大尺度地形/植被的实时绘制技术

摘要

地形、植被等自然景物是虚拟场景的重要组成部分，但是它们的结构往往十分复杂，表面细节丰富，并且数据量极为庞大，给自然场景的快速绘制带来了很大的困难。考虑到用户在自然场景漫游中，由于视野广袤，因此更在意场景的整体效果，并且人眼对细节的分辨能力有限，即使面片位置出现一定偏差，从视觉上仍然难以察觉。为此，本文利用自然景物的特点和人眼的观察特点，提出了一种采样逼近的方案。该方案是对自然场景进行采样，构造出原始数据的逼近模型。使用这种模型的绘制结果具有原始场景的近似形态，并且可以通过控制参数改变其逼近精度，从而有利于自然场景的绘制速度和质量之间的平衡。本文把这一方案应用到大尺度地形和植被的绘制过程中，主要取得了以下三个研究成果。 地形是构造自然场景的基础部分，传统地形绘制算法的模型数据量往往十分庞大，限制了地形绘制的应用范围。本文提出了一种地形的过程式逼近与绘制算法，能够以较少的数据量，快速绘制出大尺度的地形场景。该算法首先在预处理阶段建立地形的层次树结构，记录着统计分形信息，然后在绘制时根据设定的阈值，通过GPU生成视点依赖的地形网格。这种分形层次树结构是对原始地形的逼近表示，能够获得较高的数据压缩比。实验证明，该算法可用于地形压缩、地形合成等应用领域。 在虚拟场景中增加树木等植被，可使绘制结果更加丰富多彩。森林场景包含了大量的树木，并且树木结构复杂，细节信息丰富，以每棵树为单位进行处理，其效率必然低下。本文提出了基于分级层次深度拼图集的森林绘制技术，把整个森林看成一个整体，建立多级的层次结构。这样在绘制森林时，只需遍历这种结构，就可以快速选择出结点并进行绘制。该算法需要对每个结点进行采样，才能够建立这种层次结构。为了在采样中能够很好地逼近原始树木的形态，本文提出了基于遮挡因子的采样度量标准，根据树木的遮挡情况与深度信息，构造出自适应大小的纹理绘制单元。同时通过光线跟踪算法采样出树木的颜色信息，从而在绘制速度与绘制质量之间获得了很好的平衡。 如何表现动态光照下的自然场景是个具有挑战性的问题，本文提出了一种层次多项式纹理，既能够表现出植被丰富的层次信息，又能够快速获得动态光照的绘制效果。草地等植被的材质是以漫反射为主，而高光性很弱。因此层次多项式纹理丢弃了高光部分，采用函数拟合的方法近似表现出材质的漫反射光照。每个纹理单元包含了多层的光照信息，并可以通过GPU计算出拟合的函数值，从而快速获得了动态光照下材质的逼近绘制效果。本文通过纹理拼图块的方法，把采样得到的层次多项式纹理拼接成大范围的草地场景，就能够快速绘制出动态光照下的草地。层次多项式纹理是对多层数据的一种紧缩表示，数据量小，运算代价低，而且能够推广到树的表示，也可以实现树的动态阴影效果。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章地形的过程式逼近与绘制

第三章基于分级层次深度拼图集的森林绘制

第四章基于层次多项式纹理的草地绘制

第五章总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢