發(fā)布時(shí)間：2020-03-31 17:17

【摘要】：地形模型是虛擬地理環(huán)境的重要組成部分,在數(shù)字地球、飛行模擬、電腦游戲等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。地形模型可視化效果的好壞對(duì)虛擬地理場(chǎng)景的真實(shí)感有著很大的影響。如何保持地形模型視覺(jué)效果與渲染效率之間的平衡是眾多地形可視化算法需要解決的問(wèn)題。在早期的地形渲染算法中,地形模型的構(gòu)建以及更新過(guò)程完全在CPU完成,這些算法的關(guān)注點(diǎn)主要在于如何減少傳輸?shù)紾PU中的數(shù)據(jù)量,這無(wú)疑給CPU帶來(lái)了極大的計(jì)算負(fù)擔(dān)。隨著現(xiàn)代圖形硬件性能的提升以及可編程渲染管線的發(fā)展,GPU的新特性為地形可視化算法注入了新的活力。和早期的地形渲染算法相比,現(xiàn)代GPU強(qiáng)大的性能使得我們可以實(shí)時(shí)地在GPU中生成并處理成千上萬(wàn)的三角形。在渲染大規(guī)模地形場(chǎng)景時(shí),使用Level of Detail(LOD)策略來(lái)生成多層次地形模型是一種常用的做法。但由于LOD級(jí)別之間的不連續(xù)性,在瀏覽過(guò)程中隨著視點(diǎn)位置以及方位的改變,地形模型在不同級(jí)別之間的切換將導(dǎo)致明顯的視覺(jué)跳變現(xiàn)象,嚴(yán)重影響場(chǎng)景的真實(shí)感。針對(duì)三維地形瀏覽過(guò)程中出現(xiàn)的視覺(jué)跳變問(wèn)題,本研究提出了一種基于GPU曲面細(xì)分的地形渲染框架。設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)縫合帶的多層次地形表示模型。隨著視點(diǎn)位置和視角方位的改變,整個(gè)地形基于四叉樹(shù)被劃分成了不同層級(jí)的主要地形塊,主要地形塊基于GPU曲面細(xì)分被細(xì)分為不同分辨率的網(wǎng)格。在多線程的策略下,動(dòng)態(tài)縫合帶在實(shí)時(shí)瀏覽過(guò)程中生成,用以填補(bǔ)相鄰主要地形塊間的縫隙。論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)研究基于動(dòng)態(tài)縫合帶的多層次地形模型。為了構(gòu)建多層次地形模型,選用四叉樹(shù)組織地形,四叉樹(shù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著構(gòu)成地形主體部分的地形塊。在利用四叉樹(shù)完成對(duì)地形的劃分后,主要地形塊被裂縫分割,為了填補(bǔ)這些縫隙并最終使得多層次地形模型能夠在不同LOD級(jí)別之間連續(xù)變化,本研究引入了動(dòng)態(tài)縫合帶結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)生成,無(wú)需復(fù)雜的預(yù)處理操作。(2)研究基于視點(diǎn)的多層次地形模型實(shí)時(shí)更新策略。本研究采用不同LOD級(jí)別的粗略模型和原始模型之間在高度方向上的高度差,作為地形模型的物體空間誤差。根據(jù)視錐體比例關(guān)系并綜合考慮視點(diǎn)位置和視角方向?qū)ξ矬w空間誤差的影響,在瀏覽過(guò)程中將物體空間誤差轉(zhuǎn)化為屏幕空間誤差。多層次地形模型的更新包含兩個(gè)階段:四叉樹(shù)層次結(jié)構(gòu)更新與主要地形塊細(xì)分級(jí)別計(jì)算。通過(guò)比較設(shè)定的屏幕空間誤差閾值與當(dāng)前視點(diǎn)條件下主要地形塊的屏幕空間誤差,判斷主要地形塊是否需要分裂并重新計(jì)算其內(nèi)部細(xì)分級(jí)別。此外,為了進(jìn)一步提高程序運(yùn)行效率,設(shè)計(jì)了一種多級(jí)視錐體裁剪方案,能夠有效減少實(shí)時(shí)更新階段的負(fù)擔(dān)。(3)研究動(dòng)態(tài)縫合帶實(shí)時(shí)構(gòu)建算法。在地形模型多層次更新過(guò)程中,尋找與所要構(gòu)建的動(dòng)態(tài)縫合帶鄰接的主要地形塊;采用與主要地形塊一致的細(xì)分方式,對(duì)動(dòng)態(tài)縫合帶的邊進(jìn)行細(xì)分,保證公共邊界上頂點(diǎn)的一致性;考慮動(dòng)態(tài)縫合帶頂點(diǎn)分布的規(guī)則性對(duì)其三角化,形成完整無(wú)縫的三角網(wǎng)格。實(shí)驗(yàn)表明,本文提出的地形渲染方法能夠以較高的效率渲染大規(guī)模的地形場(chǎng)景,在瀏覽過(guò)程中,地形模型能夠在不同級(jí)別之間連續(xù)過(guò)渡。和其它方法相比,本文的方法能夠顯著減少瀏覽過(guò)程中的視覺(jué)突變瑕疵,提升了地形的真實(shí)感,并能滿足實(shí)時(shí)交互瀏覽的需求。
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圖１－３技術(shù)路線圖逡逑１．４論文組織逡逑論文一共分為５章，組織結(jié)構(gòu)如下：逡逑第一章緒論：介紹本文的研究背景與開(kāi)展相關(guān)研宄的意義，從三維地形可逡逑視化在虛擬地理環(huán)境中的重要作用以及三維地形渲染算法面臨的問(wèn)題進(jìn)行論述。逡逑對(duì)現(xiàn)有基于不同表示模型的地形渲染算法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，對(duì)基于高度圖的地形渲逡逑染算法按照基礎(chǔ)組織結(jié)構(gòu)的不同詳細(xì)闡述，分析了邋ＧＰＵ曲面細(xì)分技術(shù)在地形可逡逑視化領(lǐng)域的應(yīng)用與挑戰(zhàn)。逡逑第二章多層次地形構(gòu)建與更新：首先介紹本研究提出的三維ＬＯＤ地形模逡逑型，并進(jìn)一步闡述模型中每個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)與主要功能。接下來(lái)，引出視點(diǎn)相關(guān)的逡逑地形更新策略，介紹視點(diǎn)相關(guān)的誤差準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上，給出四叉樹(shù)層次結(jié)構(gòu)更逡逑

產(chǎn)生處在不同四叉樹(shù)級(jí)別的子節(jié)點(diǎn)，從而形成視點(diǎn)相關(guān)的多層次地形模型。在此逡逑基礎(chǔ)上，本研究利用四叉樹(shù)將地形劃分為兩種不同類型的區(qū)域：主要地形塊和動(dòng)逡逑態(tài)縫合帶，，如圖２－１所示。逡逑■■ｍｉ邐j_逡逑＿

本文編號(hào)：2609350