基于LOD技術實現城市地名標注瀏覽

2017-12-09 14:44:01李春林魏廣群蔣利利粟藝峰

科技視界 2017年23期

李春林+魏廣群+蔣利利+粟藝峰

【摘要】隨著數字地球的發展，LOD技術在場景展示中的作用愈加凸顯。本文通過對可視化技術的研究，以OSG為基礎渲染引擎，通過OSGEarth完成基礎平臺搭建，構建出虛擬三維可視化系統平臺。該平臺完成了對基礎數據的添加，包括矢量數據，影像數據，數字高程模型數據。然后基于LOD技術實現矢量點標注信息的添加，可以根據視點位置的不同瀏覽相應視域內的矢量點信息。

【關鍵詞】OSGEarth；LOD；Sqlite數據庫

中圖分類號： TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0001-003

【Abstract】With the development of digital earth，the role of LOD in scene display becomes more and more prominent. In this paper，through the research of visualization technology， based on OSG rendering engine，OSGarth completed the basic platform to build a virtual three-dimensional visualization system platform.The platform completed the basic data to add，including vector data，image data，digital elevation model data.Then based on the LOD technology to achieve the addition of vector point annotation information，you can view the corresponding point of view of the vector point information according to the different point of view.

【Key words】OSGEarth；LOD；Sqlite database

0 引言

二十世紀九十年代后期，“數字地球”開始進入人們的視野。數字地球的核心內容是采用虛擬的三維場景模擬真實的地球，并通過加載影像，地形以及多種模型數據進行現實世界的仿真。在虛擬的三維地球中將所有信息數字化，實現人與數字地球的交互，使人們能夠快速獲取地球任意位置的有用信息[1]。基于數字地球人們不僅可以對地球有限的資源進行合理利用，還能對環境進行多方面保護，對人們的工作生活提供諸多便利。

1 OSG及OSGEarth簡介

1.1 OSG簡介

OpenSceneGraph （簡稱OSG）是一款開源的三維渲染引擎，其核心功能主要分為場景管理和圖形渲染兩大類[2]。因其強大的圖形渲染性能，OSG在虛擬現實，仿真，三維可視化等方面得到較為廣泛的應用。它使用C++編寫，封裝了OpenGL API，因此具有較強的跨平臺性，可運行于Windows、UNIX 、Linux等操作系統之上。OSG之所以被程序開發者普遍看好，不僅源于它強大的性能支撐，更源于它的開源性。程序開發者可以修改OSG源代碼，實現自己所需要的功能。

OSG將場景渲染抽象出來，提出了場景樹和渲染樹的概念。場景樹，顧名思義即采用樹形結構來組織場景中的地物。與傳統的四叉樹數據結構類似，場景樹同樣包含一個根節點，不同的是，場景樹中節點的子節點不再四分，而是可以包含任意個數的子節點，提高了加載調度效率。渲染樹由狀態集（StateSet）和渲染葉（RenderLeaf）節點組成。OSG可以同時渲染StateSet相同的RenderLeaf并可以在不同的StateSet之間任意切換。

1.2 OSGEarth簡介

OSGEarth是基于OSG三維渲染引擎開發的一款開源地形、模型數據加載渲染的軟件開發包（Software Development Kits，簡稱SDK）。它可以從網絡或者本地獲取地形數據和影像數據，并實時地進行優化、構建和顯示，支持多數據源的加載和管理[3]。OSG Earth使用基于XML格式的配置文件，可以從系統外部讀取本地文本文件加載地球數據，開發人員可以手動配置文本文件加載自己所需要的數據，具有較強的靈活性。通過不同的場景圖層加載調度用戶所添加的數據，便于數據管理。OSG Earth提供數據緩存機制，可以將第一次加載的數據以緩存的形式保存到本地，第二次加載時先讀取緩存數據，提高了數據加載的效率。

OSGEarth加載數據源的方式是通過加載不同的數據源驅動來完成的。比如，通過調用GDAL驅動加載影像和DEM數據；調用TMS服務，加載基于 TMS 協議的瓦片數據；調用ArcGIS驅動器，加載顯示ArcGIS Server所發布的數據。此外，OSGEarth具有較強的擴展性，用戶可以基于OSGEarth編寫自己的數據源驅動加載相應的數據，比如編寫WMTS驅動，加載天地圖服務數據。

2 Sqlite數據庫

SQLite是一款輕型的數據庫，是遵守ACID的關系型數據庫管理系統，它包含在一個較小的C庫中。它是D.RichardHipp建立的公有領域項目。以嵌入式作為其設計目標，現在已經有很多不同的嵌入式軟件產品，占用資源很少，在嵌入式設備中，大概只占用幾百kb的內存即可。它對主流的操作系統，比如Linux、Unix、Windows等，都能夠很好的支持。同時還能夠和Tcl、Java、PHP、C#等很多程序語言相結合。而且和MySQL、PostgreSQL這兩款世界領先的開源軟件相對比來看，它的處理速度明顯較快。endprint

3 LOD算法

在大部分的GIS項目中，加載海量的地形數據，模型數據等是必不可少的。但是受電腦性能和內存的限制，對于海量數據，無法一次性加入內存。即便實現了加載海量數據，在場景瀏覽時也會出現卡頓現象。層次細節技術（Level of Detail，簡稱LOD）對于加快模型顯示速度，及降低場景復雜度非常有效[4]。在場景中的各個不同部分或一個整體場景中獲得一組由具有不同細節的描述方法而得到的一組模型，用于在場景繪制時以供選擇使用，即層次細節模型。對于同一事物，由于受到人眼的視覺特征的影響，位于遠近不同位置的物體，目視所能夠看到的物體的細節程度是完全不一樣的。根據人眼視覺差異的這一特點，對于場景中同一物體，LOD技術便會依據詳細程度的不同創建一組幾何模型。在場景渲染的過程當中，根據物體所在的位置選擇相應詳細程度的模型載入場景。即當視點距離物體較近時載入在視口內的較精細的模型部分，反之，當視點距離物體較遠時載入在視口內的較粗糙的模型部分。在快速繪制復雜3D場景、模擬飛行器、VR、3D 動畫和交互可視化等領域，LOD模型技術得到廣泛且深入的應用。

在三維場景中由網格生成的細節層次模型 LOD，理論上一般分為靜態和動態這兩類層次細節模型。靜態層次細節模型將模型網格結構的構建和繪制兩個板塊分開，在模型的預處理階段劃分模型數據，并為各個模型塊構建相對應的不同細節層次的模型存儲在計算機的外部存儲空間供渲染時使用。根據視點的位置信息和視角方向，在模型繪制階段進行細節層次的調度。而動態細節層次模型依據視點的坐標以及其他信息，在繪制階段實時生成細節層次相異的模型網格，保證了不同層次結構模型之間的連續性，也叫做連續的層次細節模型。

3.1 靜態層次細節模型

LOD技術發展初期，靜態層次細節模型被廣泛應用[5]。在應用程序運行之前，以一定步驟的化簡方式，從最初的高精度模型開始，逐步生成一系列越來越粗糙的模型，并在外部存儲設備當中保存下來。在應用程序運行過程當中，程序根據屏幕視點與場景中模型的距離，動態判斷選擇一個合適的細節精細程度的模型，然后加載到場景當中以用于顯示。由于所加載的模型都是預先生成到本地的，所以加載速度較快保證了渲染的流暢性。但是有利便會有弊，隨之而來的便是靜態層次細節模型的兩個較大缺點，一是，靜態LOD需要存儲多個獨立的簡化模型，數量龐大的地形模型數據的存儲對計算機硬件標準的要求很高。二是，原始模型是按不同級別生成的簡模，不同級別的模型在場景當中切換時可能會出現跳動的現象，即瀏覽模型時不平滑。

3.2 動態層次細節模型

Lindstorm 提出的視點相關的動態層次細節模型，對于提高層次細節模型的應用范圍具有重大意義。模型數據存儲使用特定的數據結構，并且不生成可顯示的細節模型，此為動態LOD模型和靜態細節層次模型的一大區別。在應用程序運行階段，讓不同精細程度的層次細節模型匹配不同位置視點，實現自動實時構建。通過動態 LOD 建立的模型數據冗余小，并且更符合人類的視覺感官特性，也就是所觀察到的不同精細程度的模型是連續變化的，避免了畫面跳躍感和幾何數據的不一致。但是不同分辨率的模型需要在繪制階段實時計算生成和更新，消耗了額外的時間，并且算法也相對復雜，導致了可視化的速度下降。如何選擇適當的優化算法，使得畫面效果和繪制速度之間達到一個平衡點，是很多研究者努力的方向。

層次表示法、漸近網格表示法這兩類算法，是目前動態LOD模型的主要生成算法。

層次表示法是指依據模型的精細程度，將精細模型均勻地化簡為幾個特征較為明顯的簡模，并一次性的存儲到內存當中。在計算機的逐幀場景渲染過程中，從存儲簡化模型的內存中得到一個所需的細節精度稍高的模型，依據重要程度把內存里的的三角形面模型逐個刪除，直到達到所需的細節層次。這種動態化簡方法，其實質也即一種靜態化簡法。在預處理的關鍵幀模型生成階段，所有的計算都在此時進行，以至實時化簡的計算量極大降低，實現了動態化簡的功能[6]。

在眾多的模型實時化簡技術中，能夠被大范圍使用的是來自于Microsoft公司的Hoppe提出的漸進網格（PM）算法，基于點的剖分操作與邊的折疊操作是其內在的核心思想。由于缺乏必要的數據結構，原來的PM算法，對一個整體場景包含的不同精細程度的細節層次模型無法提供有效的支持。隨著對傳統PM算法的改進以及相關技術的進步，在實時地形的生成上，獲得人們大量認可度的關于視點的漸進網格（VDPM）算法，得到了廣泛應用。

漸進網格算法首先使用邊折疊的模型化簡方法，以一個全局能量函數作為依據，從原始模型開始逐步簡化，生成一系列不同精細程度的模型，最終得到一個最低精細程度的模型。在精細化場景模型時，將其過程反轉，作為簡化過程的逆操作并記錄下來。最終的PM的數據結構里僅保存化簡得到的最簡單的、程度最低的場景模型以及生成的一系列有序的逆操作。任意所需精細程度的簡化模型都可以利用點的剖分操作獲得。

通過對靜態LOD算法和動態LOD算法的比較，決定采用動態LOD算法用于虛擬場景構建過程中城市地名標注的加載調度。

4 關鍵技術實現

在SQLite數據庫中創建省區注記表及市區注記表，用來存儲相關名稱和經緯度坐標，表結構設計如下

表1 省區注記表

表2 市區注記表

然后在Google地球上提取中國各省市的經緯度坐標并分別存在省區數據表和市區數據表當中。

5 效果展示

基于LOD實現的全國省市行政區劃名稱顯示如圖3、圖4所示，當鏡頭距離較遠時，只顯示全國部分省級行政區劃的名稱，且省級行政區劃圖標在屏幕上基本不會重疊。當鏡頭距離較近是顯示市級行政區劃圖標。

6 總結

本文基于LOD技術實現了城市地名標注的添加。使在場景瀏覽時避免加載冗余數據，提高加載渲染效率。對于城市地名標注，只在Google地球上提取了我國省級行政中心以及各省各個市中心的地理坐標，未提取縣級和鄉/鎮級的地理坐標。當用戶進行場景漫游時，無法瀏覽到低級別的行政區劃。

【參考文獻】

[1]董波.數字礦山三維地質建模及可視化研究[D].中國地質大學（北京），2013.