大规模三维场景管理与地形漫游技术研究与实现

摘要

三维地形可视化在地理信息系统、实时仿真及3D游戏等领域都占有非常重要的地位。随着遥感技术、卫星技术的发展，三维地形场景的几何数据和纹理数据量日益庞大。因此，为了实现大规模漫游系统逼真、实时的显示与交互，设计一种有效的数据组织存储方法和合理高效的动态调度算法成为关键。 三维地形绘制时，关键技术是加快地形场景的显示绘制效率；目前主要由两种方法来实现：一是数据从存储器到内存阶段，通过有效数据组织、细节层次预处理、可见性裁剪将数据动态载入内存，并在内存中进行有效管理以减少场景数据；二是数据在内存的绘制阶段，在场景渲染之前，通过多边形简化、多分辨率模型等技术对内存中的地形数据进行合理的简化，以有效减少三角形绘制数目。 本文结合引江济太三维动态模拟系统，阐述了目前大规模场景数据处理和显示涉及的主要技术；研究了大规模三维地形数据的组织存储方法；为提高绘制效率，充分发挥GPU的性能，将地形数据组织成含地形概要四叉树(TSQ)的地形瓦片金字塔(TTP)的层次结构。并基于该数据结构，借鉴已有地形数据的动态调度思想，设计并实现了一套可行、合理的瓦片地形块与批LOD相结合的地形绘制算法；引入多线程技术，实现绘制线程和数据调度线程的并行化，对于不使用数据分割和调度策略的场景绘制系统而言，缩短了场景的初始化时间，提高了绘制的帧率，实现了大规模三维地形漫游系统显示的平滑和连续。

目录

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声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1虚拟现实

1.1.2地形漫游

1.1.3大规模地形建模与绘制

1.2课题研究目标与难点

1.3课题内容

1.4本文组织结构

第二章三维可视化技术相关研究

2.1数字地形模型概述

2.1.1 DTM和DEM

2.1.2 DEM的表示法

2.1.3 DEM的主要表示模型

2.2地形绘制算法研究

2.1.1层次细节技术

2.2.2实时连续层次细节

2.2.3 CLOD与GPU比较

2.2.4基于GPU的LOD算法

2.2.5地形可见性剔除

2.3 Out-of-Core数据管理

2.3.1 Out-of-Core概述

2.3.2外存交互式绘制技术

2.4本章小结

第三章三维地形数据的组织存储

3.1地形数据组织概述

3.2瓦片金字塔模型

3.2.1地形数据分块

3.2.2瓦片金字塔

3.2.3瓦片金字塔构建策略

3.2.4瓦片金字塔的存储方式

3.3金字塔模型数据索引

3.3.1四叉树

3.3.2瓦片四叉树及其索引

3.3.3地形瓦片拓扑关系

3.4地形缓冲池

3.5本章小结

第四章大规模三维场景数据的动态调度

4.1数据调度概述

4.2地形数据的调度策略

4.2.1可见区裁剪

4.2.2视点相关场景数据调度算法原理

4.2.3带缓冲区的地形数据调度策略

4.3与LOD相结合的数据调度算法

4.4多线程管理

4.4.1多线程机制

4.4.2大规模场景的多线程并行处理

4.4.3绘制线程

4.4.4数据调度线程

4.4.5线程间的同步

4.5本章小结

第五章地形三维可视化系统的设计与实现

5.1三维图形应用程序接口

5.1.1 OpenGL介绍

5.1.2 OpenGL对三维图形的投影变换

5.1.3 OpenGL对三维图形的模型视图变换

5.2项目背景

5.3场景漫游系统框架

5.4漫游系统的实现

5.4.1地形数据预处理

5.4.2漫游过程实现

5.4.3漫游效果

5.4.4实验比较

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1本文工作总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录