何榮茂 石 川 常文泰 王利華

（中國洛陽電子信息裝備試驗中心 洛陽 471003）

基于OSG的大規模地形動態繪制應用研究?

何榮茂 石 川 常文泰 王利華

（中國洛陽電子信息裝備試驗中心 洛陽 471003）

大規模地形的動態實時繪制技術是虛擬現實應用的核心，論文在分析金字塔模型和四叉樹結構的基礎上，研究了OSG的地形繪制原理，給出了OSG的地形分塊方法；同時給出了高程數據、紋理數據的采集、處理和緩存方法，實現了大規模三維地形的實時繪制和動態漫游，具有一定的實用性及創新性。

數字高程模型；金字塔模型；四叉樹；虛擬現實

1 引言

在大規模虛擬場景的生成過程中，地形的繪制是構建虛擬場景的基礎。隨著計算機應用技術的迅速發展，虛擬場景規模越來越大，對大規模地形的要求也越來越高。大規模地形繪制在虛擬現實、軍事仿真、三維游戲、GIS、計算機圖形學等領域也有了越來越廣泛的應用。目前，大地形的三維建模主要是通過數字高程模型（DEM）結合高清晰度衛星或航拍照片影像數據相結合的方式來實現［1～2］。然而，由于要對大規模甚至是海量DEM數據進行顯示，并且要顯示數據部分具有無限的細節，用傳統的計算機圖形圖像方法根本不可能達到實時繪制的要求，于是就產生了對實時圖形繪制技術的需求。為了繪制速度與場景規模之間尋找合理的解決方案，國內外專家學者已經在這方面做了許多的研究。

這些研究對于建立大范圍、大比例尺的實時、可交互的虛擬地形環境，提高地形的繪制速度都較有效，但不同的算法在執行效率、占用資源等方面存在較大差距。本文針對傳統的大規模地形數據渲染對軟硬件需求高、開發周期長、開發難度大等問題，結合OSG三維渲染引擎的渲染效率，提出了基于OSG的大規模地形動態繪制及漫游解決方案，使大規模地形數據渲染在對硬件需求以及開發難度上都得到了明顯改善，并在實際項目中得到應用，充分發揮了OSG的優勢。

2 OSG大地形數據組織機制

OSG使用金字塔模型組織大規模地形數據［4］。在不同的細節層次上，OSG按照四叉樹方式組織地形數據。地形漫游時，根據視點位置的改變首先動態調整常駐內存的數據塊，然后通過四叉樹調整塊內不同節點處地形的顯示層次，通過合理的數據劃分方案，可以解決任意網格大小的大規模地形數據的快速漫游問題，使常駐內存的數據量只與視點的位置及當前顯示的細節層次有關，與實際的整體數據量無關，從而大大提高漫游的速度［3，5～6］。

2.1 金字塔模型

金字塔層次模型表示多分辨率級別的分層模型，采用縱向分層，橫向分塊的策略來構建。金字塔每一層代表一個分辨率級別，從上往下，分辨率越來越高（數值越來越?。?，但每一層表示的范圍都是整個原始地形的范圍。金字塔各層的分辨率之間存在一個倍率關系，通常取倍率取為2（便于采用四叉樹結構組織數據）。各級層次模型的分辨率計算如式（1）和式（2）所示。

設第0層的分辨率為r0，倍率為2，則第k層的分辨率rk為

設原始地形的分辨率為r，原始地形高程文件大小為n×n，塊邊長為m，則第0層的分辨率r0為

構建金字塔層次模型的基本思路是低分辨率級別的層級采樣于高分辨率級別的層級，通過不斷的逐層采樣合成得到整個金字塔層次模型。最高分辨率級別的層通常采樣于原始的地形數據。金字塔模型構建如圖1所示。

圖1 金字塔模型構建示意圖

金字塔的最底層（第L層）為分辨率最高的層次，它的數據直接采樣于原始地形，顯示的模型較為精細，采樣數據較為密集，分塊數目較多。由于相鄰層的分辨率為2倍的關系，因此在生成第L-1層數據的時候，可以在得到第L層數據的基礎上，采用像素合成的方式來生成，即從左到右，由下往上，同時將行和列的2個像素合成為1個像素，從而得到L-1層的像素點。通過不斷循環重復這一過程，得到金字塔每一層次的地形數據，完成金字塔的構建。

2.2 四叉樹組織結構

按照金字塔層次細節模型策略生成的多分辨率地形模型數據，通常采用四叉樹結構來將這些地形模型數據統一組織管理起來。利用四叉樹結構組織管理多分辨率地形模型數據時，四叉樹的層結構需要和金字塔模型的層結構相對應，即從四叉樹的頂層到底層，都需要和金字塔模型的頂層到底層的每一層一一對應，以達到分辨率級別的一致以及對每一層地形數據塊的有效管理。

構建四叉樹的基本思路是根據LOD級別建立四叉樹的每一層，即一個LOD級別對應四叉樹的一層，并且從上往下，對四叉樹每一個節點進行四叉樹分割（即每個節點分割為四個子節點），一層構建完畢后，再分割得到下一層，直到達到規定的深度，則停止分割，進而完成四叉樹的構建。如圖2所示為根據LOD級別建立四叉樹每一層的示意圖。

圖2 LOD分級與構建四叉樹的對照關系

3 OSG地形繪制原理

從上一節OSG大地形數據組織機制中可看出，OSG利用金字塔模型和四叉樹結構對大地形進行組織，并根據視點的范圍和距離動態調度選擇加載數據塊，并把創建完成的地形節點加載至場景中進行渲染。利用OSG進行地形繪制的一般流程如圖3所示。

在OSG中，地形生成分為地形數據組織和地形渲染與漫游兩部分。其中地形數據組織部分把地形進行分塊和編碼，以四叉樹形式組織起來，并以分頁LOD模式進行動態調度渲染。地形渲染與漫游部分把生成的模型加入到場景數據中，在場景圖形瀏覽器中進行渲染繪制，并通過漫游器完成場景漫游和事件響應。地形渲染部分屬于OSG引擎的內核，包含揀選、繪制等過程，這里不過多介紹，只重點介紹地形數據的組織部分。

圖3 地形生成流程圖

OSG通過記錄對象空間參考系屬性和范圍信息，創建瓦片數據和瓦片索引來進行四叉樹管理。在OSG中，世界范圍以經緯度來表示，將球形表面剖開鋪成平面，其最左為西經180°，最右為東經180°，最上為北緯90°，最下為南緯90°。在動態繪制時，OSG會根據地圖屬性實時完成地形的分層和分塊，如圖4所示。

圖4 瓦片分層LOD

進行地形分塊時，首先確定第一層的寬度和高度，即行數與列數，默認值是寬度為2，高度為1，即把全球數據分成東半球和西半球。接著按2的倍率繼續往下劃分，隨著一層層的深入，地形塊變得越來越小。每向下深入一層，每一個瓦片便會等分成四塊。每個瓦片均有一個瓦片索引值進行管理。瓦片的左上角是原點，瓦片索引值便從左上角開始編碼。一般為瓦片索引（lod，x，y），如圖4中第二層和第三層陰影部分所對應的索引值分別為（1，3，1）和（2，7，3）。

隨著瓦片的細化，每一塊瓦片的范圍也會逐漸變小。圖4中第二層瓦片里的陰影區域，其坐標范圍左上角（90，0），左下角（90，-90），右上角（180，0），右下角（180，-90）。第三層瓦片里的陰影區域，其坐標范圍左上角（135，-45），左下角（135，-90），右上角（180，-45），右下角（180，-90）。當數據源在此范圍內有數據時，便加載此瓦片，否則不加載，這樣減少了地形塊的加載數量，從而提高了繪制效率。

4 大規模地形繪制的具體實現

利用OSG進行大規模地形的動態繪制，關鍵的是獲取地形高程數據和紋理數據，并按金字塔模型對地形進行分層和分塊，完成多分辨率地形的構建。同時把構建完成的地形加載至渲染場景中，利用場景瀏覽器進行渲染繪制。

4.1 數據采集與處理

1）高程數據的采集

高程數據是包含地理高程信息的數據，目前可從網上下載精度為30m的數據，對于更高精度的數據，可從專業的地形服務公司進行購買。在一般項目中，30m精度地形數據已可滿足要求。先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型（ASTER GDEM）是美國航空航天局與日本經濟產業省共同推出的地球電子地形數據，它與SRTM一樣為數字高程DEM，全球空間分辨率為30m［7］。其數據覆蓋范圍為北緯83°到南緯83°之間的所有陸地區域，達到了地球陸地表面的99%。ASTER GDEM基本的單元按1°×1°分片，每個數據文件的文件名根據分片幾何中心左下（西南）角的經緯度產生，格式為tif格式的柵格數據。由于OSG能夠直接處理tif格式的柵格數據，所以不需要進行轉換。

2）紋理數據的采集

在視景仿真系統開發過程中，可以充分利用紋理映射技術，在構造山地、草地、道路、房屋、樹木等場景時不用建造真實的三維模型，而是給這些模型加上紋理［8～9］。這意味著在維持圖形顯示速度的同時，可用少量的多邊形和紋理增加真實感。使用多邊形的方法會增加處理復雜度，從而使圖形渲染速度變慢，很難滿足動態地形實時繪制的要求［10～11］。因此一般采用紋理映射技術來提高地形的真實感和圖形顯示的速度。圖5為從Google Earth中獲取的某地的紋理數據。

圖5 某地紋理數據

3）地形數據的處理

高程數據和紋理數據準備完成后，需要對其進行合理組織。組織的方式是按照從上到小的順序疊加圖層，生成earth文件，在疊加圖層時，每層的區域或精度可以不同，但上層的影像會覆蓋下層的影像。下面的代碼完成了全球影像圖、全球高程圖和局部高清紋理的疊加。該代碼運用了緩存策略，運行前完成了地形的緩存。地形緩存的過程實際上就是地形分層分塊的過程，緩存后的分塊地形保存在磁盤中，地形繪制時根據視點距離和范圍從磁盤中加載相關瓦片數據，從而提高了繪制速度。

＜map name=“Globe”type=“geocentric”version=“2”＞

＜！--全球影像圖--＞

＜image name=“GlobeImage”driver=“gdal”＞

＜url＞world.tif＜/url＞

＜/image＞

＜！--全球高程圖--＞

＜heightfield name=“Globeheightfield”driver=“gdal”＞

＜url＞srtm30plus_stripped.tif＜/url＞

＜/heightfield＞

＜！--局部高清紋理組合--＞

＜image name=“detial-image”driver=“composite”＞

＜image name=“13-1”driver=“gdal”＞

＜url＞13L/1.tif＜/url＞

＜/image＞

＜image name=“17-1”driver=“gdal”＞

＜url＞17L/0.tif＜/url＞

＜/image＞

＜/image＞

＜！--文件緩存--＞

＜options＞

＜cache_policy usage=“cache_only”/＞

＜cache type=“filesystem”＞

＜path＞./FileCache＜/path＞

＜/cache＞

＜/options＞

＜/map＞

4.2 地形的繪制與漫游

地形的繪制是把生成的地形節點加載到場景數據中，通過場景瀏覽器進行渲染。而要完成地形的漫游，必須加載相應的操作器，使其響應各種事件。把地形節點加載到場景數據中可通過以下代碼實現：

mp=osgDB：：readNodeFile（“china-simple.earth”）；

mRoot-＞addChild（mp）；

mapNode=dynamic_cast＜osgEarth：：MapNode*＞（mp.get（））；

而加載相應的操作器，須從類osgGA：：Camera-Manipulator派生，并實現getMatrix（）、getInverseMatrix（）和 handle（）方法。在handle（）方法中完成對鼠標、鍵盤等事件的響應，在getMatrix（）和getInverseMatrix（）方法中獲取當前的視口，從而完成場景的漫游。完成的地形繪制與漫游效果如圖6。

圖6 大地形繪制及漫游效果

5 結語

大范圍的三維地形可視化及其實時顯示是一個極富挑戰性的課題。目前，國內外許多專家學者已經在大規模地形的實時繪制方面做了許多的研究，并取得了一定的成果。本文通過利用OSG三維渲染引擎，對大規模地形的動態實時繪制技術進行研究，給出了大規模地形動態實時繪制的具體實現方法。應用表明該方法具有一定的實用性和創新性，能夠較好地完成大規模地形的動態實時繪制。

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Application Research of Large-scale Terrain Dynamic Rendering Based on OSG

HE RongmaoSHI ChuanCHANG WentaiWANG Lihua
（Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003）

The real-time rendering technology of large-scale terrain is the core of virtual reality application.Based on the pyramid model and quadtree structure，this paper studies the principle of terrain rendering of OSG，gives the terrain block method of OSG，and gives the method of terrain block of OSG.At the same time，this paper introduces the method of data acquisition，processing and caching of elevation data and texture data，realizes the real-time rendering and dynamic roaming of large-scale three-dimensional terrain.The research has certain practicability and innovation.

digital elevation model，pyramid model，quadtree，virtual reality

TP391.41

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.028

Class Number TP391.41

2017年4月11日，

2017年5月28日

何榮茂，男，工程師，研究方向：虛擬現實與視景仿真。