模，其后繼半邊指針在引入后存儲(chǔ)內(nèi)容不發(fā)生變化，所以本文不再贅述；而反向半邊指針如圖2所示，隨著邊的剖分，增加存儲(chǔ)更高層次的反向半邊指針。

圖2 反向半邊的存儲(chǔ)原理

Fig.2Storageprincipleofoppositehalf-edges

2.2 格網(wǎng)面提取方法

多分辨率半邊對(duì)格網(wǎng)面的管理是通過(guò)復(fù)合運(yùn)算α1(α0(he))實(shí)現(xiàn)(圖3)。假設(shè)面A內(nèi)部的半邊排列順序?yàn)槟鏁r(shí)針，提取面A的所有頂點(diǎn)，可以從面A的任意一個(gè)半邊開(kāi)始(如e1)，先對(duì)其求對(duì)合運(yùn)算α0，得到反向半邊e2，再對(duì)e2求排列運(yùn)算α1，得到面A的下一條半邊e3，反復(fù)執(zhí)行α1(α0(he))，直到起始半邊e1，最終得到e1e3e5e7e9e11，半邊的起點(diǎn)集合就是面的頂點(diǎn)。面A此時(shí)已不再是四邊形，而是由6個(gè)半邊首尾相連組成的六邊形，多分辨率半邊結(jié)構(gòu)能夠自適應(yīng)的管理多邊形。

圖3 格網(wǎng)面提取方法

Fig.3 Extraction method of faces

3 自適應(yīng)無(wú)縫建模算法流程

如圖4所示，基于多分辨率半邊的三維地形自適應(yīng)無(wú)縫建模算法流程分為3個(gè)階段：第一，單層次格網(wǎng)建模：1)對(duì)初始格網(wǎng)建立半邊結(jié)構(gòu)，并加入節(jié)點(diǎn)哈希表中。2)初始格網(wǎng)建立后，遍歷節(jié)點(diǎn)哈希表中上一層次剖分的節(jié)點(diǎn)(原節(jié)點(diǎn))：如果原節(jié)點(diǎn)位于邊界處，則直接對(duì)3個(gè)半邊建立半邊結(jié)構(gòu)，如果節(jié)點(diǎn)為非邊界點(diǎn)，那么求原節(jié)點(diǎn)相鄰的節(jié)點(diǎn)(鄰節(jié)點(diǎn))；然后，判斷鄰節(jié)點(diǎn)是否存在：如果不存在，則對(duì)3個(gè)半邊建立半邊結(jié)構(gòu)，如果存在，繼續(xù)判斷鄰節(jié)點(diǎn)是否剖分；如未剖分，則建立3個(gè)半邊的半邊結(jié)構(gòu)，如剖分但未建立半邊結(jié)構(gòu)，則建立4個(gè)半邊的半邊結(jié)構(gòu)。3)遞歸執(zhí)行前兩步，直到完全遍歷上一層次所有節(jié)點(diǎn)。第二，多層次格網(wǎng)建模：1)計(jì)算本層節(jié)點(diǎn)的細(xì)分準(zhǔn)則，計(jì)算4個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn)的最大高差；2)如果超出閾值則繼續(xù)剖分，將下一層節(jié)點(diǎn)添加到節(jié)點(diǎn)哈希表，標(biāo)注該層節(jié)點(diǎn)已剖分，求得新加入節(jié)點(diǎn)哈希表中的節(jié)點(diǎn)數(shù)n，并將判斷層次加1；遞歸執(zhí)行步驟1，直到?jīng)]有新的節(jié)點(diǎn)加入，即n=0時(shí)，建模過(guò)程結(jié)束。第三，格網(wǎng)面的提取及可視化：1)遍歷半邊哈希表，若半邊沒(méi)有被繪制，執(zhí)行復(fù)合運(yùn)算α1(α0(he))，實(shí)現(xiàn)單個(gè)格網(wǎng)面的提取，并將找到的半邊標(biāo)注為已繪制，直到半邊哈希表結(jié)尾；2)應(yīng)用DirectX對(duì)提取的面進(jìn)行逐個(gè)渲染，得到無(wú)縫三維地形。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.2 地形簡(jiǎn)化分析

如表1所示，未簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)是指完全四叉樹(shù)剖分得到的數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)9個(gè)指針，包括1個(gè)父節(jié)點(diǎn)，4個(gè)子節(jié)點(diǎn)和4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；簡(jiǎn)化后的數(shù)據(jù)是指通過(guò)本文算法獲得的數(shù)據(jù)，每個(gè)半邊存儲(chǔ)1個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)、多個(gè)反向半邊和1個(gè)后繼半邊；簡(jiǎn)化程度是簡(jiǎn)化前后相關(guān)指標(biāo)的比值。可以看出，隨剖分層次增加，簡(jiǎn)化后/簡(jiǎn)化前的值越來(lái)越小；當(dāng)剖分層次達(dá)到7時(shí)，存儲(chǔ)空間和渲染三角形分別是未簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的33.88%和22.16%。

圖4 自適應(yīng)無(wú)縫建模算法流程

Fig.4 Flow chart of adaptive seamless modelling algorithm

圖5 基于多分辨率半邊的三維地形自適應(yīng)表達(dá)

Fig.5 Adaptive expression of 3D terrain based on multiresolution half-edges

4.3 地形簡(jiǎn)化對(duì)比分析

基于“限定四叉樹(shù)”對(duì)同一區(qū)域、按同一簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自適應(yīng)無(wú)縫建模，如圖6所示，與本文圖5e、圖5f形成對(duì)比。從圖6中可以看出，“限定四叉樹(shù)”法可以消除裂縫，但需滿(mǎn)足相鄰格網(wǎng)剖分層差不大于1，因此導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余；且該算法需要反復(fù)檢測(cè)格網(wǎng)間的剖分層差，導(dǎo)致計(jì)算量大。表2將本文算法與“限定四叉樹(shù)”法進(jìn)行對(duì)比，其中四邊形個(gè)數(shù)、渲染三角形兩個(gè)指標(biāo)，隨著剖分層次的提高，差距增大，當(dāng)剖分到第7層時(shí)，本文算法比“限定四叉樹(shù)”法分別減少13.9%和12.2%；對(duì)于每個(gè)四邊形，“限定四叉樹(shù)”需要存儲(chǔ)13個(gè)指針，包括1個(gè)父節(jié)點(diǎn)、4個(gè)子節(jié)點(diǎn)、4個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)、4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，當(dāng)剖分到第7層時(shí)，本文方法已略小于“限定四叉樹(shù)”法。從變化趨勢(shì)可以看出，剖分層次越高，本文方法優(yōu)勢(shì)越明顯。

表1 地形簡(jiǎn)化

Table1Terrainsimplification

層次M1未簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化后簡(jiǎn)化程度存儲(chǔ)量M2渲染量M3存儲(chǔ)量M4渲染量M5存儲(chǔ)量M6=M4/M2渲染量M7=M5/M3094244266．67100136168016222．2210021446423254161．1184．383576256736191127．7874．61423041024224861597．5760．065921640966720190272．9246．446368641638419120551351．8733．65714745665536499521452033．8822．16

5 結(jié)論

圖6 基于“限定四叉樹(shù)”的三維地形自適應(yīng)表達(dá)

Fig.6 Adaptive expression of 3D terrain based on "restrained quadtree"

表2 地形簡(jiǎn)化對(duì)比分析

Table 2 Contrastive analysis of terrain simplification

層次(Q1)簡(jiǎn)化后四邊形的個(gè)數(shù)對(duì)比簡(jiǎn)化后需繪制的三角形個(gè)數(shù)對(duì)比簡(jiǎn)化后的存儲(chǔ)空間對(duì)比限定四叉樹(shù)(Q2)多分辨率半邊(Q3)降低率M4=(Q2-Q3)/Q3?100限定四叉樹(shù)(Q5)多分辨率半邊(Q6)降低率Q7=(Q5-Q6)/Q5?100限定四叉樹(shù)(Q8)多分辨率半邊(Q9)降低率Q10=(Q8-Q9)/Q8?1000110．0440．01324-84．621440．016160．05280-53．85213130．054540．0169232-37．28349466．12011915．0637736-15．5441541455．86486155．120022248-12．2954934459．7207519028．364096720-4．8561426127610．5606955139．21853819120-3．1473859332213．9165461452012．250167499520．43

為了從根本上解決三維地形不同層次相鄰格網(wǎng)間的“裂縫”問(wèn)題，本文提出基于多分辨率半邊的自適應(yīng)無(wú)縫表達(dá)方法。該方法不需要限制相鄰格網(wǎng)間的剖分層差，簡(jiǎn)化后的地形數(shù)據(jù)簡(jiǎn)潔、無(wú)冗余，且不需要反復(fù)檢測(cè)相鄰格網(wǎng)的層次，計(jì)算量大幅降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)三維地形自適應(yīng)無(wú)縫建模，且與“限定四叉樹(shù)”法相比，隨剖分層次的增加，格網(wǎng)數(shù)量和渲染數(shù)據(jù)量的降低率逐漸增大，當(dāng)剖分層次為7時(shí)，以上兩個(gè)指標(biāo)分別為13.9%和12.2%，優(yōu)于 “限定四叉樹(shù)”法。下一步研究?jī)?nèi)容包括基于多分辨率半邊的三維地形數(shù)據(jù)更新方法、數(shù)據(jù)查詢(xún)方法等。

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An Adaptive Seamless Model of 3D Terrain Based on Multiresolution Half-Edges

HOU Shao-yang,ZHAO Xue-sheng,WANG Peng-fei

(CollegeofGeosciencesandSurveyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)

Although the adaptive seamless modelling of 3D terrain can be realized based on "restricted quadtree",there are still some problems,such as abundant calculation,data redundancy,etc.The main contents are as follows.Firstly,the theory of multiresolution half-edges is introduced into the 3D terrain modelling,and a new method suitable for mesh storage and faces extraction is put forward in this paper.Then,an adaptive seamless algorithm of 3D terrain is designed and achieved.Finally,by using Clanguage and DirectX tools,an experimental system is developed.The results show that the adaptive seamless modelling of 3D terrain can be realized based on the multiresolution half-edges structure.Compared with the "restricted quadtree",this method does not need to check the level difference repeatedly between the adjacent nodes,and with the increase of partition level,reduction rate of the grid numbers and rendering data are gradually increasing,reaching 13.9% and 12.2% in 7th level.

adaptive seamless modelling;crack elimination;restrained quadtree;multiresolution half-edges

2014-07-28；

2014-09-18

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“顧及多類(lèi)型數(shù)據(jù)無(wú)縫融合的全球離散格網(wǎng)自適應(yīng)建模”(41171306)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目“基于LiDAR點(diǎn)云的地表拓?fù)浣Ｅc形變分析研究”(20130023110001)

侯紹洋(1986-)，男，博士研究生，從事全球離散格網(wǎng)建模研究。E-mail:housaoyang@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.003

P208

A

1672-0504(2015)02-0012-04