【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虛擬地理場景的真實感有著很大的影響。如何保持地形模型視覺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)建以及更新過程完全在CPU完成,這些算法的關(guān)注點主要在于如何減少傳輸?shù)紾PU中的數(shù)據(jù)量,這無疑給CPU帶來了極大的計算負(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時地在GPU中生成并處理成千上萬的三角形。在渲染大規(guī)模地形場景時,使用Level of Detail(LOD)策略來生成多層次地形模型是一種常用的做法。但由于LOD級別之間的不連續(xù)性,在瀏覽過程中隨著視點位置以及方位的改變,地形模型在不同級別之間的切換將導(dǎo)致明顯的視覺跳變現(xiàn)象,嚴(yán)重影響場景的真實感。針對三維地形瀏覽過程中出現(xiàn)的視覺跳變問題,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)計了一種基于動態(tài)縫合帶的多層次地形表示模型。隨著視點位置和視角方位的改變,整個地形基于四叉樹被劃分成了不同層級的主要地形塊,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,動態(tài)縫合帶在實時瀏覽過程中生成,用以填補(bǔ)相鄰主要地形塊間的縫隙。論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)研究基于動態(tài)縫合帶的多層次地形模型。為了構(gòu)建多層次地形模型,選用四叉樹組織地形,四叉樹的每個節(jié)點對應(yīng)著構(gòu)成地形主體部分的地形塊。在利用四叉樹完成對地形的劃分后,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級別之間連續(xù)變化,本研究引入了動態(tài)縫合帶結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中動態(tài)生成,無需復(fù)雜的預(yù)處理操作。(2)研究基于視點的多層次地形模型實時更新策略。本研究采用不同LOD級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)系并綜合考慮視點位置和視角方向?qū)ξ矬w空間誤差的影響,在瀏覽過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階段:四叉樹層次結(jié)構(gòu)更新與主要地形塊細(xì)分級別計算。通過比較設(shè)定的屏幕空間誤差閾值與當(dāng)前視點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算其內(nèi)部細(xì)分級別。此外,為了進(jìn)一步提高程序運(yùn)行效率,設(shè)計了一種多級視錐體裁剪方案,能夠有效減少實時更新階段的負(fù)擔(dān)。(3)研究動態(tài)縫合帶實時構(gòu)建算法。在地形模型多層次更新過程中,尋找與所要構(gòu)建的動態(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,對動態(tài)縫合帶的邊進(jìn)行細(xì)分,保證公共邊界上頂點的一致性;考慮動態(tài)縫合帶頂點分布的規(guī)則性對其三角化,形成完整無縫的三角網(wǎng)格。實驗表明,本文提出的地形渲染方法能夠以較高的效率渲染大規(guī)模的地形場景,在瀏覽過程中,地形模型能夠在不同級別之間連續(xù)過渡。和其它方法相比,本文的方法能夠顯著減少瀏覽過程中的視覺突變瑕疵,提升了地形的真實感,并能滿足實時交互瀏覽的需求。
【圖文】：

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題進(jìn)行論述。逡逑對現(xiàn)有基于不同表示模型的地形渲染算法進(jìn)行簡要介紹，對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模塊的結(jié)構(gòu)與主要功能。接下來，引出視點相關(guān)的逡逑地形更新策略，介紹視點相關(guān)的誤差準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上，給出四叉樹層次結(jié)構(gòu)更逡逑

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

本文編號：2609350