陰影體在地震數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用

摘 要 在過去的一段時間中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。特別是在最近幾年，在復(fù)雜虛擬場景中可視化數(shù)據(jù)，為研究各種社會問題提供了重要參考。虛擬現(xiàn)實技術(shù)中有兩個很重要的因素，即虛擬場景渲染的實時性和虛擬場景渲染結(jié)果的真實性。盡管現(xiàn)在的硬件設(shè)備可以滿足渲染數(shù)以千萬計的多邊形數(shù)據(jù)，但是在特定的復(fù)雜場景環(huán)境下，若不采用合理高效的算法，將會無法滿足現(xiàn)實要求。本文對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在地震數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用進入深入的研究。針對其中的一些關(guān)鍵點，研究結(jié)合陰影體（shadow volume）方法，給出了具體的工程應(yīng)用場合和應(yīng)用方法，并展示結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】陰影體 數(shù)據(jù)可視化 貼地繪制 地震帶

由于長期穩(wěn)定的構(gòu)造條件和應(yīng)力場的作用，我國地震空間分布較為穩(wěn)定。但地震活動會隨著時間推移不停的發(fā)生變化，會存在一些地震問題，如震區(qū)搶險救災(zāi)，地震預(yù)警，震源分析等。如果通過已知地震空間分布區(qū)域內(nèi)地震信息的數(shù)據(jù)，生成一個地震區(qū)域虛擬場景。將地震信息貼地繪制在虛擬場景中，這樣就可以很直觀的為地震問題的探索和研究提供有價值的參考。

1 問題分析

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實際應(yīng)用中，有兩個重要的過程，建模和渲染。在實際的現(xiàn)實應(yīng)用中，建模過程一般采用成熟的商業(yè)建模來完成。在本文我們可以把模型數(shù)據(jù)看作是固定的，也就是一個靜態(tài)過程。那么在這里，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實時性和真實性的關(guān)鍵點就在于渲染。

陰影體方法是基于細節(jié)層次（LOD）幾何技術(shù)中的一種延伸，它需要幾何形體的輪廓產(chǎn)生一個封閉的容積充當(dāng)遮擋物，然后根據(jù)光源（視點）和遮擋物的位置關(guān)系計算出場景中會產(chǎn)生陰影的區(qū)域，稱之為掩膜。然后對所有物體進行匹配檢測，以確定物體會不會受到掩膜的影響。陰影體以屏幕空間為工作空間，可以做到單像素精確，改善效果問題。同時，它獨立于底層的地形幾何，并利用渲染引擎提高性能，即使是對于高分辨率的數(shù)據(jù)集也有著廣泛的實用性。在獨立的地形細節(jié)層次幾何部分，我們可以最大程度的保證細節(jié)層次幾何輪廓的清晰，而不用關(guān)注其細節(jié)。對掩膜范圍進行匹配計算后，再對范圍內(nèi)的部分進行渲染。這種處理策略可以很好的應(yīng)用在我們的問題研究中。

2 陰影體過程步驟描述

陰影體的常見的方法是通過CPU進行遮擋物模型處理，使用純粹的硬件加速模版陰影體技術(shù)，然后在GPU上進行交叉點檢測和生成陰影掩膜，根據(jù)掩膜進行渲染著色。

常規(guī)的過程是在進行光源（視點）測試判斷后，我們需要把地震空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建成模型，然后繪制到模版緩沖區(qū)，以生成適當(dāng)遮擋物。而為了最大限度減少大多面體所引起的高光柵工作量，我們要盡量減小大多面體的尺寸。要達到這個目的，我們要移動所生成遮擋物幾何的頂部和底部，使它們朝向地形表面，而兩側(cè)則盡可能的接近地形表面但是并不與它相交。在我們的實現(xiàn)中，我們要利用地形渲染引擎中所固有的四叉樹包圍盒。用包圍盒來表示封閉遮擋物幾何的上下邊界，為遮擋物幾何的頂部和底部提供合適的上下邊界。

在多邊形幾何的情況下，我們要使用整個多邊形幾何封閉包圍盒投影的最大和最小高度值，用來表示多邊形幾何頂部和底部頂點的高度值。所構(gòu)造的遮擋物幾何是被包含在包圍盒中的，這是為了確保環(huán)繞一致，以便于所有面的法線指向外部。在地震條帶面數(shù)據(jù)不被修改的前提下，所得的每個幾何形狀對象都是儲存在有效的緩存對象中。

在了解陰影體的基本原理和遮擋物之后，我們要計算出以屏幕空間為光源同以地震空間數(shù)據(jù)模型作為遮擋物的相對位置關(guān)系，然后對地形層次幾何進行匹配檢測，以確定其是否受到影響，對于受影響的部分，生成緩沖區(qū)掩膜。

掩膜應(yīng)用場景必須針對每個對象分別進行，因為每個對象都是允許有不同顏色的。因此，如果直接在模板緩沖區(qū)中渲染所有對象，應(yīng)用生成后會同時渲染屏幕區(qū)域，我們無法區(qū)分不同對象的顏色。如果只有少數(shù)不同的對象顏色在場景中，可以按顏色分類，渲染每個色組。這樣可以幫助我們減少需要填充顏色的比率和應(yīng)對對象狀態(tài)的改變。根據(jù)上文，我們用地震數(shù)據(jù)模型，參照光源，計算生成了掩膜，下一步把掩膜被渲染到模板緩沖區(qū)中。這樣就可以得到我們要的效果。

然而在實際情況中，我們其實并不需要進行交叉點檢測，因為我們是以地震空間數(shù)據(jù)為遮擋物，它的數(shù)據(jù)地理信息是我們詳細掌握的，我們可以不用CPU進行交點檢測，直接根據(jù)數(shù)據(jù)地理信息生成掩膜，這樣最大的優(yōu)點就是只用一個GPU就可以實現(xiàn)，釋放了CPU。因此，在掌握有詳細數(shù)據(jù)的情況下，使用這種策略，可以極大優(yōu)化性能。

之后使用OpenGL中EXT_stencil_wrap和EXT_stencil_side擴展，目的是為了簡化在模版緩沖區(qū)中生成掩膜。EXT_stencil_wrap擴展了兩個特別的額外模版操作，這兩個新的操作類似于現(xiàn)有的遞增和遞減操作，但是新操作的結(jié)果更加的完善，這樣可以減少出現(xiàn)因模版緩沖區(qū)分辨率不足而導(dǎo)致的陰影結(jié)果不正確的情況。EXT_stencil_side擴展提供了雙面模版測試，其中模版關(guān)系狀態(tài)可以對應(yīng)不同的前端面和后端面多邊形。使用雙面模版測試前后端面可以在單通道渲染，這樣可以提高性能。

但這中間也存在一個問題，在出現(xiàn)陡峭斜坡時會略有失真，這是一個普遍問題，當(dāng)渲染對象應(yīng)保留斜坡的寬度不變時，對于道路或輪廓線之類而言，它們投影會產(chǎn)生失真。

3 結(jié)論

本文闡述了一個陰影體特殊應(yīng)用策略，能夠針對地震條帶的矢量數(shù)據(jù)進行高質(zhì)量和高效率的實時可視化。該算法不需要特殊的硬件擴展。事實上，它是獨立于底層的地形繪制引擎的。并且因為這個算法不受地形幾何形狀變化的影響，特別適合與視圖相關(guān)的LOD 相關(guān)工作。

（通訊作者：姜保慶）

參考文獻

[1]毛華慶.基于GPU優(yōu)化的三維實時渲染技術(shù)的研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2010.

[2]吳忠.四叉樹LOD算法優(yōu)化及在地形仿真中的應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[3]張勇，王莉.視景仿真系統(tǒng)中實時陰影繪制技術(shù)的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006：180-182+186.

[4]鄒志昴.實時陰影繪制算法研究及在城市仿真中的應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

作者簡介

朱永哲（1992-），男，河南省許昌市人。碩士研究生學(xué)位。主要研究方向為計算機圖形學(xué)。

通訊作者簡介

姜保慶（1964-），男，河南省滑縣人。博士學(xué)位。現(xiàn)為鄭州電力高等專科學(xué)校教授。主要研究方向為數(shù)據(jù)挖掘，計算機圖形學(xué)。

郭朝令（1964-），男，河南省滑縣人。高級實驗師。主要研究方向為熱力發(fā)電及可視化技術(shù)。

作者單位

1.河南大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院數(shù)據(jù)與知識工程研究所 河南省開封市 475001

2.鄭州電力高等專科學(xué)校 河南省鄭州市 450000