（信息与通信工程专业论文）基于全球范围dem地形和目标模型的数据组织与快速显示.pdf

国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 摘要 三维地形可视化是虚拟战场环境、地理信息系统 ( g i s ) 、数字摄影测量 ( d p )和 遥感系统( r s ) 的重要研究内容， 它是一门以 研究数字地形模型( d i g i t a l t e r r a i n m o d e l , d t m)或数字高程域的简化、显示、仿真等为内 容的学科，属于计算机图形学的一个 分支。 但现有理论和方法主要是对单块地形数据的可视化处理， 难以实现对大数据集地 形的可视化。 大规模地形的可视化及实时显示是众多学科领域共同面临的难题， 是虚拟 战场环境的重要技术之一。 本文主要对全球 d e m地形的数据组织和快速显示进行了研究。 为了能够实现全球 范围内的d e m地形实时漫游，本文首先分析了d e m数据组织的基本特点，通过四叉 树结构来建立全球范围d e m地形的多分辨率地形模型并结合视点相关的可见性判断算 法和动态调度策略在消除不同分辨率地形拼接时形成的裂缝的基础上实现了全球范围 内的实时漫游。最后由于在虚拟战场环境中要叠加各种建筑物及武器装备等，对这些 地物目 标的建模与显示， 本文也进行了部分研究。全文所做工作如下: ( 1 ) 对全球d e m地形进行分块操作，首先将地球分成东西半球两结点， 然后对每个 结点一分为四。每个结点表示一个d e m数据分块，根据如此剖分，由这棵四叉 树结构就得到全球范围不同分辨率的d e m数据存储结构。采用这种树结构与以 往结构相比具有如下优点:( a ) 满足显示的实际需要，不同的视距， 可见范围与 可见精度都是不同的， 采用不同分辨率的组织形式， 可以提高显示速度。 ( b ) 扩 充性好，可以随时增加分辨率高的d e m数据而不会影响树的结构。 ( z ) 为了 提高图形显示速度， 采用视点相关的可见性判断算法， 在不会影响视觉效果 前提下， 根据浏览者当前的视野范围来选取合适的地形表示， 可以对不同区域的 地形显示采取不同的细节层次， 即距离视点近的或变化曲率大的区域采用较高的 细节层次，而离视点较远的区域采用较低的细节层次。 ( 3 ) 在基于四叉树的简化算法中， 由于采用不同细节层次模型， 当地形的两个邻近的 区块具有不同的细节层次时， 具有较高细节的地块具有更多的结点， 比细节少的 地块具有更多的高程信息， 当两者共享边界时， 就会出现裂缝。 本文通过调整结 点的连接关系，消除了拼接时可能出现的缝隙，实现了无缝漫游。 ( 4 ) 采用动态缓存调度策略，当视点改变时对缓存区的数据只做部分更新或不更新， 一方面将移出可视区的数据予以删除， 添加进入可视区的数据到缓存中， 另一方 面考虑可视区内数据块由于分辨率变化也要更新数据。 ( 5 ) 在图形显示方面通过添加纹理和利用光照等增强战场环境的自 然性和真实感。 ( 6 ) 对于地物目 标建立多细节层次模型， 根据视距的不同选择不同细节的模型进行显 不 。 本文的研究内容是国家 8 6 3 项目 “ 基于天基综合信息的虚拟战场环境技术”的 一 部 ， 通过高效地组织地形数据， 在虚拟战场环境下实现了基于全球的无缝漫游和实时显 分示 关键字:虚拟战场环境;d e m ;四叉树结构;实时显示;模型化简 i 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 a b s t r a c t t h e v i s u a l i z a t i o n r e s e a r c h o f 3 d t e r r a i n i s a n i m p o rt a n t p a rt o f v i rt u a l b a t t l e f i e l d e n v i r o n m e n t , g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) , d i g i t a l p h o t o g r a p h i n g ( d p ) a n d r e m o t e s e n s i n g s y s t e m ( r s ) . i t i s a s u b j e c t m a i n l y r e s e a r c h o n d i g i t a l t e r r a i n mo d e l ( d t m) o r t h e s i m p l if i c a t i o n , d i s p l a y a n d s i m u l a t i o n o f d i g it a l e l e v a t i o n t e r r a i n ,i t i s a s u b j e c t o f c o m p u t e r g r a p h i c s . b u t t h e c u r r e n t t h e o ry a n d m e t h o d m a i n l y p r o c e s s t h e v i s u a l i z a t i o n o f s i n g l e b l o c k , i t i s h a r d t o r e a l i z e t h e v i s u a l i z a t i o n o f l a r g e s c a l e d a t a . t h e r e a l - t i m e d i s p l a y o f l a r g e s c a l e d a t a t e r r a i n i s t h e h a r d w o r k o f m a n y s c i e n t i f i c f i e l d s , a n d i s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e v i r t u a l b a t t l e f i e l d e n v i r o n me n t . i n t h i s p a p e r , d a t a o r g a n i z a t i o n a n d f a s t d i s p l a y o f g l o b a l d e m t e r r a i n a r e d i s c u s s e d . t o r e a l i z e r e a l - t i m e w a l k - t h r o u g h o f g l o b a l d e m t e r r a i n , i t f i r s t l y a n a l y z e s t h e b a s i c c h a r a c t e r o f d e m d a t a o r g a n i z a t i o n , b y b u i l d i n g g l o b a l d e m t e r r a i n m u lt i r e s o l u t i o n m o d e l w it h q u a d - t r e e d a t a s t r u c t u r e， v i e w p o rt r e la t e d v i s i b i l i t y j u d g m e n t a n d d y n a m i c s c h e d u l i n g s t r a t e g y r e a l i z e s g l o b a l d a t a s e a m l e s s w a l k - t h r o u g h b a s e d o n e l i m i n a t in g f r a c t i o n t h e c a u s e d b y d i ff e r e n t r e s o l u t i o n t e r r a in p u tt i n g t o g e t h e r . l a s t , b e c a u s e a l l k i n d s o f b u i l d i n g a n d a r m e q u i p m e n t a r e n e e d e d i n v ir t u a l b a tt l e f i e l d e n v ir o n m e n t , t h e g r o u n d o b j e c t m o d e l i n g a n d d i s p l a y a r e p a r t i a l l y d i s c u s s e d i n t h e e n d . a l l t h e r e s e a r c h w o r k i s l i s t b e l o w : ( i ) b l o c k i n g g lo b a l d e m t e r r a i n , f i r s t s e p a r a t e s e a rt h i n t o e as t a n d w e s t h e m i s p h e r e , t h e n s e p a r a t e s e v e r y n o d e i n t o f o u r n o d e s . e a c h n o d e r e p r e s e n t s o n e d e m d a t a b l o c k . a c c o r d i n g t h i s s e p a r a t i o n , b y q u a d - t r e e d a t a s t r u c t u r e c a n g e t g l o b a l d i ff e r e n t r e s o l u t i o n d e m d a t a s t o r a g e a r c h i t e c t u r e . t h i s t r e e s t r u c t u re h a s m e r it s l i s t e d b e l o w c o m p a r e d w it h o t h e r s : ( a ) s a t i s f i e s t h e n e e d o f d i s p l a y , i f t h e v i e w d i s t a n c e i s d i ff e r e n t , t h e v i s i b l e a r e a a n d v i s i b i l i t y p r e c i s i o n i s d i ff e r e n t . d i ff e r e n t r e s o l u t i o n o r g a n iz a t i o n c a n i m p r o v e d i s p l a y r a t e . ( b ) e x t e n s i o n i s e a s y . h i g h r e s o l u t i o n d e m d a t a c a n a d d a t a n y m o m e n t w i t h o u t e ff e c t i n g t r e e s t r u c t u r e ( 2 ) i n o r d e r t o i m p r o v e g r a p h i c d i s p la y r a t e , v i e w p o rt r e l a t e d v i s i b i l i t y j u d g m e n t a l g o r i t h m i s i n t r o d u c e d . i f v i s u a l e ff e c t c a n n o t b e a ff e c t e d , c a n c h o o s e a p p r o p r i a t e d a t a r e p r e s e n t a t i o n a c c o r d i n g t o c u r r e n t v i s i o n f i e l d o f o p e r a t o r . c a n c h o o s e d i ff e r e n t d e t a i l la y e r a c c o r d i n g t o d i ff e r e n t t e r r a i n t h a t i s t h e n e a r a n d c h a n g e d g r e a t l y a r e a c a n u s e h i g h d e t a i l l a y e r a n d f a r a r e a u s e l o w d e t a i l l a y e r . ( 3 ) i n t h e s i m p l i f i c a t i o n a l g o r it h m b a s e d q u a d - t r e e s t r u c t u r e , b e c a u s e o f u s i n g d i ff e r e n t d e t a i l m o d e l , i f t w o n e i g h b o r i n g a r e a h a v e d i ff e r e n t d e t a i l , t h e h i g h d e t a i l b l o c k h a v e m o r e n o d e s a n d m o r e e l e v a t i o n i n f o r m a t i o n t h a n t h e a n o t h e r b l o c k . t h e f i s s u r e w i l l o c c u r i f t h e y s h a r e t h e s a m e b o u n d a ry . b y m o d i f y i n g t h e c o n n e c t i o n o f b o u n d a r y n o d e , e l i m i n a t i n g t h e f i s s u r e t h a t p r o b a b l y o c c u r , r e a l i z e s t h e s e a m l e s s w a l k - t h r o u g h . ( 4 ) u s i n g d y n a m i c s c h e d u l i n g s t r a t e g y . t h e d a t e s in b u ff e r a r e p a rt l y c h a n g e d o r c h a n g e d n o n e w h e n v i e w p o rt i s c h a n g e d . a t o n e r e s p e c t d e l e t e s d a t a t h a t m o v e d o u t o f v i s ib l e a r e a a n d a d d s d a t a t h a t m o v e d in , a t t h e o t h e r r e s p e c t v i s ib l e a r e a d a t a a l s o n e e d t o b e u p d a t e d b e c a u s e o f t h e c h a n g i n g r e s o l u t i o n . ( 5 ) a t t h e r e s p e c t s o f g r a p h i c s d i s p l a y , n a t u r a ln e s s a n d s e n s e o f r e a l i t y o f b a t t l e f ie l d， e n v i r o n m e n t i s e n h a n c e d b y a d d i n g t e x t u r e a n d l i g h t i n g . 1 1 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 ( 6 ) b u i l d i n g m u lt i - d e t a i l l e v e l m o d e l f o r g r o u n d o b j e c t , c h o o s e d i ff e r e n t d e t a i l m o d e l t o d i s p l a y a c c o r d i n g t o d i ff e r e n t v i e w d i s t a n c e t h e c o n t e n t o f t h i s t h e s i s i s t e c h n i q u e s o f v i r t u a l b a tt l e f i e l d a p a r t o fn e n v i r o n me n t o fn a t i o n a l b a s e d 8 6 3 p r o j e c t n a m e d r e s e a r c h o n o n s p a c e - b ase d c o m p r e h e n s i v e i n f o r m a t i o n . i t r e a l i z e s t h e s e a m l e s s w a l k - t h r o u g h a n d r e a l - t i m e d i s p l a y o f g l o b a l d a t a i n t h e v i rt u a l b a t t l e f i e l d e n v i r o n m e n t b y e f fi c i e n t ly b u i l d t e r r a i n d a t a . k e y wo r d s : v irt u a l b a t t l e fi e l d e n v i r o n m e n t ; d e m; q u a d - t r e e d a t a s t r u c t u r e ; r e a l - t i m e d i s p l a y ; m o d e l s i m p l i f i c a t i o n t o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了又中特别加以 标汪和致谢的地万外， 论又中不 包含 其 他人已 经发表和撰写过的研究成果. 也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的仃 何贡献均已 在论文中作了明 确的说明并表示谢f毫 学 位 论 文 题 目 : 差 子 全 弓 学 位 论 文 作 者 签 名杠 浅圈 d e m 观 t oo # w m 条 *l a5 阎 匡 fi 日期年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了 解国防科学技术大学有关保留、 使用学位论文的规定.， 本人授椒 国防科学技术大学可以 保留并向国家有关部门或机构送交论又的复印件和中子 又 档， 允许论文被查阅和借阅;可以将学位沦文的全部或部分内 容编入有关数据 军进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论义 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文题目: 生 球 尧 围 d e pn 比 形 伞 目 林 模 型 取 教 谁 组 银 与 帷显 仄 学位论文作者签名: 作者指导教师签名: 触伟 军 卒 江一 日 期:年月日 日 期 : , w 3 年 “ 月 i产 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 图表目录 l2l3l4l920212222232323242426262728303l3l犯3333353940424344 d e m数据块的存储格式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 全球d e m数据一三层四叉树组织形式. ， .， ， ， ， 二 ， ， . . ，. . 块和像元在层中的编号 . . . . . 二 二 ， 二， ， 二 . 视景体计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 二 . .1，11 :呻. ，白内马弓d 数据块凸包投影与可视区的可见性判断. ，. . . . . . . 裂缝的形成 . . . . . . 卜 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 四叉树分割示意图， ， . ， ， ， ， ， ， . ， ， ， ， ， 二 消除左右结点间拼接缝 二 . . . . . . 相邻数据块分辨率相同的无缝拼接 左边数据块分辨率小于右边的数据块 左边数据块分辨率大于右边的数据块 消除裂缝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 勺j4ll曰产b，了0八n叼 .-.， ，、内j，j，、内、气j气j气、 3 . 1 0局部数据示意图 3 . 1 1可视区内d e m 的多分辨率表示 3 . 1 2规则格网的三角剖分 三角形法向量 二 一点透视投影图 光照效果对比图 未张贴纹理的地形图. . . . . . . 张贴纹理以后的地形图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . 用颜色影射高程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d e m漫游时各部分时间开销 ( 5 2 帧图形总时间) 31331431531631731831 3 . 1 9 d e m漫游示意图 顶点聚类. ，. ， ，. . . . . . . . 三维目 标物显示示意图 管理绘图描述表函数 模型显示流程图 . 某民用飞机场场景 添加一架 s u 2 7飞机模型的场景图 11，j月qll一 ，.1 4444 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图表图图图表图图图 一一- i i i 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 第一章绪论 互 1 . 1课题背景 1 . 1 . 1 课题研究的目 标 近十几年来， 随着科学技术的发展， 特别是计算机网络技术和虚拟现实技术的发展 及应用， 使得军事演习在概念和方法上有了一个新的飞跃，即通过建立虚拟战场( 即作 战 仿真系统) 来训练军事人员，同 时通过虚拟战 场来检验、 评估武器系统的 性能 和作战 方案的 优劣m 。 虚拟战场的提出 和应用推动了军事仿真演练的发展，为 推动军事仿真训 练和演练技术的发展提供了新的途径，带来了希望。 虚拟战场是利用虚拟现实技术生成虚拟作战自 然环境，并在保证其一致性的基础 上，通过计算机网络，将分布在不同地域的虚拟武器仿真平台联入该自 然环境中， 进行 战 略、 战 役、 战 术等 想定 演 练的 分 布式 交 互仿 真 应 用环 境 m 。 由 于 虚 拟战 场 环境 建 立 在 数字地图的基础上， 在大区域虚拟战场环境研究中， 需要大规模的数据源作为实验数据， 所以对这些数据的产生、存储、查询、分发、输出等管理必须进行统一规划设计。这些 数据中地形数据是最基础的数据， 故三维地形数据模型和可视化是虚拟战场环境中最核 心和最关键的 技术之一。 目 前， 这方面的 研究己 经成为数字地球、 地理信息系统( g i s ) , 数字摄影测量、虚拟现实 ( v r )等领域的核心内容。本论文的研究目 标就是通过高效 地组织地形数据， 保证在虚拟战场环境下实现基于全球的无缝漫游和场景的高度真实感 显示，同时关于战场环境中的各种坦克、 装甲车， 导弹舰艇以 及建筑物等对这些地物目 标的建模化简与显示本文也进行了部分研究。 1 . 1 . 2 课题研究的意义 地形可视化是一门以 研究数字地形模型( d i g i t a l t e r r a i n m o d e l . d t m ) 或数字高程 域 (d i g i t a l h e i g h t f i e l d )的显示、简化、仿真等内 容的学科，它是运用数字地形 模型 ( d t m )数据建立三维地形， 以数字正射影像图作为地面纹理， 生成地形三维景观和 实现三维漫游显示y ) 。 它属于计算机图 形学的一个分支，除了 计算机图形学外， 计算儿 何也是它重要的基础知识。 其应用涉及地理信息系统、虚拟现实、战场环境仿真、娱乐 与 游戏、 地形的穿 越飞 行、 土地管理与 利用、 气象数 据的 可 视化等 领域7 ， 历经了 三维 地形图、实体型 ( 模拟灰度型)三维地形图、高度真实感三维地形图三个发展阶段。 在计算机图形学的发展初期，由 于计算机处理速度、 存贮空间、 颜色数和显示器分 辨率的限制， 人们只能绘制以线划符号表示的三维图形。 该类图形内容单调、 信以 贫乏、 真实感差。 6 0 年代末， 人们通过引用光照模型， 绘制具有表面明暗灰度连续变化的消隐 图。 该类图形有较强的立体效果， 有一定的真实感， 但信息量仍不足， 实用性也不够强。 第 1页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 近年来， 随着计算机显示设备性能的改进，以及许多性能极强的图形工作站的出 现，高 度真实感图形的生成算法不断涌现和完善， 使三维图形绘制已 进入了高度真实感立体图 绘制的发展时期。 各门相关科学技术的飞速发展，大大促进了地形三维可视化技术的更 新， 为三维地形可视化及其实时绘制技术的实现提供了条件， 也对三维地形可视化及其 实时绘制提出了更高的要求。 地形三维可视化是g i s 的核心内容，g i s 是一种用以采集、储存、管理、分析和描 述整个或部分地球表面 ( 包括大气层)与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。 g i s 的核心是空间数据库，三维地理空间定位和数字表达是地理信息系统的本质特征。 地形数据 ( 如数字高程模型d e m等)作为空间数据库的某个特定结构的数据集合或数 据集合的总体， 被包含在地理信息系统中， 成为它的核心实体。 地形的三维显示技术。 如地形三维模型的制作等， 最直接、最重要的莫过于军事上 的应用。从美军5 0 年代的s a g e防空指挥系统， 著名的c 3 i 系统，到在海湾战争中 起 了 重要作用的t e rr a - b as e 系统， 不难看出，以地形三维显示以 及军事地形分析在指挥自 动化上的应用， 一直是各国军方倾心研究的重要内容， 其军事上的应用价值是不言 而喻 的。 1 . 1 . 3 课题研究的必要性 近年来， 随着计算机视觉、 科学计算可视化、 遥感技术、 计算机图形学等相关学科的 发展， 由 航空航天摄影测量获取的地形数据生成具有高 度细节层次的三维地形模型己 经 十分普遍。 这些由上百万或更多三角形面片表示的各种地形模型， 满足了人们对地形真 实性所提出的越来越高的要求，同时对计算机的性能也提出了新的挑战。伴随着数字地 球计划和大规模地形环境仿真计划的提出， 如何实现大规模地形环境的可视化已 经成为 地形可视化领域的一个瓶颈问题。 虚拟战场环境中为了逼真表示三维地形， 往往需要成千上万个三角形， 这对计算机 的容量和处理速度提出了很高的要求， 尤其是在实时三维显示中。 所谓实时显示， 是指 当用户的视点变化时， 图形显示速度必须跟上视点的改变速度， 否则就会产生迟滞现象， 要消除迟滞现象， 计算机每秒钟必须生成1 0 帧到2 0 帧图 像，当场景很简单时， 例如仅 有几百个多边形，要实现实时显示并不困难， 但是大场景地形的数据量极其庞大， 甚至 可以说是无限的， 又要达到一个较好的可视化效果， 就需对建模和实时显示提出较高的 要求。图形硬件的性能对实时显示无疑起着关键作用， 但同时应该看到， 无限的数据量 和有限的硬件水平所能接受的数据量间经常会产生矛盾，有时甚至是几个数量级的差 别， 这就需要通过简化模型的结构和优化显示的算法来达到大数据量处理和高质量实时 显示效果间的平衡。 现有的理论和方法很多是对单块地形数据的可视化处理，实用且适合大范围三维地 形的可视化及其实时显示的算法还不多，多分辨层次细节 l o d简化技术是目前提高虚 拟场景实时性最有力的方法， 也是研究的主流。由于树的数据结构具有规范搜索快的优 点又能适合随着视点的变化而进行连续动态的三维地形的实时显示， 所以 成为三维地形 可视化及其实时显示中优先考虑的方法。 虽然三维地形的范围很大但在视区范围内的三 第 2页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 维地形是有限的， 因此基于视相关的算法是大范围三维地形可视化及其实时显示的重要 内容。本文即是在上述理论的指导下通过四叉树结构有效组织全球范围d e m数据，实 现了大规模场景和地物目 标模型的高度真实感显示。 1 . 2文献综述 1 . 2 . 1 相关专题研究领域 由于地形可视化有着广阔的应用背景， 所以受到了广泛的关注。国内外学者在地形 可视化方面的研究主要集中在以 下4 个专题领域: 一、数字地形建模; 二、 地形模型的简化; 三、 地形的多分辨率模型; 四、 地形的真实感显示。【们 地形建模的基本问题是如何根据给定的地形数据 ( 如等高线数据、 d e m 数据等) ， 有 效地建立逼真表示地形表面的曲面模型。关于地形建模的研究从 6 0年代延续至今，主 要围 绕两个方面展开: 一是如何提高建模的 速度; 二是如何改 进模型的精度。 集中在研 究不同 类型的地形模型之间的相互转换， 如由等高线生成规则网格地形模型，由规则网 格地形模型生成不规则三角网地形模型等。在基于等高线数据生成规则格网模型时， 建 模的速度除了与插值算法有关外， 在很大程度上取决于如何快速找到所需要的格网点周 围等高线上的点， 这在进行大范围基于等高线数据的规则格网建模中显得十分重要。不 同的插值算法对于地形模型的精度影响是比 较明显的， 插值函数自 身的性质决定了一定 的插值效果。 但是只用插值方法来提高原始数据所带来的信息量和改善生成的地形模型 的逼真度， 其能力是有限的。改善原始数据质量是提高d e m建模精度的有效方法，原始 数据中采样点的密度直接影响d e m的精度， 可以在原始数据中加入高程点、 控制点数据， 还可以通过采集或由已有数据得到地形表面的特征数据( 地形单点、构造线、边界线、 断裂线等) ， 并将这些特征数据加入到原 始数据中 参与建模， 取得良 好的效果【 1 。 地形的简化是地形可视化中重要的内容。从目 前的文献来看， 关于从格网地形到格 网地形简化的讨论比 较少， 而地形的简化通常是指从格网地形到三角网地形或从三角网 地形到三角网 地形的 简化。 分为两类方法: 一类是由 粗到细逐步求精( r e f i n e m e n t ) ， 或叫 精细法， 另一类是由细到粗的简化( d e c i m a t i o n ) ， 或叫删繁法。 ( 1 ) 由粗到细的逐步求 精。 该方法的工作过程通常是一个递归的过程， 即先用一组比较少的点去拟合格网地形 然后根据精度和数据量的要求， 再插入更多的点去拟合地形。最典型的方法是一种称为 贪婪插入( g r e e d y i n s e r t i o n ) 的方法。贪婪法又分为串行贪婪法和并行贪婪法， 每次只 插入一个点到已有的三角网中的方法叫串行法， 一次插入多个点到已有的三角网的方法 叫并行法。 ( 2 ) 由细到粗的简化。与逐步求精法相比 ， 这类方法是先由格网地形数据生 成比较多、细的三角形网， 再在这个基础上进行三角形网的简化。在精度上比由粗到细 第 3页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 的要高但内 存开销较大s 7 地形的真实性是地形可视化的重要组成部分， 随着计算机硬件和软件水平的不断提 高， 人们对地形的真实感要求也越来越高。 除了利用光照技术使地形有明暗效果外， 通常 为了提高地形的真实感， 还可以添加图像纹理( 如叠加卫星照片、彩色地形图等) 、分形 纹理( 利用分形产生植被和水系等) 和叠加地表地物( 道路、河流、建筑物等) 。 在虚拟 战场中，参与者可以看到在地面上行进的坦克和装甲车， 在空中飞行的直升机、 歼击机 和导弹， 在水面上和水下游弋的舰艇; 可以 看到坦克和装甲 车行进时后面扬起的尘土和 被击中坦克的燃烧浓烟; 可以听到飞机或坦克的隆隆声由远而近， 并根据声音辨别目 标 的来向和速度:参与者可以瞄准、 射击上述目 标，也可以驾驶坦克、飞机等武器平台仿 真器。 地形多分辨率模型( le v e l o f d e t a i l , l o d ) 是虚拟现实应用中经常采用的技术， 是地 形实时绘制系统中的核心组成部分， 具有非常重要的作用， 而且模型的好坏直接影响系 统功能的实现。 它的思想是在不同的层次、 不同的视觉条件下， 采用不同精细程度的模型 来表示同一个对象， 以提高场景的显示速度2 1 。目 前的研究主要集中在视点相关 ( v i e w - d e p e n d e n t )的多分辨率地形简化技术， 它不再把地形看成一个整体进行简化， 而是针对视点的位置，对地形的局部进行简化。 根据视点距地形的距离和观察的角度来 确定模型的精细程度， 随着距离的由 远到近， 地面模型的精细程度也由 粗到细。 尤其是在 战场环境中， 地景一般场面宏大， 只有那些距离视点近的或变化较大的区域才需要较高 的细节层次，以保证一定的形状精度与真实感。 但对大区域地形场景来说，由于受到图 形设备的限制， 不可能一次就将全部地形数据都交给图形设备进行绘制，即使采用多细 节层次方法也是如此。因此，对于一个适用于大区域地形可视化系统来说，除了需考虑 作为其核心结构的视点相关多分辨率模型外， 还应包括对庞大地形数据和纹理数据的分 块管理、地形和纹理数据的快速存取和更新等技术。 1 . 2 . 2 国内外研究现状 可视化地形显示中所用的数据来源有两类，一类是通过计算机用一定的算法产生的 地形， 例如分数维( f r a c t a l ) 法， 用这种方法生成的地形主要应用于游戏制作、军事仿真模 拟中;另一类数据来源就是真实的数字化的地形数据，例如数字高程模型( d i g it a l e l e v a t i o n m o d e l d e m ) 数据， 它们通过遥感和数字 摄影测量等技术获得6 1 数字地形模型 ( d t m ) 被定义为描述地面属性空间分布的有序数据阵列。数字高程 模型 ( d e m ) 是d t m 最重要的 基础模型， 它被定义为描述高程空间分布的有序数字阵列。 自 从 1 9 5 8 年由美国麻省理工学院的m i l e r c l 及其同事首次提出 “ 数字地形模型” 概念以来，其理论和算法都己进行了很深入的研究，并得到广泛应用，己成为测绘、地 质、地球物理、土木工程和城市规划等专业的标准产品和重要基础数据之一。 d e m由通过离散点上抽样获取的高程数据组成，构建d e m 的方法主要有3 种:( 1 ) 基于不规则三角网 ( t i n )的d e m 常常通过地面特定点的抽样，形成以 ( x , y , z )为坐标 的不规则点网， 其网格是由3 个相邻点构成的不规则多边形: ( 2 ) 基于规则栅格网的d e m 与所研究区域的尺度密切相关， 其网格是由3 个或4 个相邻点构成的正三角形或1 l一 方形; 第 a页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 ( 3 )基于等高线网的 d e m由数字化等高线组成， 其格网是由 相邻等高线围成的不规则 多边形。目 前，在地理信息系统中应用较广泛的d e m 是基于规则格网的d e m 和基于t i n 的d e m 1 o t i n 的优点是数据冗余小， 能够保持模型的拓扑特性， 生成的三角形数量也比 较少， 较好地顾及了地形特征，能够充分反映地形细节复杂程度等，但它的局限性是生 成速度慢，难以优化，预处理的计算量比较大，算法实现比较复杂和困难，空间操纵及 存储不便; 与t i n 结构相比， 规则格网结构数据虽然有冗余， 但结构简单的多， 算法也 比较简单，空间操纵及存储方便，易于裁减和各种优化以 及多分辨率无缝拼接。 早期的地形多分辨率表示算法都是以t i n 结构为基础的，c i g n o n i 等人提出了用层 次结 构的t i n 表示多 分辨率。 e m 18 1 ， 由 于生 成t i n 需 要大 量的 运算， 因 此一般不用于实时 交互。 l i n d s t r o m 等提出 基于四叉树结构的t i n 的实时l o d 动态生成方法19 1 ， 其基础是在 可视化之前对d e m 数据用四叉树结构进行管理， 但当d e m 数据块较大时， 用于管理d e m 的 四叉树本身己占 用了较大内 存，同时尽管该方法在绘制前己 精简了大量数据， 但为了保 证每个细节有足够高的表达精度， 其总的数据量仍然较大， 且实时精简算法对绘制速度 有较大的影响， 因此难以处理大数据集d e m 的实时漫游。 h o p p e 提出了基于视点简化的 l o d 动态生成算法0 0 1 ， 但其工作同 样难以处理跨区域d e m 的实时漫游。 国内也有许多学 者对基于t i n 的d e m 简化算法进行了 研究: 王璐锦等提出了 基于分形维数的多分辨率简 化算法 ，” ; 孙红梅等针对大型场景的实时绘制， 提出了 一种分布式并行绘制模型( 14 1 ;黄 野等提出 了以 三角 形法向 量作为 简 化因 子构 造多 分辨 率的 简 化模型 171 。 由 于 这些工作的 基础是基于视点对三角网进行实时简化计算， 数据以层次结构进行组织， 因此同样存在 着难以处理大数据集的问题。 总之， 基于t i n 模型的d e m 简化算法， 预处理与可视化的实 时计算量大， 对计算机硬件平台 要求较高， 适用于高 性能图 形工作站环境 川 。 与t i n 相比， 规则网 格的简化算法就显得简单的多。 1 9 9 6 年l i n d s t r o m 等19 1 首先提 出一种基于规整网格的连续细节层次实时高度场绘制算法。 该算法使用三角形进行自 顶 向下二叉分割细分， 采用屏幕误差判定条件， 并提出了具体计算公式。生成每一帧时， 首 先对每一块计算需要细分的误差范围， 以确定该块的初始分辨率并进行视见体裁剪;然 后 逐 步 加 入 那 些 高 度 差 值 大 于 给 定 值的 顶 点 5 1 a 1 9 9 7 年 ，,d u c h a in e a u y 等 【15 1提出 实 时 优 化 适应性网 格( r e a l - t i m e o p t im a l a d a p t i v e m e s h e s , r o a m ) 算法 ， 该算 法主要基于三角形二 叉剖分进行实时简化， 采用一个自 底向 上的 算法使用合并三角形队列和分裂三角形队列 来对网格进行增量式简化和细分， 可以 很好地利用帧和帧之间的 连贯性， 通过对权值( 误 差值) 进行自 底向上的预处理保证了 它们的单调性， 对误差有了 绝对严格的控制。k o l f e r 提出了 基于固定l o 。 与r 树结构的方法【 li t ， 该方法使用r 树结构组织d e m 数据， 与四叉树 结构相比， 则显得不够灵活， 同时固定的l o d 对格网数据量的简化有限， 影响了实时可视 化的速度。王宏武等提出了 一种与视点相关的 基于四叉树结构的方法叫， 利用四叉树对 归一化格网数据进行预处理， 在预处理阶段，四叉树结点用下一层结点的最小拟合误差 表示， 在实时绘制阶段， 根据误差阐值对树进行自 上而下的遍历， 能对参与绘制的三角 形 数目 进 行精 确 控 制。 概 括来 说 ， 基于 规则 格网 方 法的 算 法 简 单， 可 视 化实时 计算 量小 ， 对计算机硬件平台要求较低， 适用于普通微机 闲 。由 于虚拟战场环境中数据量庞大，本 文采用规则网格表示d e m 数据， 基于全球四叉树的结构结合视点相关的可见性判断算法 第 5页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 实现无缝漫游。 对于场景中的目标模型的化简、 层次建模与显示， 在第四章有相关叙述。 1 . 3课题主要研究内容 论文针对当前地形可视化的研究现状， 结合正在发展中的三维计算机图形学、 计算 几何、 科学计算可视化等理论和技术， 对全球 d e m数据的四叉树结构、 全球范围d e m 的实时显示和地物目 标的层次建模与显示进行了深入系统的研究。 全文的主要工作可概 括为: ( 1 ) 建立了全球d e m地形四叉树的多分辨率模型，这种