（应用数学专业论文）交互的三维城市场景表达式绘制.pdf

浙江大学顾上学位论文 摘要 摘要 大规模三维城市场景绘制一直是计算机图形学的热点问题。特别是近年来，随 着互联网的蓬勃发展，各种各样的网络地图应用越来越广泛。人们试图以各种形式 来展现城市场景，其目的都是为了用户可以更快捷，更有效的查找地图信息。本文 提出了一种表意式的绘制方法，用多种绘制风格融合的方式来展示大规模三维城市 场景，有效地减轻了地图绘制上的视觉混乱现象，提高了地图的浏览效率。 现有的工作中，虽然已经提出了很多方法来绘制三维的城市场景，但是绝大多 数方法都是用单一的风格来绘制整个场景。这使得在大规模的城市环境中，用户无 法准确地定位到重点关注的信息。本文提出的交互表一式绘制方法选择性地突出场 景中用户感兴趣的信息，减弱无关信息，从而得到对城市场景更为清晰有效的描述。 我们基于已有的真实感绘制，非真实感绘制以及线绘制的方式，根据表意的需要对 各种绘制方法混合，克服了单一绘制方法所带来的环境信息过剩问题。在运行的时 候，用户可以通过多种交互方式，来选取自己感兴趣的位置。系统自动计算出区域 的重要性，并根据各个位置重要性来显示场景。基于g p u 的系统实现允许用户在场 景电实时浏览，交互改变场景的绘制方式，快速的发掘有用的信息。用户体验表朔， 本文的系统确实可以帮助人们更好的搜索信息。 关键词：城市场景表意性绘制多风格融合 浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h er e n d e r i n go f 3 dc i t ym o d e li sa l w a y sb e i n gah o t s p o ti s s u eo f c o m p u t e rg r a p h i c s e s p e c i a l l ya st h ed e v e l o p i n go fi n t e m e ti nr e c e n ty e a r s ，v a r i o u sk i n d so fw e bm a ps e r v i c e s b e c o m em o r ea n dm o r eu s e di nd a i l yl i v e s a l t h o u g ht h e r ea r eal o to fa p p r o a c h e s ，t h eo n e a n do n l yp u r p o s eo fa l lt h e s es y s t e m si sh e l p i n gt h eu s e r ss e a r c h i n gi nt h em a p sm o r ee f - f e c t i v e l y i nt h i sp a p e r , an o v e le x p r e s s i v er e n d e r i n gm e t h o di si n t r o d u c e df o rt h eb l e n d i n g o fs e v e r a ld i f f e r e n tr e n d e r i n gs t y l e st ol a yo u tt h eu s e f u li n f o r m a t i o ni nt h ec i t ys c e n e o u r m e t h o dr e d u c e st h ev i s u a lc l u t t e ro ft h ec o m p l e xs c e n ea n di n c r e a s e st h eb r o w s i n gs p e e d w h i l em a n ya p p r o a c h e sh a v eb e e nd e v e l o p e dt ov i s u a l i z e3 dc i t ys c e n e s ，m o s to f t h e me x h i b i tt h ev i s u a l i z a t i o nr e s u l t si nau n i f o r mr e n d e r i n gs t y l e f o ral a r g ec i t ys c e n e ， t o om a n ye n v i r o n m e n td e t a i l sd i s t u r bt h eb r o w s i n go ft h es c e n e ，w h i c hc a u s et h eu s e r - c o n c e m e db u i l d i n gh a r d e rt of i n do u t t h i sp a p e rp r e s e n t sa ne x p r e s s i v er e n d e r i n ga p p r o a c hf o rv i s u a l i z i n gl a r g e s c a l e3 dc i t ys c e n e sw i t hv a r i o u sr e n d e r i n gs t y l e si n t e g r a t e d i nas e a m l e s sw a y e a c hv i e wi sa c t u a l l yac o m b i n a t i o no ft h ep h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ，t h e n o n p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g , a n dt h el i n ed r a w i n g ，s oa st oh i g h l i g h tt h ei n f o r m a t i o nt h a ti s i n t e r e s t i n gf o rt h eu s e r sa n dd e e m p h a s i z et h eo t h e r t h a ti sl e s si m p o r t a n t a tr u n t i m e ，t h e u s e r sa r ea l l o w e dt os p e c i f yt h e i ri n t e r e s t e dl o c a t i o n sw i t hp r e d e t e r m i n e d3 dl a n d m a r k s o u rs y s t e ma u t o m a t i c a l l yc o m p u t e st h es a l i e n c eo fe a c hl o c a t i o na n dv i s u a l i z e st h ee n - t i r es c e n ew i t he m p h a s i si nt h ea r e ao fi n t e r e s t s t h eg p u b a s e di m p l e m e n t a t i o ne n a b l e s r e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，a n dd e m o n s t r a t e so u t s t a n d i n gp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s ：c i t ym o d e l ，e x p r e s s i v er e n d e r i n g ，m u l t i p l es t y l ec o m p o s i t i o n u l 浙江大学硕士学位论文 图日录 图目录 1 1m i c h e le t i e n n e t u r g o t 和l o u i s b r e t e z ，巴黎地图( 巴黎，1 7 3 9 )2 1 2 经过重绘的j o h ns n o w 的患病人口分布图 3 1 3 谷歌地图与谷歌地球对同一区域的显示效果 6 1 4 基于卫星照片建模的三维场景 7 1 5 e 都市的虚拟城市效果 8 1 6 城市吧的显示效果 9 1 7 微软v i r t u a le a r t h 的鸟瞰图效果1 0 1 8 普通地图，手绘地图与a g r a w a l a成的地图1 3 1 9 本文算法的结果1 5 2 1 本文算法的流程图1 7 2 2 真实感绘制的效果1 8 2 3 非真实感绘制的效果1 9 2 4 线绘制的效果，2 0 2 5 非真实感绘制加入线绘制的效果j 2 1 2 6 三维空间距离场的效果2 2 2 7 场景水平距离场的效果2 3 2 8 场景道路距离场的效果2 4 2 9 基于建筑距离场的效果2 5 2 1 0 依据重要性分布的不同绘制风格权重分配2 7 4 1 本文表意性绘制的结果3 7 v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他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任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月日 浙江大学颂士学位论文 致谢 致谢 转眼间已经度过了在杭州的第六个春天，在这个我人生的第二故乡，我有幸结 识了如此多热心帮助我的老师和同学，是我一生最宝贵的财富。是你们的关心和支 持，使我可以顺利完成硕士学位，同时度过了一段快乐的时光。在此我的硕士毕业 论文完成之际，我要对大家表示不尽的感谢。 首先，要感谢我的导师彭群生教授。您严谨的治学态度，鞠躬尽瘁的工作精神 深深的感染了我。从我大学二年级追随您进入实验室，一直受到您的教导和关怀。 您和蔼的笑容，尽责的指导，深深的印在了我的心中，并长久的影响着我未来的学 习和工作。 感谢陈为老师对我耐心的指导，使我了解了如何做科研，要做怎样的科研。在 我学习过程中，您对我进行了细致的指导，纠正我的错误，提出改进的方向。这不仅 仅是对我工作的改进，也是对我以后科研道路的指引。 感谢刘利刚老师，王章野老师，以及彭组所有老师，你们的指点和关心，帮助我 顺利完成硕士阶段的学习。感谢刘占平博士，您在流场可视化方面给我重大的帮助， 是我能够顺利的完成我的第一篇论文。 感谢宋成芳师兄，张龙师兄，管字师兄，张涛师兄，潘斌师兄。在学习上，你们 教给我很多知识，在生活上，你们也给了我很多的关心。我们在一个项目中工作，共 同经历了很多辛苦与欢笑。感谢夏佳志师兄，忘不了我们共同努力的时光，感谢您 的教导和关心。感谢梁潇师兄，虞宏毅师兄，谈奇峰师兄的帮助。感谢丁子昂，严志 成，王作省，感谢组里所用伙伴，感谢我们一起走过的日子。感谢和我一起学习生活 的同学们，让我度过这一段难忘的时光。 最后，我要感谢我的家人。感谢你们无私的支持和无尽的关心。在我顺利完成 硕士学位之际，谨将这份荣誉献给我的父母。 于洋敬上 二零零九年五月于求是园 浙江大学硕上学位论文 绪论 1绪论 1 1 简介 在人们的日常生活中，经常需要查阅各种各样的地图。小到随手画出的为人指 路的图示，大到全国乃至全球的地理信息系统，人们用各种不同的形式给出对位置 及其他附属信息的描述，以地图的形式展示所要表达的内容。随着电脑硬件和网络 的发展，我们现在可以获得越来越多的各种信息，这包括海拔，气候，环境等自然信 息，同样也包括人口，交通，文化等人文信息。利用这些信息，可以建立起大规模的 融入各种信息的城市场景。这样的场景，除了作为城市的旅行者地图，还对城市规 划与再开发，基础设施建设的决策，有着重要的作用。在这些大型场景中，通常有着 大量的建筑模型，它们结构各异，组成复杂的场景层次，这使得直接绘制得到的结 果中，有着太多的细节，严重影响了用户的观察。大量的信息所产生的视觉堆叠、相 互遮挡使得用户无法找到真正想要的景物，甚至迷失在海量的信息中。针对这些问 题，我们在本文中试图探索如何对这样复杂的场景，通过表意性的绘制方法，更有 效、更迅速的表达和传递信息。 1 1 1 城市场景的绘制 城市作为人们生活的重要场所，一直是地图绘制的主要对象。早期的城市场景 都是艺术家或制图者手工绘制出来的，但还没有统一的地图标准的时候，很多地图 都是根据制作者的经验和审美考量制作完成的。因此，当时的城市地图大多极为粗 糙，而少量精品，却可以被称为艺术品。人们通过不断的总结，制作了大量精美而又 实用的城市地图。图1 1 中的巴黎地图，细致的呈现了城市的景象。我们甚至可以把 它当作一幅优美的画卷，但同时，它又准确地表达了城市结构的信息，给旅游者以 指导。这样的图画中融入了大量艺术化的处理，建筑被线条画表示出来，只抽象出 主要的特征；街道被适当的加宽，使得其不会被密集的建筑所淹没；大量的注释被 有序的添加到地图中，详尽而不拥挤；通过选择适当的视角，达到最大的可视信息 量。而这并不影响其作为地图的准确性，使用者可以准确的定位到自己需要的位置。 细致的建筑描述使人可以7 解到整个建筑的结构，但又不至于破坏对地图整体布局 的观察。 图1i m i c h e l e t i e n n e t u r g o t 和l o u i s b r e t e z ，巴黎地田( 巴黎，1 7 3 9 ) 城市地图的作用也井不仅仅局限于地理的信息，其更重要的作用是作为其他信 息的载体。一个经典的倒手就是j o h ns n o w 在解决伦教藿乱时，所用的列患病人口分 布图。这张图不仅仅是一个城市布局的描连，通过作者创造性的制作，对所有患病 者家庭所在位置的标注，使得人们很快可以分析得出患病的厚四这一地区一口特定 的井受到了污染。基于s n o w 对地图的正确分析，市政府迅速行动，使得更多的人保 浙江大学硕士学位论文绪论 住了生命。而在这之前，人们甚至还没有寻找到发病的主要区域。一份好的地图所 带来的，并不仅仅是节省了时间，它可以为观察者提供了一个全新的角度来分析和 解决问题。 y a r d s 犍2竺：翌堡：， 图1 2 经过重绘的j o h ns n o w i 均患病人1 5 分布图 随着人类生活范围的扩大，城市规模的膨胀，人们对地图的需要急剧增加。于 是，地图绘制作为一个专门的行业，有了完善的规范。在这之后的地图有着更标准 的制作方法，少去了之前的艺术性，但是更好地传递信息这一目标是不变的。在我 们身边，经常看到城市地图、中国地图、世界地图，它们虽然表达内容不同，但都保 浙江大学硕士学位论文 绪论 持着一贯的风格，任意拿起一张地图，都可以很快的开始阅读。各式各样的地图，对 于人们的日常生活、对认识和了解世界，提供了极大的帮助。 但是，纸质地图提供的信息是有限度的，它虽然可以提供任意面积地区的信息， 但在信息密度上却有限制。一个远方的城市在世界地图上只是一个点，我们只能放 弃进一步的深入了解。纸质地图的信息量限制了我们对世界的探索。电子地图的出 现，一定程度上解决了这个问题。更大的信患储存量，使得人们可以搜索到更多的 信息。特别是网络地图的发展，使得人们可以任意的对世界的每个角落进行浏览， 访问地图的同时，了解到各种各样与之相关的信息。 这海量的信息虽然是一个宝库，人们却注定无法完全的拥有。我们可以探索每 一个细节，但却无法掌握所有细节。所以，如何能更快更好的寻找到想要的信息，对 于使用者变得尤为的重要。为此，无论是商业公司，还是学术机构，都提出了很多的 方法。本文就是试图追寻这些方法，提出一套更有效的城市场景交互浏览方式。 1 1 2 表意性绘制 表意性绘制( e x p r e s s i v e r e n d e r i n g ) 是一种以传递信息为目的的绘制方式。它并 不限定绘制的方法，不去刻意追求如同照片的真实感效果，或艺术家风格的绘画效 果。它可以是任何已有绘制方法的混合，或是全新的方法。但要达到的目的是通过 绘制，有效地表达想要传递的信息。这种思想，从很多方面和城市地图的绘制是一 致的。 随着计算机图形学不断的发展，人们已经可以非常真实的还原自然场景了。各 种各样真实感绘制算法，几乎可以模拟任何自然界的材料属性，光学现象。而随 着计算机硬件的发展，人们又逐步的把各种绘制算法加速到了实时。但是，人们 也随之发现了，真实的重现自然界的景物并不是图形学的最终目的，图形学更需 要的是创造出有意义的图画。通过这些图画，人们可以交流思想，传递知识。p a t h a n r a h a n 很早意识到了这个问题，在他著名的真实与抽象的讲演中，提出了表意性 绘制的思想。他提出在很多的时候，人们并不需要获悉事物的所以细节，而只想了 解他所关注的局部区域或某一方面的细节，或者更关注事物的宏观特征。因此有些 时候，需要刻意削弱一部分细节，从而增强另一部分细节，或突出场景的某种特征， 得到更容易传递信息的图画。 4 浙江大学硕士学位论文绪论 基于这样的思想，很多有意义的工作涌现出来。t a b l e a u 公司以斯坦福 的p o l a r i s 项目睁 】为基础，建立起一整套数据库可视化及分析软件，以图形的角 度，方便快捷的处理海量的数据信息。类似的，a g r a w a l a 等人的路线图生成系统1 4 , 5 1 ， 自动的生成手绘风格的道路指南，通过简化不必要的道路细节信息，得到简洁的旅 游路线表示。p h a n 等人模仿m i n a r d 经典的流示意图的形式f f j 】，设计了一套自动的流 示意图生成方法，清楚有效的展示了各种数量随着地理迁移而变化的效果。 表意式绘制不局限于已有的绘制方法，可以用各种形式来传递的信息。只要能 够有效的展示出需要表达的信息，就可以认为是一种表达式的绘制。本文运用不同 于以往的多绘制风格混合方法，也是为了得到突出重要信患的效果，给人们提供一 种方便快捷的交互方式来浏览城市地图。 1 2 相关工作 如何有效地浏览和搜索大规模的场景一直是图形学领域的热点问题。对此，无 论是商业公司、还是学术机构都提出了各种各样的方法。其中，商业系统已经获得 广泛的应用，目前的重点是完善交互方式，提高浏览效率。在学术界，近年来越来越 多的论文关注于表意性绘制和城市场景绘制。强调信息的融合与视觉重要性景物的 增强处理。 1 2 1 现有系统 近年来，各种各样的网络地图软件如雨后春笋般发展起来，人们越来越多的依 赖于这些软件来寻找目标场所，查询最快的路径。如何能更快速有效地得到用户想 要的结果，成为众多软件所追求的目标。下面，我们介绍一些已经得到广泛应用的 商业系统，综述已经成熟的各种技术，以及有待解决的问题。 最早出现的是电子地图，类似于普通的城市地图，用线条表示道路，在上面 用符号，文字的标记来反映各种各样的信患。所有的道路及场景信息，利用一 种g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e ( g m l ) 进行描述，在绘制的时候，可以选取不同的层 次，不同的细致程度来进行绘制，得到适合于当前场景的绘制结果。但是，基于大型 数据库信息提取的绘制速度往往是比较慢的，所含的大量的信息并不适合用户交互 的选择。因此，在实际应用中，电子地图会预设几个不同的精度，在用户选择不同的 新太 r 学位论i 高度来观察场景时，切换捌相应的精度。这样，在垒球的视图中，我们只看到各个国 家：到了国家的精度，划会看到主要的城市，进一步拉近，城市的主干道，各种小路 也会依次显示出来。这种层次的谢览，培用户很大的方便，这也是电子地图流行的 基础。这种粪似的地图，已经有了太多的实现，井有了统一的标堆，如百度、咎歌等 公司都建立7 庞大的数据库，记录全世界的地图信息。人们追求的只是更全面、更 准确的地固信息和更快速的网络传输。 但是人们并不满足于仅仅得到平面的地理信息，对于城市场景，人们希望得到 更多的周围建筑的信息。比如，周围建筑的高度，建筑饲面的信忠，地耨性建筑的特 征等。所以，在普通的地图基础上，增加了各种各样的信息。如航空】i l 【片，建筑的三 雏模型，场景曲真实照片等，得到了更加丰富的结果。 图13 昝歌地阿与答歌地球对同一区域的显示兢果 各歌地图作为一个较早的这方面的尝试，将全球的卫星j ! l 片匹配刊现有的地图 当中。让人们可以真实的看到自家后院的场景。相比于简单的道路信息。卫星照片 所提供的丰富的纹理使人们可观嘉到更多的细节( 如图13 ) 。人们利用这个海量的 数据库，了解景点周围的环境，从天空中鸟瞰自己的家乡，给远方的朋友指点路线。 但是，人们很快发现，这种上帝般的视角并不符合我们平时的理寨习惯。很多人在 自己家的附近，也很难找到自己的家门。人们被大量凌乱的房顶所谜枣，不能区分 出舜些是主干道，舜些是小路。即使是一些平时天天经过的建筑，由于地围上只有 平时不可能见捌的楼顶信息，也不能很快的识别出来。所以，人们试图在这些卫星 图片基础上，加入更多的信息，帮助人们更快地寻抗到自己想要的信息。 于是，谷歌和擞教等一些建立了垒球卫星照片数据库的公司，都在电子地图中 加入7 城市场景中建筑的三维信息，来丰富地圈的内客。霉l4 绔出曲是截教虚担地 球产生的三雏城市场景。由于城市场景的三维信患还无法高兢的果集，多数系统栗 用手工建模的方武来生成三维场景。这些公司提供了一些倚单的三雏建筑建楗教 件。在这些软件的基础上，他们或发砷爱好者，或专门成立伺作小组，建造出很多大 城市的虚拟三雏世界。在这其中比较早期的是柏林的三维模型，人们成立了一十组 织，把整个柏林畸建筑都三雏建模出来，使得游客可以自由地在立体的帕林城市中 渊览。这个项目对于本地人、外地游客或者想要7 解柏林的人，都提供了很大的帮 助。随后，越来越多的城市在虚报世界里被建造起来。但是，这样建立起来的场景， 还是和之酋的卫星地图存在着喊样的问是，过多的信息使得人们银难找到想要寻找 的目耨建筑。更多的人只是把这些地理信忠系统作为一种玩具，而非真正查询路线 的主要参考。 圉1 4 基于卫星照片建模的三维场景 与之相对应的，有些商业实现中放弃了对真实场景中的景曲纹理曲追求，试图 完全重建出一十城市的场景。这些实现中，整个城市都是由美工建立起来，人们可 以认为这是一个虚拙的世界，只是与真实世界相类诎而已。在有些系统中，虚拟城 * 扛 学位t i 市真实的展现出城市的备个部分，每一栋建筑都是按照愿样仿制，我们在其中漫游， 就如同在这个城市中走动一样。但是，这样庞大的场景，对于图形硬件，是一个沉重 的负担无法高教地在网络上传精。所以，这样的真实场景在现阶段根难作为阿络 地图被人们广泛采用。同时，这样的场鼍也并不一定畚雏人的搜索带来方便，在场 量中大量的建筑本身就是阻碍人们凭观察发现目标建筑的障碍。 为了解央这样的问题，人们试圈更加艺术化地表瑰城市场景，通过适当调差场 景中各种元素的比倒，在不改变整体概虢的情况下，方便人们对场罩中建筑的搜索。 比较常见的方法包括：突出城市中的地标性建筑；倚化千蒿一律的小区楼群；放大 道路两络使人们更方便的寻找路径；减小建筑的占地面积阻避免遮挡。这样，在一 个赫番的城市中，人们可以方便的寻找到域市的主干线和方位，并进一步找到目标 建筑暂的位置。 田1 5e 都市的虚拟城市效果 e 都市是一个在国内很多城市都巳建立曲网络地图系统( 如图i5 ) 。其基础的 蔓横工作也是手工完成的之后手工布局整个城市。只是，在建横的过程中，斌注意 了建筑的重要性，对地耨性建筑，精予突出的表达，而对小区中的密集楼群，则筒单 示意。在布局上，道路及建筑的相对位置得到了保持，但加宽曲街道让人很容易观 察到整个城市曲结构追寻明星的主干道，到达想要寻拽的位置。同时，绾小建筑的 大小，并不影响人们对莲筑的识别，却可以有效地减步对后捧建筑的连挡，方便地 找到更多建筑。同时，为了更快速的传精数据，整个场景实际是高线绘制的，通过选 择一个固定的视角，对整个场景进行平行投影的绘制，生成一张庞大的田片，再把 它分解成叠字塔结构，方便不同精度下的网络传精。大规模场景的传输，被简化为 大型图片的传精闸题。其不足之赴就是丢失了其他方向上的信息，无法旋转视点， 也就无法看到场景背面的信息。但通过适当的建筑布局，在大多数时候，人们并不 会感到这种省略所带来的不便。相反，由于其清晰的结抽，很多人把它作为首选的 网络地图工具。这种增强的效果，对局部观察效果很好但是在较大范围上，还是无 法解决大量建筑所产生的视觉负担。 与建立场景三维信息相似，利用在场黄中拍摄的照片，也可以让用户更好的t 解场景。在这方面主要有两种方法，一是利用埽景中一些点的垒景图，以地面的一 些特定位置来琨寨场景；另一种方法是利用场景的三维信患，把一些场景的鸟瞰田 匹配到场晕中，使人们可以通过这些图片，从这个角度来了解场景。 图l6 城市吧的显示效果 城市吧是一个比较早的通过垒景圈方法来观察城市的实现，把视点定义到一个 碧定位置，就会看到在这点应该看到的真实场景。囤i6 野出了这个系统的使用界 面。人们可毗在这点朝任意方向观寨，也可以从当前税点前进到相邻的观察点照续 浏览。但是。这种方式有两个主要的限制：第一，由于观察点是高教的，经常出现对 于某位置赴场景，之前的观察点并没看到，下一个观察点又错过了的情况。这虽然 b tb “ * 绪t 可以透过密度更大的观寨点采样来解硗，但现有的系统经常园为采样不足而不能很 好地完成查找任务。第二，这种基于离散棍点的观察，只适用于最底层的观察，刺用 这种方法，很难进行大范围的运莉和全秉羽览。在需要进行大范围浏览时，还蔷要 其他地图绘制方式来配台，才能获得到城市完整的概虢。在备歌地球中，也增加了 类似的谢览方式，主要目的是为了趟览街景。 另一种方法出现在擞软的虚拟地球中，利用大城市中丰富的三维建筑信息，和 大量的鸟瞰囤片信惠，来埘览城市场景( 如围17 ) 。在税角调整到一些特殊位置的 时侯，调入相应位置的图片。虽热，现在的三雏绘翻技术已经发展的比较成熟。但 是，在同一视点的图片效果，还是远好于在这个位置曲绘幸i 结果。所以，适时调入鸟 瞰图片，对用户认识场景，有很大的帮助。在实际操作中，当视点移动到一个位置 时，与之相临近的圈片就会显示出边框，点击其中，视点就会秽耐到边框所对应的 位置，井显示相应的图片。用户可咀在不同的图片同进行切换，大量的国片，可以使 用户仅通过图片，就可以浏览整个城市。这个方法同样也需要足簪大量的圈片来达 到好的效果。同时。由于图片拍摄的条件不一样，寄要大量的调整才能实现统一的 风格和视觉效果。 圉17 擞软v h q u a le a n i l 的鸟瞰囤效果 浙江大学顾士学位论文绪论 以上是各种商业电子地图系统中实现的绘制效果，尽管这些效果可以组合起 来，但是，它们都是对场景采用统一的方法进行绘制，本文针对这个问题，提出了基 于视觉重要度的混合绘制方法。 除了绘制效果，完善的地点，路线查询系统也是电子地图上的重要功能。人们 浏览地图最主要的需求是寻找目标物或目的地和可能采用的路线。电子地图的一大 优势就是通过其背后庞大的数据库和强大的搜索功能，人们不需要知道所要去的地 方的确切名称，具体地点，只要提供少量的信息，就可以找到想要去的地点。同时， 系统会自动搜索出最短的线路、可以乘坐的公交车，甚至根据交通拥堵程度判断路 线，计算到达时间。这些地点及路线信息，被通过各种标记显示到地图上，以突出图 片信息中的重点道路及位置。这可以被认为是一种混合绘制，在一定程度上类似于 我们的方法。但不同于简单的组合，我们应用了更复杂的方法来混合场景中景物来 突出用户关注区域，多种绘制风格的无缝过渡相对于位置标记，更自然的展现了重 点内容。 1 2 2 相关论文 三维城市场景是一种城市地貌及社会环境的形象表示。随着人们所拥有的信息 量的不断增加，虚拟城市场景中可以融入越来越多的不同类型的信息，并把这些信 息以整体的形式表达出来。为了更有效的浏览、检索这海量的城市信息，艺术家和 地图制作者们发明了很多的规则，如通过调整颜色和对比度，来增强场景中的某些 区域；利用适当的夸张，来展示重要的信息；施加有效的标注，准确地关联对应的信 息等。 基于焦点的表示在错综复杂的城市场景中，如何有效得突出用户所关注的目 标区域一直是城市场景绘制研究的热点 7 - 1 j 。在【豫】中，给出了一系列的工具，通过 两个视点探索城市场景。一个用以近距离的观察周围的环境，另一个则基于交互指 定的用户所感兴趣的区域来选定合适的视点。在f 婚j 中，使用基于语义的深度图来展 示信息，对于场景中的景物，根据它们的重要程度而非相对位置，来确定不同的景 深模糊效果。感兴趣的物体被突出表示，经过锐化后显示出来，而场景的其他部分 则被不同程度的模糊掉。在【l o 】中，m a t t h i a s 等人设计了一种通用的三维透镜。它可以 把不同层次的结构信息合并在一个场景中，共同展示出来。其中焦点区域被完全保 浙江大学硕士学位论文绪论 留细节的显示出来，而周围则逐渐的去掉细节。t a s s i l og l a n d e r 等人【9 1 提出了一种全 新的方法来增强地标性建筑的视觉重要性。他们设计了一种基于视点的变形方法， 来提高这些建筑相对于周围环境的可见性。 为了更好地利用屏幕空间，展示更多的信息，人们提出了很多的方法f a - 3 7 1 。 在 1 4 1 中，s e b a s t i a nm 6 s e r 等人提出了一种非标准的透视投影方式，以增加屏幕上有 用信息的显示量。人们熟悉的行人视点与标准的地图有效的混合在一起，通过一种 快速的变形方法，用户可以交互浏览整个城市场景。在【q 中，l o r e n z 等人给出了一 种交互生成多个透视图的城市场景表示方法。先将整个场景用线性投影绘制出来， 再根据多个透视焦点进行全局变形，得到最终的城市场景。但这些非标准投影都存 在着一个共同问题：用户经常以变形后的度量来衡量场景中的距离，从而得到错误 的路程概念。同时，很多变形算法采用了复杂的网格变形方法，很难作实时的应用。 建筑的简化为了更有效的绘制场景，减少复杂细节，人们提出了很多建筑简化 的方法 1 9 3 u 1 。关于各种建筑简化算法，g l a n d e r 等人在【2 | 】中给予了详尽的分绍。它们 大多根据建筑物离视点的距离，确定应该采用哪一层次的简化。让近处的建筑展示 更多的细节，面当建筑物在较远的位置时，简化的建筑模型并不会给观察带来影响。 这类方法，在其他大场景绘制中也经常用到，被称为层次细节方法( l o d ) 。通过引入 矢量变形方法和离散或连续的曲率空间，m a y e r 给出了一种通过检测局部曲率来调 整多边形网格的筒化技术【m 。这种方法虽然可以得到很好的简化效果，但是速度很 慢，不适合实时应用。在【2 ：】中，作者注意到大多数建筑都是由平行于两个主要方向 的平面组成的。所以，相邻的平行面被合并，以此达到简化建筑的目的。但是，这种 方法局限于垂直方向变化很小的建筑，只适用于普通建筑的简化，不适于特别的地 标性建筑。在【：3 】中，t h i e m a n n 把建筑物转换成构造实体几何体，通过去除几何特征 来到的简化建筑的目的。一个建筑被分解为一个基础的几何体以及不同层次的细节 特征。不同于之前的方法以一个建筑作为单位来进行简化，g l a n d e r 提出了一种方法 来对一组建筑进行简化 2 t l 。首先，所有建筑按照不同的层次简化的要求进行分级 的聚类。之后，g l a n d e r 用三种不同的方法自动地对这些聚类的结果按照要求进行简 化。 非真实感三维城市场景表达非真实感绘制方法模拟艺术家和设计者描绘事物 蕾f 扛大学龋掌证论文 圈1 8 昔通地图，手绘地图与a g r a w a l a 生成的地围 的工具和手段生成出有不同艺术风格的场景。这其中有很多方法可以被用来展 示城市场景以及伴随在地图当中的非地理信患。很多研究工作都试田用非真实感 的碧黼方法来绘制虚报的三维城市场景。a g r a w a l a i 、o 所做的手绘风格的蓐线圈， 是表意式地图绘制的一十典范。他通过对现有地图信息的倚化，生成简单清楚的 路线圈。在如图18 中表示的道路上，本来有很多细小的转弯。但是人们所关注的是 那些真正瞽要拐弯的路口，而不是曲折的道路走向。通过适当的简化，可以更好地 突出这些关键路口。j 由g e l l d 6 1 n e r 等人直接将非真实蓐的方法应用到城市场景绘制 中瞄? “。他们根据建筑物结构筒单这一特征，提取场景的特征线条，简化颜色，浑 加适当的纹理，实时显示了三维城市场景的非真实蹲效果。g l a b l e r 等人通过混合二 雏地图与三雏城市场景，自动的生成了一种表意性的旅游地田【 。根据用户时要 求，场晕中用户关心的建筑以度地标性建筑被突出出来，方便旅行者查找。但是，文 中复杂的数据分析和场景的透视计算，使得这种方法只能生成静止的旅游田，固化 的信息在有些时候并不能完全满足用户的蔷隶。用户无法通过交互得到进一步的细 节。c o l e 。1 设计了一个交互的基于用户若注点的绘制系统。在这个系统中，不同的 物体根据其受关注度不同，分别受到强调或弱亿。用户通过交互，选择到其关注的 位置，场景中其他的景物随着受关注点罐高的增加而逶渐弱化。文中提出t 多种方 法来减弱非受关注的区域，基干受关注度的城市场景非真实薅表示。 除了直接绘制三维场景的方法，通过照片等形式来展示城市场景也是一种常见 的方法。在、，1 中，s n a v e l y 等人使用大量的田片来浏览真实的场景。首先，一个区 域的许多圉片被重新定标于三维场景中。用户可以通过简单方便的麦互，在大量的 浙江大学硕r 上学位论文绪论 图片之间切换，来观察场景中的物体。这项技术，也是微软的虚拟地球中，以鸟瞰图 片方式浏览的基础。k o p f 等人设计的d e e p p h o t o 系统【= ；1 1 通过一张照片，结合场景的 三维信患，产生了丰富的视觉效果。文中把一张照片与三维场景相匹配，得到带有 深度及其他地理信息的城市场景照片。通过这些信息，可以做到在照片上的去雾， 重光照，交换视点，增加地理标注等效果。上述两种方法的结合，必将给基于图片的 城市场景浏览提供更多更好的方式。 1 3 本文主要工作 三维城市场景绘制是各种地理信息的主要部分，针对不同应用的需要，对绘制 效果也有着不同的要求。在一些虚拟现实、真实场景游览的应用中，需要高度的真 实感效果；但在另一些以搜索和分析为主要目的的应用中，场景的细节并不是用户 所关心的要点，场景的结构更应受到突出。对于前面提到的各种商业系统，人们大 都不仅仅希望进行游览，还希望更快更准确的查询各种地理信息。所以，如何有效 的把有意义的信息展现给用户，是这些系统最重要的目标。正如g o o c h 所说的p 2 ， 绘制时一种对现实的抽象，它需要偏好，保持甚至增强重要的部分，同时牺牲，减弱 甚至忽略其它不被关注的区域。不过，现有的系统大多用同样的方式绘制整个场景， 使用户很难排除无关信息的影响。特别是在绘制大场景时，屏幕的大部分地区被细 小的无法区分的建筑所覆盖，给用户的只是大量的信息冗余。 本文提出了一种基于用户交互的表意性的城市场景浏览工具。现有的虚拟城市 场景绘制方法，通常只局限于一种风格。整个场景要么采用真实感风格绘制，要么 采用非真实感风格绘制，整个画面风格虽然统一，但不能够有效的突出重点。而我 们的表意性绘制方法着重于突出重要的建筑及人们关心的场景，减弱次要环境信息 对用户认知所带来的影响。对于什么是重要的信患，用户需要给出自己的意见，本 文给出了一种交互的用户选择与查找工具来传递用户的需求。在我们的系统中，用 户关注的建筑被通过真实感绘制方法细致的描述，而周围近处的环境使用非真实感 的方法来绘制。更远距离的建筑，则使用线画图甚至轮廓线的方法来概括的表示。 通过适当的重要性定义和混合不同的绘制风格，我们的方法可以实时地展示大规模 场景，通过用户交互来突出重点区域，连续地在各种绘制效果中变化，自由地在城 1 4 * 太 位论文 市埽景中潮览。圈19 中展示了我们的效果与真实蓐绘制方法的效果对比，从左到右 分别是p h o n g 模型绘剖的效果，我们基于局部区域重要性模型的绘制效果和基于建 筑重要性模型的绘稍效果a 田1 9 本文算法的结果 本文各个章节的内客安排如下： 第一章1 晦要介绍本文的研究背景，巳有的商业实现、研究工作和奉文的工作。 第二章主要讨论了表意性的三维城市琦晕绘制方法，舟绍不同的绘制方法的 混合，以及利用用户关注焦点获得场景中重要性的分布。 第三章主要介绍城市场景绘制系统的实现，主要说明了不同绘制风格的j 琵合 方法，以及实时绘制算法的实现。 第四章晨示得到的效果，分析幕统性能，同时对这种绘翻方法对用户的作用进 行了讨论。 蕞岳一章总结本文的工作，井对束束的工作提出展望。 浙江大学硕士学位论文多风格城市场景表达 2 多风格城市场景表达 在本章中，我们将介绍一个新的三维城市场景绘制系统，解释它是如何交互地 突出用户感兴趣的区域。我们采用了一种全新的多风格融合模型，通过应用多种不 同的距离场定义和不同的注意力模型，使用户更方便，更快捷地浏览三维城市场 景。 整个算法的基础思想是突出用户感兴趣的信息，同时减弱用户不感兴趣区域的 细节；在重要性不同的区域之间，使不同的绘制风格平滑过渡。在人们浏览三维场 景时，人们经常会更注重那些地标性的建筑。通过这些，人们可以在城市中方便的 定位，进而找到自己想要寻找的位置。但是，这些建筑在城市地图的绘制结果中，却 并不一定是突出的。例如，一些高耸如云的建筑，在平面图中因为没有了高度，而变 得无法和周围的建筑相区分。有些侧面信息丰富的建筑，却因为绘制模型不够精细， 而无法体现出来。相反地，一些凌乱的楼顶信息，平时人们无法观察到，在绘制得到 的平面图中，却成为吸引人们注意力的主要景观。所以，我们的系统绘制时首先考 虑建筑物的实际重要程度。建筑物的视觉重要度、在街区中所处的位置、交通重要 程性，都会作为其重要性评判的标准。系统通过自动和手工的方法对城市中的建筑 赋予重要性权重。同时也标注它们的用途等信息，使得有不同需要的用户可以交互 地获得不同的信息。在运行时，同一场景会被以不同的绘制方式，多次的绘制出来。 而用户可以交互指定感兴趣的位置，可以选择感兴趣的区域。在得到用户指定的关 注位置后，系统会根据各个建筑自身的属性，到关注位置的距离，得到屏幕上每个 点上各种绘制方法混合的权重。通过这种组合，用户就可以得到一个多风格的突出 关注区域的绘制效果。图2 1 中，展示了本文方法的流程。在下面的章节中，我们将 具体介绍我们的算法。 2 1多种绘制风格模型 同一个场景可以以不同的绘制方式展示。本文对多种绘制风格进行混合，来达 浙江大学硕上学位论文多风格城市场景表达 、 一维域f 】梭型 ( 多种风格绘制卜，( 多风格混台 i i l 地杯1 叶建筑选取hj 钉厂1 交互) - 一- ( 各种j 札格权审i f 算卜 ( 最终纪果 可址线提取) 一 图2 1本文算法的流程图 到突出重点的目的。对各种绘制效果，我们按照以下的公式进行混合，生成最终的 结果。 1 ( v ) = p t ( u ) ，- ( u ) + p 2 ( ) 如( 口) + + p 。v ) ，n ( )( 2 1 ) m ( v ) + p 2 ( ) + - 4 - p 。( 可) = 1 0 其中，秒表示屏幕上的一个像素，( u ) 表示在v 点处绘制的结果，厶 ) 表示各种单 一绘制方法在 点的结果，p i ) 表示在u 点处第i 种绘制方法所占的权重，这些权重在 各点的和均为1 。各种绘制方法组合起来，即为最终的绘制效果。在本文中，我们运 用了四种绘制风格，所有的建筑都被绘制为真实感效果、非真实感效果、线画图效 果和单纯的轮廓线效果。 真实感绘制风格真实感绘制追求的是与真实世界景物的相似。这种风格的绘 制适合于强调重点的景物，丰富的细节使得人们把更多的关注放在这类绘制 生成的场景上。但过多的真实感绘制会产生过多的细节，使得人们在浏览中抓 不住重点。而且复杂的全局光照明绘制算法，需要大量的计算，很难应用在实 时的绘制过程中。本文的真实感绘制选择了p h o n g 模型，这是一个经典的局部 光照明模型，在保证了绘制速度的同时，可以得到较好的效果，如图2 2 。 非真实感绘制风格非真实感绘制更多的关注于如何把场景绘制得像艺术家笔 下的画作。不同于真实感有着自然场景作为衡量标准，非真实感绘制可以追求 各种不同的艺术表现效果，例如，油画、水彩画、卡通风格、写实风格等。即使 多a 格城市墙景襄# 图2 2 真实摩鳢制的藏皋 是同一种风格，不同画束对艺术的诠释也有着很大的区别。本文所追求的是一 种突