（控制理论与控制工程专业论文）大范围复杂场景的简化与漫游技术研究.pdf

硕：卜论文火越艇魏场景静篱化j 漫游技术研究攘要零文重点繇究了大菠嚣餐奈绣最繁铑、菇示与漫游技术。铃对场聚范鋈大、蜜融度舞购特点，提出了一乖 基于分块躺均值l o d 简化簿法。通过分块技术将场最藏圈出大化小，采用分艨及稀疏采样拨术简化数掰激。并设计了个视点j f i 】视线方舞楣关辩艘量标准，拄铡霹实璎l o d 塌度。在真实感瑷缀鞠纹毽浃瓣上，提蹬了分缀纹理方案，将原始纹理蕊经过捞接、切割、分级过程，得到与l o d 相对应的屡次纹理图片。夜其中的关键环节图像拼接中，鼹供了平匿蟒接和柱蕊全景图拱接题穆方法，菸中平箍图像掰接羹点设诗了鼯离摇芙懿麓投融合军霾藿至线疆篷纛台瑟耪算法。在场景漫游披术上，设计了采用键盘控铡命令的手动漫游和预妒嫩簪的自动漤游两种方案，以满足不同的观察要求。蠛过对模挺参数的动态修改，模拟戏察嚣亵场景中各个方逡方位熬溅筵散粱。并黎予d e m 数蟋；浚诗了一套完整懿场景最示漫游方案。在本文算法貉础上，通过v i s u a lc + + 6 0 蹈含o p e n g l 图形麾绽毽，实现了一个场景显承与漫游系统：该系统鲍真实性、渤态憧芾珏实时悭诞骥了算法煎可行性。关键词：场觳篱化，场景漫游，数字高耧模型( d e m ) ，细节层次模裂( l o d )分炔，分级纹理映射，图像拼接坝卜论义人范川复杂场景的简化j 漫游挫术_ 【 j 究a b s t r a c tt h ea l g o r i t h mo fs i m p l i f i c a t i o na n de x p l o r a t i o nf o rl a r g e - s c a l ec o m p l e xs c e n ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ev i e w p o i n t - d e p e n d e n tl o da l g o r i t h mb a s e do nb l o c ka n ds p a r s e l yr e s a m p l i n gi sr e p r e s e n t e d t h e ”b l o c k - d i v i d e d ”t e c h n i q u ef o ru n i f o r mg r i d si sa p p l i e dt or e d u c et h el a r g es c a l e a n dt h es p a r s e l yr e s a m p l i n gt e c h n i q u ei sa p p l i e dt od e c r e a s et h ec o m p l e x i t y t oo b t a i nt h er e a l i s t i co ft h ev i e we f f e c t ，av i e w p o i n t d e p e n d e n tf a c t o ri sa d o p t e da st h et o l e r a n c ec r i t e r i o no f t h el o dm o d e l s i nt e x t u r em a p p i n g ，t h el e v e l so ft e x t u r et e c h n o l o g yc o r r e s p o n dt ot h el o dm o d e li sd e s i g n e d t h ef i n a ls e to fi m a g e sf o rt e x t u r em a p p i n ga r eo b t a i n e dt h r o u g hj o i n t ，d i v i d e di n t ob l o c ka n dc l a s s i f i e di n t od i f i e r e n tl e v e l s ，i nw h i c ht w ok i n d so fj o i n ta l g o r i t h mf o rt e x t u r ei m a g e sa r ep r e s e n t e d ：o n eb a s e do np l a n a ra n da n o t h e rb a s e do nc y l i n d e rp l e n o p t i c i nt h es c e n ee x p l o r a t i o n ，t w os c h e m ea r ep r e s e n t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u e s t o n ei st oc o n t r o lb yh a n dt h r o u g ht h ei n p u to fk e y b o a r d ，a n o t h e ri st oe x p l o r ea u t o m a t i c a l l ya l o n gt h ep a t hd e s i g n e di na d v a n c e t h e naw h o l es c h e m ef o r3 ds c e n ed i s p l a ya n de x p l o r a t i o ni sd e s i g n e d o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo ft h e s ea l g o r i t h m s ，as y s t e mf o r3 ds c e n eg e n e r a t i o ni sr e a l i z e dt h r o u g hv i s u a lc h 6 0a n do p e n g lp r o g r a m m i n g t h ed y n a m i c r e a l - t i m ea n dv i s u a lc h a r a c t e r so ft h i ss y s t e ma r es a t i s f y i n g ，w h i c hv e r i f i e st h ev a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h m s k e yw o r d ：s c e n es i m p l i f i c a t i o n ，s c e n ee x p l o r a t i o n ，d i g i t a l - e l e v a t i o n - m o d e l ( d e m )l e v e l s - o f - d e t a i l s ( l o d ) ，b l o c k ，l e v e l so ft e x t u r e ，i m a g e - j o i n t蛐l 论文火范1 1 司复杂场景简纯，i 漫游投术 j | _ 究1 绪论大数据魑场景的实时交互绘制是溺前计算机图形学、虚拟现实、g i s 等领域的热点研究问题。场景模型趋于多样化、复杂化燧复杂几何环境中造型数搦的重要特点。要让计黧梳所绘制的场景达到实时炎亿取决予蹲点：一是所采用静计算枫s 卜台具有很高运算速度；二是所绘制的几何目标蒙尽量简单，通过减小计算爨的方法来增加实时性能。众所周知，所有的计算机图形制作系统的制图能力都楚有疆熬。在一定翡羧簇下，每较瑟施绘铡囊冬嚣媲死褥模登( 三角彩) 鼗是毒藏的。因而，降低模型复杂度是实现复杂场景实时绘制与漫游的荚键所在。于是，在虚拟现实的视景仿真中，为提高视景生成的效率，达到视景充分实时变化之嚣豹，采嗣了l o d ( 缨带层次模型) 场景燕诧技零。为了使得到的场景凝有比较高的爽实感，除了加入光照投影镣技术之外，纹理映射技术也是其中的一个重点。将真实世界彳辱到的照片或图片作为纹理网映射到建立的场景原始模型中，可以得到效果更逼真的三维图像。对大范阐复杂场景：i 弦建模和傍爽的蟊静霆麓了给雳户提供一个虚撅瓣蟪景环境，因此，场景的绘制必须具有动态性，能够方便的实现与用户之间的交，接受用户控制，实现用户的浏览需求。这些需骚通过三维漫游技术来实现，主要是改变残察点谴受及方囱，麸蠢影璃强境参数，动态绘裁场爨。1 1 课题背景本课戆楚在蔽场爵聿燕纯矮嚣背景上挺密豹。酸场胃褫徒按拳楚磅究未来数予：化战场中众多复杂的信息并以人们黢能接受和最鬣接的方式袭现的理论和技术，其目的就是以数字化战场为背景，研究野战战场各种信息的波示及显示的援本窝实瑷方法，及多基耱穆嚣条终下豹信惑可享雯纯平台。通俗地讲，可视化就是一系列的转换，即将原始的抽象的数据或文字信患，通过计算机图形学和图像处理技术，转换为人们容易理解的图形图像，并在屏鞯卜显示出来，以馁于人们对独蒙的信息蠢直观两清| 辑的认如，列撼象信息中所隐含豹筑律寄盛接丽准确鹃把握，将战场各类原始僖惑的模手薮数掇转换成碍嚣零瓣信息图像、文字、图表瓣，变战场不可见的信息为可见的信息。战场w 视化的基础和关键环节就鼹复杂场景的可视化，为用户提供形织躐j i 【i l馁予交互霹搽缀懿三维粪实饕场景摸熬系统。壅予磷究巅象豹蕊戮大、复杂痰麓，筇l 仉人托嘲复杂场鬣躺赫纯5 蹦游技术鲥究凶此首先必须研究大范围复杂场景的简化与显示技术，在此基础上建立和实现三维场景显示漫游系统。i 2 可视化技术虚拟现实可视化技术怒众多高新技术计算机蹦形学、图像处理技术、多媒蒋技术、入工餐藐技拳、久辍接蟊 变零秘嵩度捧行豹实露诗冀技术等匏更高层次的集成和渗透。用图形图像刻画物体特征，以达到最易被人理解的视觉效果和实体的逼真显示，通过计算机模拟，使用户“身临其境”。虚拟现实可巍纯豹实质楚秘人辊爨嚣，亦是穆来黟文雾瑟匏蘩代技本。墨1 2 1 绘出了盛拟现实可视化技术的体系结牵每。应用：如数字地球系统等霉援健液拳三维数据场可视化虚拟现实技术蓑 宅1 1 t 形学图1 2 1 虚拟显示可视化体系结构图1 2 。1 可视纯技术的三漂结构模式可视化的主体是科学计算可视化，而料学计算可视化的核心愚三维数据场的可视纯1 5 7 1 ( 强强l 。2 ，l 。1 ) 。圈1 2 1 1 可视化技术f f 勺三层结构模式露享雯纯楚强剥羹l 诗冀撬甏髟学、鼙缘处理技零秘袭羧现实按本，涛事耱懿发腱变化过程( 获得的信息) 转换为更易被人们理解的图形图像的形式显示出来，并能进行交互处理的理论、方法和技术。科学计算可视化是对科学计算过程和绌朵数据豹可援化，它将图形生残技术、图像处理披术秘入扭交互技术缝含在一趣，使许多桔澡和难以理解懿手蠢象的数据变褥易被理解了，并通过交互手段来蘧察备笫2 矾酶i | 沦殳天范澍堑象筠簸秘赫纯o 澄游披最 鞋究静嚣素慰事貔发震过纛豹影响，成灸瀵鼹和发瑷事物发震援撩戆舂剽工具。三维数据场可视化的对象是三维数据，三维数据中的每个数据元至少有相应数空潮坐挺滠瞧。三缎数据场可援 芑磺究豹主螫内容镪捶规则数搀场可视他、不规则数据场可视化、散乱数据场可视化及矢量数据场的可视化等。就其可视化算法来说，可划分为嚣大类：压绘制和锩绘毒。霹绘制蓠先由三缫空间数据场中提取中间几何图元，然尉利用计算机图形学的面绘制技术实现三维体的照示和交互。这是一耪肖损绘制，但效率比较藏。体绘捌是直接出三维数据场中的数据产生二缀图像并在屏幕上进行显示和交鬣的技术。它能够再现细节，且可获得高质量的豳像；但计算量大，对硬件的性能要求比较高。t 2 2 基于圈形学的可视化过程可视化的过程大致分为以下几步：( 1 ) 利用各种模拟或数字设备对可视化数据的获取和生成：( 2 ) 对获褥豹数据进彳亍加工处理，提取我们感兴趣的数攒和信息：( 3 ) 将加工过的数据转换为几何图冗和图元属性，弗利用计算机图形学的熬本技术，将这终图元及图元属性转换为图像；( 4 ) 对阁像进行变换和鼹示。刹用图形学知识实现可视化是一葶申比较传统和经典的手段，计算机图形学在可视化领域中的主要研究内容即是用计算机谶行图形信息处醺和图形运算。图形处理倪括对图形的表示、输入、输出最示、存储、检索与变换( 平移、旋转、缩放、反射、错切) 等；图形运算主簧是在图形上进行的并、交和差等，迸丽求取可见面和遮挡部分。用光照模型实现面绘制：光照模型( 明暗模垄) ，即对物体进行透筏投影，然后在可见面上产生自然光照效果，进而达到场景的真实感显示，其实质是求物体表面某处光的强度。光照效暴包括反射性、透萌萑、表面纹理和阴影。藤不同形状、颜色、使麓的光源可以为一个场煨带来不同的光照效果。因而物体表面上菜点在观察方向上所投甜的光强度值取决于：( 1 物体表面的觅学属毪参数；( 2 ) 场綮中面片的札l 对1 藏置关系；( 3 ) 光源的颜色、位嚣；( 4 ) 观察平面的位置和朝向等方面的信息。电就怒说，竞强度的计簿公式w 由物体、先源帮蕊察丽的裾关筏置帮属往来确定。瑟绘镪( 弱暗整遴) ：通过光照横登孛酌毙强度计算柬确定场景审耪体袭嚣的所肖投影像索点的光强度，进而实现面绘制。在计算撬图形学中，真实感豹实琥方法蠢：( 1 ) 铹钵豹鬻穗圈形表示；( 2 )场景中光照效果的适当的物理描述。鬻觅嚣鞠嗣( 隐藏瑟清除算法) ：第3 裂倾| 论文夭范戡祭场嚣鹩赫仡4 # 漫游技术彰 究由于在利用光照模型进行黼绘制中，计算的是可见面投影像素的光强度，所以，篱毙要进圣亍霹凳瑟刿定，黢方法鸯：( 1 ) 嚣彝嚣判剐法，期逶避戏察囱量与多面体面的法向量之间的夹角大小来判定；( 2 ) 深度缓冲器法，即比较各丽片深度值，并取最小的：( 3 ) 扫描线算法，如空间消隐算法等；( 4 ) b s p 树算法；( 5 ) 八叉树冀法等。瑷上算法大致分为耪空润箨法韶豫空潮箨法。物空闽豁法褥场录孛麓魏镩帮物体释组成部件避行相互比较判别出可见面；而像空间算法在投影平面上逐点判断各像素所对应的可见面。虽然物空间算法黼效，但大多采用像空间算法，而在线摇方式懿强形纛示孛，太多袋舔貔窒麓冀法。馓界坐标中景物的显示过稳如图1 2 2 1 所示i ，5 朝。幽1 2 2 1 世界坐标系中的景物到设备坐标系中的变换过程1 。2 3 研究前景除了对图形、图像和虚拟现实技术进行相应的研究之外，还有：( 1 ) 信息场可视化的内容和燕键技术研究；( 2 ) 虚拟现实可视化程序设计环境的研究：( 3 )整形瑟爨融会技零瓣疆究及荚程霹褫纯中豹疲霜；基予w 两豹秘弱霹褫化工 乍环境的研究；( 5 ) 可视化中基予黼形图像的拓扑关系研究。1 3 本论文的主要研究内容本论文研究了大范围复杂场景的简化，掇出了视点相关的分块l o d 简化方 l - ； d 分级纹理映射方案，并设计了一套完整的针对大范围复杂场景的三维重建与漫游方案，实戮丁场景的显承隼目漫游。针对场景范围大的特点，在简化中弓|入了分块的恿怒，螽大纯，l 、，黻实褒辩大藏嚣场景兹把纛鞠处理；舒辩场景复杂的特点，采用了分层分级的思想，减小数据量，降低复杂度，有效的实现简化，弗能满足不同观察情况的凝求。本论文圭搭分聂章。筹一鬻壤摇分绥了漾蘧鸳景与爵褫纯技本熬籀哭蠹容；第二牵介绍l o d 简化算法，重点阐述针对大范围复杂场崇这种特殊对氖所提出第4 页坝| j 论文太越崩复袭场豢勰麓姥4 0 漫游技术蛾究n 0 分块分腠简化算法，并给出一个视点和视线方向相关的度量标准；第三章介绍真实感场景实现中的纹理映射技术，重点阐述针对大范围复杂场景所设计的分头分缀纹瑾浃瓣技术。赞对其中豹关键环节，鄹霆缘砉滓接部分，浚诗了足耱不同的算法方案：第因窜介绍了完按的场景显示与漫游方案，根据应用目的的不同，设计了手动漫游和自动漫游两种方式；第五摩是大范围复杂场景显示与漫游的实现，以及实验结莱的分析与讨论。第5 页，】! j ! l 论义人旭复杂场景的简化o ，漫游技术究2 视点相关的分块l o d 简化技术本章首先介绍了关于l o d ( 细节层次模型) 的基础知识，然后提出了一种针对犬范围复杂场景的分块l o d 简化算法，该算法针对均匀网格数据，采用分块耜分艨豹技术篱 乏摸燮，并显萼l 迸了一个褪煮秘撬线方彝相关载毅子，来黢划对l o d 模型的调度。2 1l o d 概述2 i i 场景简化的提出基于几何造型的视景生成技术是种传统的图形生成技术，主要涉及动态建模和三维豳形照示，为保证三维图形的快速生成，必须降低复杂度。实时驻示就是簧求图形麓示速度努须跟上褫点移动速度，消除遐滞现象。当场荣禳镶攀，铡舞汉鸯死疆个多逮形，要实瑰实黠摄示并不嚣难，但是，戈了褥到逼粪的显示效果，视景中往往商上万个多边形，有时多达几百万个多边形，这就对实时显示提出了很高的要求。降低场景的复杂魔和选择合适的成像算法悬关键。( 1 ) 选择合适的成像箨法亮度攒述静是光线在模熬物落表瑟瓣一个像素焦复瓣嚣懿强度，并被双察者着到。遥舆图形的生成算法，图形学中大郡采用光线躐踪等算法，但它们的，f ：销都较大。本文不作介绍。( 2 ) 降低场景的复杂度三维场景筷鍪复杂程度的增加几乎燕无限静。举翻来说，在s g ii n d i 9 0 2e x t r e m e - r 佟鲒上可鞋实现含毒2 3 万令多透彤熬笈杂模型数实聪动态显示，但是，莱一工厂及其外景的模型就包含了避2 0 万个多边彤，美国u cb e r k e l e y火学新建的计算机系大楼及其内部设施的模型竟包括2 0 0 万个多边形。因此，如果不在算法上采取必要的措施，如此复杂的模型建无法在这一稻次的工作盘占_ | ：实现实辩动态箍示静。要提裹三维场景麴动态显示速度，一个非常有效的方法就是降低场景的复杂度，即降低图形系统需处理的多边形数目。目前，比较常用的方法有三种：场聚分块( w o r l ds u b d i v i s i o n )一个复杂的场景霹被翔分成多个子场祭，各子场景之闽凡孚不哥凳绞竞全不霹见。例如把一个建筑按房阕划分成多个子部分，观察者农某个房闻仅能看到房内的场景及与门i s 、翕等相连的其他房削。这样系统就能有效地减少在任第6 负f 哦| 晓文夫范黼羹条场景的简仡i 漫游技术科究时亥嚣显示秘多逮形数磊，觚两鸯效逑薄蕊了场景复杂度。但是，遮穆方法仪对封闭空f 白j 有效，对开放空刚则很难使用这种方法。霹见淡雅( v i s i b i l i t yc u l t i n 痊岛场景分块方法不同，场景分块仪与用户所处场景位置有关，而可见消隐方法与用户豹键点关蓉密切，镬爆这葶孛方法，系统仅照示雳户当兹能“看见”的场景。当用户仅能稀到场景的很少一部分时，由于系统仅显示相应场景，从两大大减少了嚣显示豹多边形数星。然嚣，当髑户能“看见”麴场景较复杂时，这种方法就不超作用。细节选择( l e v e lo fd e t a i l )即使采用了场景分块技术及可见消隐技术，有时用户能“看见”的场景仍捆当笈杂，为此产生了细节选择方法。职谓细节选择，即为每个物体建立多个相似的模型，不同模挺对物体的细节描述不同。对物体细节的选择越精确，模型也越复杂。根据物体在屡幕上所占区域大小及用户视点等豳素为备物体选撵不同的细节模型，从而减少需显示的多边形数匿。这楚一种商前途的方法，不仅可髑于封闭空间模型，也可用于开放空间模型。然而，这种方法对场景模型的描述及维护提出了较高的要求。2 。1 ，2l o d 的概念凌计算枧图形学的应用领域中，物体摸型多采用多边形刚楱( 特例为三角形网格) 来描述。描述场景中的多边形数目越多，所绘制的图像质璧就越高，但是绘制速度也就越米越馒，从丽形成了一对矛詹。般说来，图形绘制速发与模溅中的雾边形数瞬成反比。尽管圈形绘制系统的性能在近几年有明显提高，但是憩会有一些场景太过复杂，不能实时绘制。尤其在场景漫游中，要实时绘制的复杂场景可能要包含上谣万个多边形。这种情况下，必须采用必瑟的简化技术，来降低复杂度，以谋求场景真实性与实时性的协调。为场景提供不同的l o d 摇述就楚控制场景复杂度和加镳图形绘制的一个j 常有效的方法。l o d 模型技术在复杂3 d 场景的快速绘制、飞行模拟器、3 d 动画、交互式硝视化和虑拟现安等领域得到广泛应用。l o d ( l e v e lo f d e t a i l ) 即绷节层次模型，兹是指对同一个场景或场景中的不两部分，使粥其有不阉细节的描述方法得到组搂登，供绘潮辩选择使用。溺一个物体，丰巴它放到远近不同的位置，人的眼睛所能看到的该物体细节的详细程度楚不一样的。l o d 技术藏是穰攒这一裰凳特点，为同一个物体建造了一娥详细程度有别的几何模型。计算机在生成视景时，根掘该物体所在位鬣离视点距离的大小，分澍调入详细程度不阖褥模饔参与瓷袋翁生成。其体黪说，疆菇落7 炙锨 论文人托复杂场景勰麓化i 漫游技术甜究视点较近的部分采用较精细的模型，反之，距离视点较远的部分，就可以采用较粗糙的模型来绘制。这样，避免了不必要的计算，既能节约运算时间，又不会降鬣褪最靛遂真程度，搜计算豹效率大大提高。多细节滕次模型l o d 技术允许在不影响图像质撵的前提下，戳不同的细节淡达同一三维模型，并根据观察点的位鬣决定模型细节的选择，以减少图形处理的复杂度，实现复杂模烈真实感图形的实时动态绘制。并且，为提高效率，锚建秘钵多纲苓表示豹j 窭稳应是耋动懿。2 1 3 重要性度量嚣穆筵像豹嚣翡是怒令窝多这形溺格表示獒模罄雳一个远戳模鍪表示，近似模型基本保持了原模溅的可视特袄，但顶点数目少于原始网格的顶点数目。通常的做法怒把一些“不麓要的”图元( 顶点、边或三角形) 从多边形网格中穆去，困页，l o d 模型兹镄纯和生残必须簧有一定豹度量标准。下甏先贪绍零用的重要性度擞方法诤”。( 1 ) 局部误差度量局部误麓度量是一种麓单的误差度擞方法，以点在原有模型和近似模型中鲶高度蓬之麓 乍为度量。翻鲡在s c h r o e d e r 霹豹冀法巾，镬震点癸警殇平嚣兹爨离作为局部谈差度量方法。( 2 ) 曲率度量在用三角形嬲掺攒述携髂翡表露对，摄据麴搴霹以缀好遮区分表覆熬一些特征( 如地形数据中的蜂、谷、脊) 。夜进行简化时，可在高曲率处傈留尽量多的点，而在低曲率处删除尽量多的点。t u r k 9 】通过计算顶点和三角形的曲率，把新顶点分露在曲率较大的三角形上。( 3 ) 全瘸误差度量全局误麓度量是指所脊点上近似误差的总和。控制全局误差源常可以得到较好的近似效果，但也会增加计算量和算法的复杂一陡。在网格精化过程中，所增酝懿矮患必绥骞尽量小瓣金届误差。簌鲡霹鞋把全弱误差耩确蟪定义隽两令多边形网格袭示的曲面之间的h a u s d o r f f 距离。( 4 ) 特，鬣角度量多边彤潮格中顶点的鬟要性也可以髑特征角来鬻囊，特征建可以定义为顶点处任意两个稆邻三角形静法淘量之闻敕夹角中静激大者。2 1 。4l o d 算法分类磊蘩，京缁节层次模黧篱纯方瑟墨经提出诲多耱算法，穰羲不黼懿分类标第8 撕臻论文大蓬嚣复焱场景魏簿纯与浸游投本繇究准，可以壤括如下p 纠：2 1 4 1 掰扑结构保持型拓扑绪构非保掩型算法在拓扑结梭保持型简化算法中，必须保持模型的拓扑结构。太多数冀法对输入的数据模型有要求，如果模型包含邋化情形( 如多边形重叠或边由两个以上的面片共享) ，那么则不能进行处理。绝大多数简化算法都属予这种类越。拓扑结梅j 保持鼙简化冀法并不保持模羹的局部戢全局拓扑结构。由子这黉算法的约束条件较少，因而模型的简化程度较高。在器保持较高帧速率且图形的视觉效聚w 以一定程度下降对，可戳使用这类算法，但是有时所垒成酶篱纯模鍪效果可能会很麓。2 1 4 2 鑫适应绷分蕉样鍪蔻俺元素瓣除鍪( 1 ) 自邋应细分越这种方法簧求蓄先建立原始模鍪酶簸篱纯形式，然落稷据一定静鬣蒯逶_ 蓬细分把细节信息增加到简化模型中，从而得到较细的l o d 表示。这种方法不太常震，漾蠢是夜一般情凌下稳逡最积弼格静最篱搂鍪稳当困难，它主要逶震予均匀的网格( 如高度场) 。d e 嚣8 e m 。f 【7 壤；出豹舞法是蠡逶痘缨分算法鹣典型 弋表，该雾法稷定输入模型来自乎三维捆描仪的输出。它利用了输入数据的规整性，根据用户指定的误差容限( 耀欧挝距离定义) ，逶_ ；霪多次缨分，亲爨动生成令饕纯攘鍪。该霎法具有拓扑结构保持特征，它的缺点在于仪适用予正规网格( 如高度场) 。另外，计算积始供绥分蘑熬麓纯模型比较爨燕。( 2 ) 采样这耱方法类似予图像处理枣豹滤波穷法，鸯融不能保持拓扑缝擒不炎。它对原始模型的几何表示进行采样，一种方法是从它的表褥选择一组点【9 9 】，另外一秘方法是撼一个三维网格覆盖到摸越上井鼯每个3 d 网格攀元进行采样【1 1 1 。在第一种方法的选择一组点时，又可分为随机选点或根据一定的规则选择特征点，显然选择特征点熬方法的邀似程序离，但计算量大。r o s s i g n a c “j 提出的多分辨率3 d ：i 醺似算法怒一种采样算法，该算法分为4个主要步骤：赋予各顶点以权德，绘物体特镊变化较大处的点( 特征点) 以较大的权值；根据物体的复杂程度、相对大小等因桊把物体所占空间划分为多个立方体单元；计算位于立方体单元中各顶点的代袭点：把位于同个立方体单元中的点用其代表点代替，把产嫩的退仡多边形移去。该算法的优点在于它适用予任意类型的输入模型，甚至可以是一些不构成两格静多边形祭合；另外它也怒一稀秣常有效瓣快速简化方法。其缺淼在于不保持原模型的拓扑结构，因而所产生模趔的视髓效果不佳。另外，近似误差也第9 磺倾f 论史人范复杂场最的简化漫游投术研究小司婺。( 3 ) 几何元素删除型几何元素删除型算法通过莛复地把几何元素( 点、边、面) 从三角形中“移去”来得到简化模型。这蓬的“移去”分3 稀情形：一稀是誊接涮除，勇一种楚指通过会并2 个或多个瑟来掰狳边或瑟，第3 释楚指黠逮或三是形进雩亍撼整。移去或烈除操掺一蠹进行，直到模型不能被麓化或达到用户指定的近似误差为止。绝大多数算法要求在进行几何元素删除时，不要破坏模型的拓扑结构，大多数的模型简化算法都属于这一类挺。凡侮元素囊接掰j 除垄算法龟括溪点弱除海5 嘲三角澎掰除剐。这炎算法戆基本思想楚逶避浮铃硬点或三角形豹重要性，如果这顶点或三角彤不黧要就直接删除它，并对得到的空洞进行三角化。这类算法的计算量小，时间复杂度为线性，有很好的保细节特性，能保持拓扑结构，简化模型的顶点为原始模型顶点的子集。但由予算法采用局部近似误麓质爨，在多次迭代詹误差会袄累，胰舔影响篱亿模羹豹鼷量。返乎黼合并算法i j 6 2 6 3 2 1 的基本思想是把近似位于同一个平阿上的相邻三j = | 】形进行合并，形成一个大多边形，再用数豳较少的三角形网格来表示这个多边形。这类方法不仪适用于任意用三角面片袭示的复杂模型，而且还可阱适用于其它多边形网格表示的模螫，简纯速度弱遂茯予其它葬法。使囊选辑疆进行模型楚他熬冀法缀多，边辑爨操 乍容易构或连续过渡的多个l o d 表示模型，便于多分辨率模型的管理。这类算法的优点在于可以生成连续细节层次，支持模型的累进传送和有选择精化，并鼠还考虑到面片上彩色和绞瑗信息的处瓒，多个缅节屡次所占用的存储空间很小。算法的局限往在予仅麓处疆二维滚形。2 i43 局部算法垒局算法全局算法是指对整个物体模型或场景模型的简化过程进行优化，而不仅仅根据局部的特征来确定删除不重要的图形元素。有些念局算法中也使用至一些硒部算法的特征。全局算法的镶予有t u r k 9 提爨抟夜表瑟上蚕新分布读点；h o p p e 1 。1 镬用懿全怒鏊最小纯方法；c o h e n ”】提如的包终网接以及e e k t h l 豹小波表示方法。局部簿法是指威用一组局部规则，仅考虑物体的某个局部区域的特，征对物体进行简化，这些算法的例子柱s c h r e o r d e r l 8 的顶点删除，r o s s i g n a c 的顶点折叠，h o p p e 臻2 3 l 和g n e z i e c z 。l 的2 折叠。h a m a n n 2 j 的兰角形涮除。第1 0 薮人范砭杂蛹蔽的精他o 滏游技术 l j 究2 。2 季凳点毒凳向相关的分块l o d 简化篓法2 - 2 t l 方法的提出通过对l o d 算法的分析和研究，结合大范围复杂场景的简化要求，在此提出一嵇新酶l o d 耋韵蹩三或舅法。它基子“均匀鲻格”和“分琰”兹嚣怒，考虑了视点因素的影响；通过减少采样点数目、以多l o d 模型库保存各层次模型瓣搭藏，使弱穰簿纯遂耩更曩予疆簿秘挟嚣。焱动态显示薅，遴过一令褫熹辕荧的度擞标准实现l o d 调度，以满足场景可视化的基本要求。2 2 2 算法原理场爨建模中经零采用懿是d e m 模麓，本文所设计靛l o d 筠纯冀法迄建蕊于d e m 数据格式，在此，首先介绍一下关于d e m 的基本概念。d e m ( d i g i t a l - e l e v a t i o n m o d e l ) 鄯数字蹇发模鍪，楚场景建模孛广泛采蔫熬种数据格式。在这种数据格式当中，通常采用的面模型就是均匀网格，其数据由系列等瓣隔静遮形毫稔毽表示，筏表块方形鲻捂地形，霹掺交叉熹怒的高度就是对应场景某点的高程值。凼于其数据存储位置能够反映实际数据的空闻彼置，嚣嚣这秘数摇格式菲常方霞黠数豢熬操接，麸瑟矮子实溪缝表特镁物与地形间的自适应匹配。痰予场爨藏匿较大，在显示彝漫游孛，盎瑟果不采联筵纯繁蝰，_ 鬟接慰整蠛场景进行绘制，处理起来极为不便，严重影响运行效率和显永速度。因此，针对场繁范强大鳇特点，缝合d e m 数据格式豹特点，在戴撬线一秘“分块”瓣简化恩想，将整幅大场景划分为若干小块，然后以“块”为单位，执行数据蕊麓位及场景绘制搡终，这样处理起来方埂灵淡，将场景出大化小，对场景的操作难度也相_ 陂的降低，从而获得简化与绘制效率的提高。d e m 数据格式所采用麴是均匀豹测淫模型，这个特点使褥“分块”的思想更为合理更易于实瑷。由于要处理的场景比较复杂，数据量大，要想实现实时照示与漫游，必须避行场景茂化。困挖，在场襞分块的基础上，以“块”魏单饿，采援爨疏采样之后求均值的l o d 简化算法，降低场景复杂度，减少数据量。通过简化，对各个“块”生成不网细节层次的模型，劳保存在l o d 模型瘴中。动态显示时，倭可根攒相应的调度策略，选择需要的细节模溅进行绘制。为了保证场景的真实感，设计了一个与视点和视向相关的公式作为度量标准。概括的说，该算法就是程给定了地形高稷数据的基础上，时整个大范围地焱分炔，然聪以“块”为单僦进行l o d 化简，对每一“块”，土成若干个不同详细程度的层次模型，并保存到多l o d 模型库中。在绘制时，授掂税点视向稻关第l 文坝仁论文火范围复杂场景的简化与漫游技术研究豹废爨标准，决定冬“块”应调用豹攮裂层次。该方法的关键部分为各块的不同细节层次模型的生成，在此燕要通过稀疏采样算法降低数据量。为了在简化的前提下，保持更多的场景特征信恩，在稀疏采样的纂础上加以改进，对稻邻顶点求均僚作为代表点的高程值，黻弥 稀浚采样可熊造成豹缎节缺失。稀疏袋样算法的原理是这样的：对于给寇的位置规则的原始采样点，通过等间距网格重采样，生成精细程度较低的一级模型。所取的采样点越少，删除的点越多，生成的模型就越粗糙。例如，若菜块原始数据为每5 米一个采样点，剐麓佬辩按每1 0 麓一点爨采榉，堡戏第一缀簿纯模型，菝此类撼。出于稀疏聚样时删除了一定数爨的点，擞然达到了简化的目的，但是，有可能造成场景细节的丢失。为了能协调数据凝简化与真实度保持这一对矛盾，对稀疏采样算法加以改进，摄出了顶点均值的思想。所谓的顶点均值，就燕在校撂葡蟊鹩稀巯采祥策珞决定簿| | 除些疆点之前，对禚应静误煮求均傻，将褥到懿数据终为像塑顶点豹裹程篷，这样霹以减小细节丢失，酶低失真度。通过简化得到各“块”的多l o d 模挺库。显永时即可按定标准调用所需层次模型，达到实时动态绘制场景模型的目的。2 2 3 基千分块的稀疏采样舞予场景串茫强大因嚣蟪形数据庞犬，每次对场景进孬整体运算慰硬咎豹内存和计算能力的要求都缀离，是不现实也是不可能的，因此对场景数据分而治之，采用分块策略，将场景由大化小，进行处理。为傈诞数獬调度方法的简便、快速和有效，分块策略在二维空间进行。这样徽翡原因主簧是，在三维空润矧分数据兹努法跑二壤空溺复杂，茏其黯予地形数握是离程数据的憾况，显然在二维窆闽划分要自然更筠单。两且，尽管三维空间的数据分块l t - - 绒空间细致，但算法复杂性明驻加大，对于实时系统来说，这也是得不偿必的。如图2 2 3 1 所示，鬣设v 为蕊察点，p 梵场景中莱一点，v 耜p 分瘸凳二者在二维乎嚣豹投影。投据人受鼹察物体豹实骣缀验，p 在z 方淘露农平方囱上的移动，对于观察效果的影响是楣对较小的。人眼观察到的详细程度，主要还是取决于p 在水平方向的移动。因而，可咀说观察点v 与目标点p 之间的距离远近基本可以在箕二维平面的投影上反应出来。所以，在可戳大大简化数据运算并虽瓣效莱彩嫡哥黻忽臻豹萋稿主，将三维窆阕对象投影裂二维平瑟寒处理。在x o y 平殛中将整个场景划分到若干大小相同的“块”，绘制时再逆映射到三维空间进行处理。第1 2 炎坝士论文大范围簸杂场景的简化与漫游技术研究圈2 2 3 1视域投彩囤场爨楚纯的基零嚣撼是降低复杂度，减小数握量，因此，我 采用一秘稀疏采样的策略，根据一定的规则删减顶点数目，达到简化的目的。为了便于处理，我们在采榉之藏先对大范援场景遴行了分块操 乍，根据实际情况。将场景分割成大小相同的若干块。简化时，对于地形中的每一个“块”，执行臻照采撵撩 乍，生成不同糙缨度的模型，劳梵每个“块”建立一个多l o d模型库，用来存放为其生成的多级精度模型。具体的采样原理是这样的：第一层模型为鼹糖细的级，保罄该块的原始数据；第二层则对原始数据稀疏采样，抽取其中的部分网格点高程值，删除其他顶点，形成该块的第二级摸裂。由予顶点数舅减少，模型的复杂度降低，详细程度比原始模型也相应降低。然后，辩于再下一级模型，采样更少的网格点，褥到精细程度熨低的模型。铱此类推，得到每个“块”的多个细节层次模型。基本的稀疏采样方法是隔行或隔列取点。例如，第二层模型取原始数据的奇数列阚格点，即原始地形采样点方黥的奇数列保留，其他顶点高程馕数据删除，这样将减少一半的数据量。第三层模型刚取原始模型中3 的倍数列顶点来生成，由于删除的顶点比上一步更多，因而数据量更少，精细度更低，模型也更粗糙。依此类推，删除更多数量的采样点，得蓟精缁度更低的模型。这些模型保存到“块”的多l o d 模型库中，这样，显示时即w 按一定的调度标准调用所需屡次模鍪，动态绘俸场景。要说明的一点是，稀疏采样规则可以根据嶷际需要自行选择和调熬。删除哪些熙傈留哪魑点，繇层保鬣多少 例静点数，都可黻灵活调整，敝满足不同情况的需要。下颟透过一个其体示饲解释一下稀麓采样豹基本蜜现。第1 3 鬣黻| 沧空火蕺辫笈聚场嚣瓣麓纯j 漫游技术孵究班班图2 。2 t 3 2 耱蟪采样示惹嘲妻嚣图2 2 。3 ，2 骶承，取场景菜“块”中的一个局郏为磅究对象，( a ) 袭示了场景该“块”部分中的原始采样点。l o d 简化时，第一级模型保留所有点，即o o ，0 1 ，0 2 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，2 0 ，2 1 ，2 2 ；第二级模型通过隔列采样得到，郎保留顶点o o ，0 2 ，1 0 ，1 2 ，2 0 ，2 2 ，觚除了o l ，l l ，2 l 三个顶赢( 如匿2 2 3 2 晒) 所豕) ；第三缀模型采潮隔行隔列重采样懿赈烈，燕纯磊只傈塞，0 2 ，2 0 ，2 2 毅个顶点，瑟o l ，1 0 ，ll ，1 2 。2 l 五个顶点郝被删除( 如图2 2 3 2 ( c ) 所示) ：第四级模趔可以采用隔行隔两列的原则继续采样，依此类推，从而得到该块的多l o d 模型库。简化过程中需要注意的一点是，由予采用分块绘制，倘若按某种采样航剐，边界赢不楚该麓静采样熹，在绘隶l 时就会宙予两鞠邻块串菜方或双方逑器瓣羡发，二者不能缓确接舍，造成块与块之闼的裂缝。如图2 2 3 3 所示，假设a b所标示的列为相邻两块m 、n 的交界线，如果根据采样规则，在m 的简化模型中a b 列的点不满照采样条件而被删除，则块m 的该层模型边界线将不褥是a b 。假设采样精的新边界为c d 所栎示豹剜，鄹绘涮时m 块只绘镑l 到c d 这列顶点，嚣裙邻数块n ，至多是扶a b 熨联点嚣始绘铡，这样裁造戏了c d 与a b列之间的条带状裂缝。只有块m 和块n 都绘制a b 这列顶点，才能保证缳后得到的场景仍然是究整的。因而，为了避免边界采样点删除造成的裂缝现魏，必须对采样策略加以限定：无论采带什么样的采样兢刚，边界点必须傈鼙。这样帮使逮眷点不满懋采群烧弱，潜稃可潋强籀保酝秀采样熹。遥过这个羧定可以确保边爨不被丢失或教变，实现块与块之阅的严密接合，保证整个场景的完整性。翻2 , 2 。3 3 捐邻块边毋示意豳蝌1 4 f州+ 论文人范嘲复杂场景的简化j 漫游技术研究2 2 。4 d e m 的均 壹l o d 篱他上面2 2 3 节提蹈的囊于稀疏采样策略的l o d 简仡，由于直接嬲除了一部分数据点，不可避免会遥残一定绥节信息熬丢失。在糖缨度簧求不裹的清况下，这毒中简化方式得到的效果是可以接受的。但慰，这样的删除顶点很可能造成较火的必真，尤其在细节突变较大的场景部分。例如，在地形起伏剧烈的部分，假设相邻的采样点商程值褶差穰大，高校值较大的顶点代表的是商地地形。高程蓬较小静顼点代袭静是洼建。镄落摄攥采耧援则删狳了其孛豹凑程镶大瓣采样点，则保髫的高程值低的采样点就成为这一小部分地形的代表点，这神情况下该部分地形中高地特征就会遗失，只留有潦地特征，失真度较大。因此，在速度和复杂度要求能够满足的前提下，暾该尽量傈持原始的场景特征信息。为了在簇除顶点之前，尽讶能褥矮患所表征静童| 蠢形特征成高菠信懋傈繇一郏分，考惑对秘蘸暴棒遴纾改进，在上鞭豹麓化繁骆基础上，加以改进，又引入了求均值的策略，把被删除顶点所代表的离度特征在采样顶点中部分的保留和反映出来。该算法基予上面的思想，辩场荣的顶点送行稀疏采样，不同的是，生成鲍耨一级l o d 审，傈罄豹采样点豹赢程篷并不是篾肇豹潞羁该熹懿原始离程僮，撕是加入了一个与棚邻顶点有关的因子。z = z f a c t o r + i x ( 1 f a c t o r )0 f a c t o r 1( 2 2 4 1 )其中，z 为简化后保留的顶点的高程值，z 为该顶点的原始高程值，孑为辎邻疆点豹均俊。f a c t o r 为介予0 军嚣l 之润静枚重因子，它决定了疆熹琢殆离程德窥槌邻顶点均值对于最终缛到的凄程僮的影响爨度。f a c t o r 越大，顶点厥始高程值所占的比重就越大。f a c t o r 为0 时，顶点高程值采用的就是相邻顶点的平均简程值，f a c t o r 为1 时，顶点高程值保留为该顶点的原始高程值。一般而言，i 阪f a c t o r 大予1 2 ，鄂顶点高稳值主要取决予其原始高稳值，而相邻顶点的平均离稷馕作为鞴麓毽紊。代表棚邻顶点均值的因子暑的馕可以通过下面公式计算得到：三= 专挚，z 。s ，蚴其中，n 为所取的相邻顶点的个数。对于规则网格来漉，一个顶点最多有8 个年蟊邻颓点，如上节中圈2 2 3 2 掰示。所滋，n 豹最大取僮为8 。爨以上( 2 ，2 。4 。1 ) 秘( 2 。2 。4 。2 ) 嚣公戏季导到，的最终表达式如下：= z f a c t o r + 音：，( 1 一f a c t o r )( 2 2 4 3 )露1 5 簧蝴f 沦直_人范m 艇杂场j ： | e j 赫化i 避游扳术 l l f 究需器说硝秘楚，n 翁敬蕊越大，滔予求均穰顶点越多，嗣。算量裁越大，影响运行速度和效率。因此，考虑到速殿与保真度二者之间的协调，在实行具体麓纯辩，不一定要取黪骞鞠邻顶点豹均毽，鄂n 不爨袋取到8 ，司。以投撂实黪情况和需要，灵活的选择和确定n 的取值。2 2 5 视点视向相关的度羹标准梵各个“块”建立了多l o d 壤鍪l 滗之嚣，在场景绘毒l 对魏霹鞋投撵一定戆皮量标准来调用各个“块”的某一个细节层次。究竟采用一个什么样的准则作为调发蠡疆，蹩必须簧解决豹个霾越。为了达到跟实际观察场景类似的真实效果，这个度量标准应该考虑到视点因素弱影嚷，这样考戆簿合大疆靛实琢鼹察特点，达戮遥真镁。攫显然，人黢对于场景中某一部分的观察效果，主隳取决于观察点和目标点之间的距离，躐褒基挺轰越逶，残察翻静效暴越细致，距褒越运劐越糖糙。其次，鼹察效果逐受到视线方向的影响，与视点和目标点连线必角越小的区域，观察越清楚，而溜边嚣域剽掇慰糖糙。于是，考虑采躅一个魁含援点视囱耀关嚣子毂表达式d作为度量标准，以决定各块所应调用的细节鼷次。絮嚣2 2 ，5 。l 瑟示，莰坐标系蒙焱爻o ( 0 ，0 ，o ) ，筏点为v ( x 。，j y ，z 。，) ，门标点坐标为p ( x ，y ，2 ，) ，则视点与目标点之间的距离可用d 表示如下：d = i v p p ( x p x v i e w ) 2 + ( y p y m ) 2 十( 2 p z v l e w ) 2( 2 2 5 1 )图2 2 5 1 视点模型嘲2 2 5 2 榄点空间移动方向映射图如图2 2 5 2 所示，褫点程兰维空闯有1 4 罩孛胃能静移魏方淘：上、下、纛、朽、前、后( 幽图中箭头标示) ，或分别指向区域i ，i i ，v i i i 。可以把除上、t之外黥1 2 荦孛方向映辩n - - 维平面的八个方两：上、下、左、右、左上、左下、第1 6 数艘| ：论文人范l 蔻复杂场嚣的赫他1o 漫辫投术稚究z i 上和右”f 。在22 3 节中，解释了在难赢方向的变化对于观察糟的影响是可以忽略的，并且，出于分块与l o d 简化熄在二维平喇上进行的，视点上、下移动时对瘦豹爨示送不交，瑟以当瓷点上、下垂壹移动嚣重仍然狭射到警蔻霞垂。这样，又建立了视点在三维空闻的移动方向到二维空间的对应关系。所以在数据调度时，必需在二维平灏中考虑，显示时再逆映射到三维空间。这样，将度擞标准从三缎空间简化到二维平面，大大降低计算复杂度，实验结栗也证明了其合瑾往。出公式2 2 5 1 褥到豹二维乎谣d 的表这式如下：r ：”d = ( x p x 。) 2 + ( y p y v i 。w ) 2( 2 2 5 2 )l3 r- 。bh 。p 2一眇x蓬2 2 。5 。3 援线夹角豹影稠在实际的视觉效果中，模型的详细程度不仅与视点位置有关，跟视线方向也有关系。如图2 2 5 3 所示，设v p 岛v o 的夹角为口( v 为观察点，p 为场最；菜点，0 蔻坐标系孛一心点) ，缀显然，在v p 长发定载壤瑷下，毋越枣熬患视觉效果越敏感，因而，p l 处的细节程度应该高子p 2 和p 3 。于是，除了考虑视点因素之外，对于d 表达式加入一个视线方向相关的因子f a c o t r ，得到如下表达式：