地理信息系统海量三维对象渲染研究

摘要

得益于计算机技术的飞速发展，地理信息系统的研究与发展也呈现蓬勃的势头，更多的公司和企业通过技术将以前认为不可能的事情变为可能，将一个城市的全貌通过数字化技术完全搬到计算机上来，相隔万里的计算机终端用户通过Internet可以非常方便的访问和浏览近乎逼真的城市或地球其他角落的全貌。
　　 三维图形渲染引擎，不论是游戏引擎还是GIS渲染引擎都离不开图形学底层渲染库的支持，为特定需求设计和包装渲染引擎成为开发此类系统首要的任务。而渲染引擎开发面对的难题不单单是技术上的，还有跨平台及跨语言的多方位支持，从而发挥CPU与GPU的强大力量。
　　 三维渲染系统，主要处理两类对象：海量地形和大规模场景。海量地形的处理与渲染表现涉及地形的存储和LOD渲染，已有非常多的研究成果借鉴和学习，本文重点研究大规模场景的处理与渲染表现，正是由于单个三维对象的大数据量和一个场景中三维对象的高数目带来的渲染和管理负荷，因此，整体的场景渲染和表现就面临很多问题，包括内存和效率，效果逼真和对象存储空间，快速建模和快速索引，远程访问传输效率和渲染效果等。
　　 本文通过深入浅出地比较和分析主流渲染引擎的优缺点，为本系统引擎提供优化思路和改善空间的可能性，在考察大规模场景实时绘制理论的基础上，设计和实现了大规模场景实时绘制子系统，索引子系统，网络传输子系统，自然景物模拟模块。并对一些巧妙的处理策略做重点分析，如八叉树索引系统的创建和查询，三维模型的LOD简化与渲染，网络高效并发异步传输的设计流程等。
　　 最后，归纳和总结对此系统中的不足，为以后的研究提供路线图，也为其他研究人员提供一种比较的方案。

目录

文摘

英文文摘

图目录

表目录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究现状

1.2.1 地理信息系统

1.2.2 图形渲染引擎

1.2.3 LOD

1.3 本文主要工作

1.4 本文内容组织

第2章 图形渲染引擎

2.1 主流图形渲染库

2.1.I D3D

2.1.2 OpenGL

2.1.3 D3D和OpenGL的比较

2.2 GIS三维图形渲染引擎

2.3 本章小结

第3章 大规模场景实时绘制理论研究

3.1 多细节层次建模

3.2 遮挡剔除(消隐)

3.2.1 层次Z-Buffer(HZB)

3.2.2 层次遮挡图(HOM)

3.2.3 直接离散遮挡物(DDO)

3.2.4 可见性预计算技术

3.2.5 八叉树算法

3.2.6 遮挡查询

3.3 基于LOD的三维对象简化

3.3.1 半边数据结构

3.3.2 层次细节简化

3.3.3 纹理映射

3.4 索引系统

3.4.1 四叉树表示法

3.4.2 八叉树表示法

3.4.3 布尔集合运算

3.4.4 查找邻节点

3.5 关于效率优化比较分析和再考虑

3.6 本章小结

第4章 大规模场景实时绘制子系统设计与实现

4.1 预处理

4.1.1 三维对象cache

4.1.2 视点依赖的动态边塌陷技术设计与实现

4.1.3 效率优化

4.2 数据调度

4.2.1 动态构建索引八叉树

4.2.2 八叉树查询

4.3 实时绘制

4.4 实验结果与分析

4.5 本章小结

第5章 网络传输子系统设计与实现

5.1 服务端

5.2 客户端

5.3 误差度量和质量比较

5.4 并发连接优化

5.5 本章小结

第6章 自然景物模拟技术研究与实现

6.1 烟、火仿真

6.1.1 粒子系统的研究与实现

6.1.2 Billboard的实现

6.1.3 粒子系统性能优化

6.2 流体仿真

6.2.1 波形建模

6.2.2 反射与折射

6.2.3 菲涅尔效果

6.2.4 湍流

6.2.5 污染扩散

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢