（计算机应用技术专业论文）数字城市模型自适应相关lod技术研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 随着虚拟技术的发展，地球空间数据获取手段如摄影测量、激光扫描等技术突 飞猛进，越来越多的城市开始建设自己的数字城市。由于人们对逼真感的期望越来 越高，数字城市模型不仅具有海量的数据，而且具有精细的纹理。这就使数字城市 模型在可视化过程中遭遇绘制时间以及显示效果相互制约的局面。现在虽然三维显 示方面的硬件技术的发展速度很快，但也不能满足数据量日益增长的需要，即使是 硬件水平最好的计算机也无法实时显示所有的数据；硬件技术的发展使得各种各样 的硬件终端不断出现，这些终端的性能特点各有差别，即使是同一类型的终端也会 存在性能的差别。任何三维实时可视化应用中，如何自动适应不同用户的要求和软 硬件环境生成满意的可视化自适应可视化，成为国际研究的学术前沿。对于 大规模数字城市模型的在线应用程序来说，如何在限定的时间内，自动适应数据量 和计算机硬件性能等客观条件的变化绘制出最佳的场景图像，已经成为虚拟地理环 境、数字城市和数字地球等应用的关键科学问题之一。 要在限定的时间内绘制出最佳的可视化效果图，需要解决如下两个问题：一是 模型简化的问题，第二是在限定的时间内选择哪个细节层次模型来进行绘制，使绘 制时间既不超过限定时问又能达到最佳的可视化效果。本文研究了基于边折叠的模 型简化方法，并对过去的算法做了改进，在简化模型的同时可以很好的保持模型的 原始特征；对数字城市模型的绘制对象做时问估计和重要性分析，选择在限定时间 内可达到最佳图像效果的模型来进行绘制。 通过华中师范大学数字校园系统，很好的证明了本文提出的方法的有效性。最 后对全文进行总结，提出了以后的需要继续研究的内容。 关键词：数字城市模型；自适应；l o d ；限时；三维可视化 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a lt e c h n o l o g ya n dt h r e e - d i m e n s i o n a lg e o s p a t i md a t a c o l l e c t i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ec i t i e sb e g a nt ob u i l dt h e i ro w nd i g i t a lc i t y a st h e i m p r o v e dr e q u i r e m e n t so fr e a l i s m , d i g i t a le i t ym o d e ln o to n l yh a st h em a s so fd a t a , a n d h a sf i n et e x t u r e t h i sm a k e sd i g i t a le i t ym o d e le n c o u n t e r e dt h es h o we f f e c ta n dr e n d e r i n g t i m ec o n s t r a i n te a c ho t h e ri nt h ev i s u a l i z a t i o np r o c e s s h o w e v e rt h ed e v e l o p m e n to f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sn o ts u f f i c i e n tt om e e tt h er e a l - t i m ev i s u a l i z a t i o nr e q u i r e m e n t s o fs u c hk i n do fc o m p l e xm o d e l s e v e nt h et o p l e v e lc o m p u t e rc a n tr e a l t i m ed i s p l a ya l l t h e s ed a t a t h ed e v e l o p m e n to fh a r d w a r et e c h n o l o g ym a k e saw i d ev a r i e t yo fh a r d w a r e t e r m i n a l se m e r g i n g ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et e r m i n a l sa r ed i f f e r e n te a c ho t h e r , e v e ni f t h e yb e l o n gt ot h es a m et y p e i na l lk i n d so f3 dr e a l t i m ev i s u a l i z a t i o na p p l i c a t i o n s ，h o w t oo u t p u ts a t i s f i e di m a g ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tu s e rr e q u i r m e n t sa n dh a r d w a r e s o f t w a r e e n v i r o n m e n t ，w h i c h i sn a m e da d a p t i v ev i s u a l i z a t i o n , h a sb e c o m ea ni n t e r n a t i o n a l r e s e a r c hp o i n ta n dt h ea c a d e m i cf r o n t f o ro n l i n ea p p l i c a t i o n so fl a r g es c a l ed i g i t a le i t y m o d e l s ，h o wt oa d a p t i v e l yc o o r d i n a t et h er e n d e r i n gs p e e da n dq u a l i t ya c c o r d i n gt o f a c t o r ss u c ha sd a t av o l u m ea n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n th a sb e e nac r i t i c a li s s u eo ft h e a p p l i c a t i o n so f v i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o m e n t s ，c y b e r c i t ya n dd i g i t a le a r t h f o rt h eb e s tv i s u a l i z a t i o ne f f e c ti nal i m i t e dt i m et h ef o l l o w i n gt w oq u e s t i o n sn e e d t ob er e s o l v e d ：o n ei sm o d e ls i m p l i f i c a t i o n , t h es e c o n di sal i m i t e dt i m et oc h o o s ew h i c h l e v e lo fd e t a i lm o d e lr e n d e r i n g ，t h a tt h ed r a wt i m ed o e sn o tm o r et h a nt h el i m i t e dt i m e a n dc a na c h i e v et h eb e s tv i s u a le f f e c t s t h i sp a p e rs t u d yt h es i m p l i f i c a t i o nm e t h o db a s e d o ne d g ec o l l a p s e ，g a v ea ni m p r o v e dm e t h o db a s eo ne d g ec o l l a p s e ，i ts i m p l i f yt h em o d e l a n dm a i n t a i nt h eo r i g i n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e la tt h es a m et i m e c o m p u t et h e r e n d e r i n gt i m ea n di m p o r t a n c ef o re a c ho b j e c ti nt h ed i g i t a lc i t y ，a n dt h e nc h o o s et h eb e s t d r a wp r o g r a m t h r o u g ht h ed i g i t a lc a m p u so fh u a z h o n gn o r m a lu n i v e r s i t y ，t h em e t h o di n t h i s p a p e ri sp r o v e dv e r yg o o de f f e c t i v e i nt h ee n d ，t h ep a p e rs u m m a r i z e da l l f u l lt e x ta n d p r e s e n t e dp r o f o u n dr e s e a r c h k e yw o r d s ：d i g i t a lc i t ym o d e l s ；a d a p t i v e ；l o d ；l i m i t t i m e ；3 dv i s u a l i z a t i o n 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 雩惑 日期：砷9 年厂月专j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同意华中 师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 、r ) 作耧名：罗矗抽签名懂郦气 日期：y 呻年r 月弓f 日日期：彩请6 月乙日l 2 日期：刀刁年，月；1 日 日期：秒忤6 月乙日l 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 第一章绪论 随着虚拟现实应用技术的深入，数字城市开始进入人们的视线。与此同时数字 城市模型的建设步伐也引起了关注。微软的v i r t u a le a r t h 则在一开始推出时整合了 美国1 5 个城市的3 d 漫游，并计划增加到世界5 0 0 0 个城市。g o o g l ee a r t h 首次发布 时就有3 0 多个美国城市可以浏览建筑的灰度模型，2 0 0 8 年3 月1 5 日又宣布启动城 市3 d 化项目。 随着地球空间数据获取手段如摄影测量、激光扫描等技术的发展，计算机所绘 制的场景日益复杂、逼真，三维模型数据的获取精度和建模速度不断提高，一方面 提高了三维城市模型数据的细腻程度，另一方面也带来了场景的复杂性，并使数据 量激增。以城市模型中的建筑为例，这些三维软件初始发布时只是提供灰度模型， 而目前已经逐步过渡到贴有纹理的精细模型。三维模型数据量呈几何级数增长，已 经远远超过了计算机硬件绘制能力。尽管计算机图形软、硬件技术水平飞速发展， 许多图元的绘制可通过硬件来实现加速，但是远远不能满足人们的应用需求。在浏 览数字城市模型时，用户对于系统的响应时间都有一个限度，超出一定时间阙值的 延迟或停顿都会影响用户的满意度，因此如何在限定的时间内，自动适应数据量和 机器性能等客观条件的变化，从而绘制出最佳的场景图像，已经称为制约虚拟地理 环境、数字城市和数字地球等应用的关键科学问题之一。 另一方面，硬件技术的发展使得各种各样的硬件终端不断出现，这些终端的性 能特点各有差别，即使是同一类型的终端也会存在性能的差别。各个城市的三维模 型数据作为人们普遍关心的基础数据内容，也将被不断建立并共享。面对日益增加 和细化的城市三维模型数据，如何保证其能够用于各种终端上并满足各种用户的要 求，是数字城市模型得到广泛应用的前提。 1 1 数字城市模型的主要内容 “数字城市”是指整个城市经数字化处理后由计算机、数据库和通讯网络来管 理的巨型信息系统。这个信息系统是以宽带城域网为基础，以城市基础地理空间数 据为依托，以全球定位系统、遥感、地理信息系统以及虚拟现实、数据融合和动态 互操作等现代高科技为技术支撑，以城市中自然和人文的事物与现象为应用对象， 构成具自多源、多尺度海量数据的融合，能用多媒体和虚拟现实技术进行多维表达 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的数字化虚拟城市【1 1 1 2 1 1 3 1 。 随着“数字地球、“数字城市”等概念的提出，有关数字城市模型的应用需求 正迅速增加。三维模型在空间中有唯一定位，任何一个三维模型都有准确的三维坐 标，通过这些三维坐标可以重现这些三维对象。与传统的二维地图式表达相比，三 维城市模型更为直观，人们足不出户就能得到真实准确的视觉信息，再辅以属性查 询等手段，可以帮助人们在城市规划、公共交通、环境保护等领域做决策分析等应 用。例如，基于三维城市模型可以建立旅游环境的虚拟现实模型。 1 1 1 数字城市模型的主要数据内容 三维的城市模型是数字城市的基本内容，是数字城市系统中重要的框架数据之 一。在三维的城市模型中，除了主要的地形及建筑物数据外，还包括植被、道路及 其它附属设施( 路灯、公告栏、广告牌、路标、指示牌、红绿灯等) 。 ( 1 ) 地形：地形是数字城市模型中最基本的元素，是其他特征实体存在的基 本。在数字城市模型中，地貌被表示成地形模型，即数字高程模型d e m 。( d e m ) 。 数字高程模型是为了模拟地面起伏而发展起来的，它以数字的形式按一定结构组织 在一起，表示实际地形特征空间分布的模型，也是地形形状大小起伏的数字描述。 ( 2 ) 建筑物：建筑物是城市的重要组成部分。在城市中有很多种不同的建筑 物，这些建筑物的造型以及用途都各不相同，不同的城市又具有自己的建筑风格， 在特定地段，建筑物及其所处的环境以其特定的内涵可以反映出一个城市自身的特 色。所以，建筑物是城市三维模型的主要表达内容。 本文中的建筑物包括城市中各种各样的人工地物，包括居民住宅、商业写字楼、 上厂厂房建筑、公用建筑等。卜管是哪一类建筑物，我们都可以将它的几何结构分 为以下几个部分：主体部分、屋顶部分和附属部分。主体部分用来描述建筑物整体 空间结构；屋顶部分描述建筑物的房顶，是建筑物各部分中比较复杂的部分，最能 反映一个建筑物的特征；附属部分则是指依附于建筑物，一般不独立存在的各种设 施，一般来说它们结构相似，可以建立标准的模型库。 由于对逼真感的期望，在数字城市模型q 1 我们往往会对建筑物模型的表面赋予 纹理。在三维模型数据中，纹理分为标准纹理和人工采集纹理两种标准纹理是将 纹理预先编辑与处理，存储于纹理库中；人工采集纹理则是通过从照片或视频中提 取建筑物侧面或顶面的纹理。 与建筑物结构的三个部分对应，建筑物纹理数据也相应地分为主体部分纹理、 屋顶纹理和附属部分纹理。主体部分纹理主要是建筑物侧面纹理，侧面纹理可以使 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 用建筑物实际侧面影像，也可以根据侧面的纹理基元进行重复填充；屋顶纹理一般 使用航空影像数据或标准的纹理库数据；附属设施或建筑纹理一般使用标准纹理或 材质数据。 ( 3 ) 植被：植被是数字城市模型中除了建筑物外数据量最大的一部分，它可 以为数字城市表达真实的空间环境。城市中的植被可以依据其高度大致分为两类， 一类是草地、灌木等比较矮的植被，对这类植被表达比较建大，其几何数据是绿地 的大小，纹理可以重复使用绿地的纹理；另一类是树木等有一定高度的植物，对于 这样的植物，一般要建立树木的三维模型，用树木的照片作为它的纹理数据。 ( 4 ) 道路及其它附属设施：为了压缩数据量，城市中的道路可以用面片表示， 其纹理数据可以用与路面相应的水泥、沥青或碎石等材质数据；其他的附属设施与 建筑物的附属设施一样，一般结构相似，可以建立标准的模型库，使用标准的纹理 或材质数据。 1 1 2 数字城市模型的建模方法 数字城市系统是以模型的建立为基础的，其建模与实现的方法可归纳为四种： 基于多边形的直接绘制法( 简称直接建模法) 、场景模型导入法和基于图像的绘制 方法。 。 ( 1 ) 基于多变形的直接绘制法 基于多边形的直接绘制法又称直接建模法，这种方法适合于场景组织不复杂、 多边形数目比较少的较规范、较简单或简化的场景绘制。例如建筑物远观或大场景 的建筑点缀等等。 ( 2 ) 场景模型导入法 基于几何建模及模型导入的技术，通常利用造型软件( 如3 d ss t u d i o ，a u t o c a d 等) 手工搭建三维模型，建立场景。这种方法需要耗费大量的时间建立模型，工作 量很大，一般涉及到测量现场、定位和数字化结构平面或者转换现存c a d 数据； 其次很难校验其结果是否精确。其漫游场景是由计算机根据一定的光照模型绘制， 色彩层次没有自然景观丰富，带有明显的人工痕迹，即使采用贴图渲染也不能逼真 地再现现实世界。 由于建模软件的功能日益强大，设计中人们的分工日益明确，人们可以利用日 益精细的建筑模型和丰富的模型库资源束加快设计，这一基于几何建模的模型导入 技术已成为当今建模领域的主流技术。 ( 3 ) 基于图像的绘制方法 这种技术首见于q u i c kt i m e 系统。它采用实时图像图形处理来生成三维观察效 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 果，用方向不受约束的图像( 包括3 6 0 度漫游所需的信息) 代替了电影片段，用实 时图像代替了电影播放。这种方法的一个缺点是在景点切换时会有跳跃。 基于图像的绘制方法的实现，是利用摄影设备连续扫描周围空问的真实图像。 要求精度高时，要利用激光扫描仪来获得真实图像数据。这种绘制方法不依赖于 几何模型，可以避免复杂的三维建模工作，所以更适合复杂的自然风光、地景的漫 游。 1 2 三维可视化技术 可视化是指在人脑中形成对事物的图像、促进对事务的观察及建立概念的一个 心智处理过程 4 1 。1 9 7 8 年提出的科学计算可视化，将科学数据转化为图形图像使 研究者可以观察、模拟以及计算。美国的m a c e a c h r e n 教授和荷兰的k r a a k 教授在 2 0 0 1 年给出了空间数据可视化的书面定义“空间数据的可视化是集科学可视化、计 算技术、制图学、图形处理与分析、信息可视化、视觉的数据探索、地理信息系统 为一体的一门新兴理论与方法，其为空间数据的合成、探索发现、表达提供理论、 技术与方法支持 5 j 。 三维可视化是数字城市模型被准确理解、自然交流和灵活互动的最基本形式， 也是人们与空间信息进行自然交互越来越重要而普通的方式。可视化技术可以让用 户对虚拟世界中的对象进行操作，与虚拟世界直接进行交互。 与传统的c a d 场景相比，数字城市模型具有一些特殊的可视化特点： 模型简单：数字城市模型具有相对简单和规则的形状、结构以及分布性。因 此可以将城市模型用些几何元素来表达，而复杂的城市对象可以由一些相对简单 的对象组合得到。现在很多数字城市模型项目大多通过摄影测量技术产生，一些细 节特征则通过将照片作为纹理贴图表示，受原始数据精度、生产费用和应用目的等 因素的影响，这些模型都相对简单。 场景较大：数字城市模型一般用来表达较大范围的场景，如一个城市或一个 地区。当在地面漫游时，每个时刻可以看到的内容只是整个场景的一部分。如果采 用视点依赖的动态调度机制，即使数据不能完全装入内存，漫游时的效果也不会收 到影响。在漫游的过程中，由于可见内容的不断变化，在物理内存和显存中的数据 也会相应的变化。 细节层次模型l o d ：作为三维可视化和空间分析应用的空问数据类型，l o d 数掘被广泛用于数字城市模型应用的各个方面。使用细节层次模型可大人减少绘制 的计算量，提高模型显示的速度。对指定范围的三维城市模型建模时，通常可以准 4 硕士学位论文 h i a s t e r st h e s i s 备多个细节层次模型用于数字城市的实时可视化的需要。 纹理使用率较高：数字城市模型建模中使用的纹理贴图的比例随着计算机技 术的发展以及人们对真实感期望值的提高在不断增加。由于分辨率的提高造成了纹 理数据量的剧增，系统中的纹理数据量过多有时会造成系统的明显停顿，这样就会 影响用户使用的满意度。 1 3 论文研究的背景和意义 随着信息技术的不断发展，全球定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 和地理信息系统( g i s ) 已成为科学研究的重要技术手段，人们开始解决对真三维空间信息的表达。城市是 人口、资源、环境和社会经济等要素高度集中的地区，是人们从事政治、经济和文 化等活动的中心，也是信息最密集的地方，所以对数字城市的研究成了3 s 领域内 的一个研究热点。数字城市可以将整个城市各个方面的信息，包括地理环境、基础 设施、自然资源、社会资源、经济资源以及人文资源等以数据的形式进行采集和存 取，通过计算机进行存储、管理和体现，对各种信息进行专题分析，实现城市资源 在空间上的优化配置，在时间上的合理利用，以达到城市的可持续发展目标。 数字城市模型作为城市的三维逼真描述，为城市建设和规划等相关领域提供了 具有真实表现力的应用模型。英国伦敦大学高级空间分析中心b a t t y 教授领导的研 究小组进行了一词世界范围内广泛的调查研究，截止2 0 0 0 年确认有6 3 个城市建立 了一定规模的三维城市模型应用，其中3 8 个城市的人口在1 0 0 万以上，结果表明 越是经济发达的城市其应用的规模越大。国内从9 0 年代开始，在北京、一上海、广 州、深圳等大城市也陆续丌始了三维城市模型存城市建设相关领域中的应用。 随着数据采集手段如激光扫描、摄影测量等技术的发展，三维模型数据的细腻 程度和精度都在不断的提高，但随之也带来了场景的复杂性增加，并使数据量激增。 三维显示硬件技术的发展速度已经不能满足数据量日益增长的需要，即使是硬件水 平最好的计算机也无法实时显示所有的数据；而且硬件技术的发展使得各种各样的 硬件终端不断出现，这些终端的性能特点各有差别，即使是同一类型的终端也会存 在性能的差别；随着信息技术的发展，不同的技术应用随之产生，各种应用的功能 的差别导致操作的差异，造成用户操作复杂性增加，如何尽可能的自动简化用户的 操作，是必须研究的问题。 在城市空问信息三维可视化系统中，如何在个人终端上高效率地实时绘制大规 模的地形、地面建筑以及植被景观等也是一个关键性问题。长期以来，对数字城市 模型显示技术的研究一直围绕着显示速度和真实感这两个方面展开。显示速度和真 5 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 实感是一对相互影响的因素，图像的真实感越高，需要的计算量和计算时间就越多， 其显示的速度也将降低。相反，如果减少绘制时间，则显示结果的真实感也将相应 的降低。如何在不同的系统环境条件下，自动调节显示速度和真实感的关系，使用 户可以得到最满意的效果，是自适应l o d 研究的内容。 。 要解决数据量过大引起的显示速度下降问题，单纯依靠硬件的发展是不可行 的，我们不仅要提高场景绘制速度，还要引入自适应机制，根据不同的硬件能力、 数据量、用户要求等各方面因素，综合作出调整，满足用户的主要功能需求。数字 城市模型的自适应l o d 技术可以帮助人们解决在硬软件环境与数据量之间不匹配 时的矛盾，并可以适应不同的硬件环境。对于同一个应用，如果硬件环境得到升级， 自适应l o d 技术依然起作用，并呈现出更好的调节结果。通过研究数字城市模型 的自适应l o d 方法，可以大大提升数字城市模型在线交互的效率和可视化效果， 扩展数字城市模型的应用范围，推动数字城市研究领域的发展，满足其日益增长的 社会化需求。 1 4 论文的研究目标和内容 本文提出了数字城市模型自适应l o d 方法，有效的减少了复杂建筑模型需要 绘制的几何数据，从而提高绘制效率，为数字城市的可视化提供了相对更多的时间 预算：数字城市模型自适应机制提供了有效的绘制时间调节模型，为日益增多的数 字城市模型应用提供了在条件受限时的解决方案。论文的研究内容如下： ( 1 ) 数字城市模型自适应技术瓶颈分析：在总结参考现有的二维地图自适应 可视化相关内容的基础卜，根据数字城市模型自适应可视化的流程特点，归纳提炼 为三种相互关联的自适应技术：即数据管理自适应、调入速度自适应、绘制性能自 适应，并从这三个方面综述了国内外相关的研究现状，对其中的技术难点进行了深 入分析。 ( 2 ) 改进的l o d 算法：使用具有不同细节的描述方法来得到对同一场景中供 绘制使用的物体的描述模型，称为细节层次( l e v e lo f d e t a i l ，简称l o d ) 模型。多分 辨率模型是一种支持对同一个场景中的不同物体或同一物体的不同部分，使用具有 不同的细节层次的描述方法的数据结构，它是l o d 技术的发展和延伸。本文提出 了一种经过改进的基于边折叠的l o d 模型简化算法，不仅缩短了模型简化的时间， 也保持了原始模型的特征，使场景不会出现失真的效果。 ( 3 ) 数字城市模型限时自适应l o d 方法：针对数字城市模型的实时可视化应 用，本文提出一种限时自适应l o d 的技术框架。根据硬件条件和数据处理内容， 6 硕士学位论文 m a s t e r s - r t t e s i s 对每一帧中绘制场景内容所需要的时间进行准确预测，为自适应调节数据装载和绘 制过程提供依据；提出了限时自适应l o d 选择方法，根据对象的绘制时间估计和 重要性计算结果，为每个模型选择合适的l o d 层次以使总绘制时间不超出预算。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章数字城市模型白适应l o d 关键技术 2 1 数字城市模型自适应技术瓶颈分析 在数字城市模型的可视化中，显示的速度和效果是用户最终感受的直接内容， 但二者不可兼得。若想得到较好的显示速度，效果势必不尽如人意，然而若一味追 求效果，那么用户也许没有那么多等待的耐性。所以我们要在速度和效果之间寻求 一个平衡，在保证速度的前提下让显示的效果尽可能的好。 由于数字城市模型数据量的急剧增长，三维显示硬件技术的发展速度已经不能 满足数据量日益增长的需要，即使是硬件水平最好的计算机也无法实时显示所有的 数据；硬件技术的发展使得各种各样的硬件终端不断出现，这些终端的性能特点各 有差别，即使是同一类型的终端也会存在性能的差别；在浏览数字城市模型时，用 户对于系统的响应时间都有一个限度，超出一定时问的延迟或停顿都会影响用户的 满意度，因此如何在限定的时间内，自动适应数据量和机器性能等客观条件的变化， 从而绘制出最佳的场景图像，已经称为制约虚拟地理环境、数字城市和数字地球等 应用的关键科学问题之一。这也是数字城市模型自适应要研究解决的问题。 三维城市模型是在二维地图的基础上发展起来的技术，具有相同的处理对象空 间即整个地理空间，其面对的用户种类也相似，因此三维城市模型的自适应可视化 的研究与二维地图有很多相同之处，但二者之间也存在不同。 在_ _ 维地图的自适应呵视化中，由于图形绘制本身已经不是瓶颈，所以萸侧蕈 于研究数据的表现形式，其对于可视范围内要素的绘制与否的取舍丰要是解决二维 平面中重叠等原因造成的视觉冲突、提高整体视觉效果等方面的考虑，而并非针对 显示效率问题。对于数字城市模型的自适应可视化，虽然不存在二维中的对象冲突 等问题，但场景的显示效率本身却成为问题，缺少用户可接收的帧速做保证，其他 的各项针对用户的自适应也无从谈起。因此针对显示效率因素的自适应也应该是数 字城市模型自适应可视化研究中的重要问题。 2 2 数字城市模型白适应技术内涵 2 2 1 自适应的定义 “自适应”一词目前还没有统一的定义，在心理学上，一个行为或品质是自 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 适应的，意味着它能够在一个正在变化的社会环境中帮助个体调整并很好的执行功 能。r 0 b e r t s o n1 6 j 给“自适应系统”的定义为：自定义系统在系统运行时持续地监控 系统成功访问目标的过程，当系统监控到出现系统功能无法顺利实现时，将进行自 动修改以更好的实现目标。自适应系统预定义多种实现同一个目标的方法，每种方 法都有自己的适用条件。自适应系统的基本特性：高可靠性、连贯性、适应性、安 全性、可用性和正确性。 自适应的本质是指在两个不同的系统在通信时，可以通过改变系统自身的资源 来促使这两个系统间通信的顺利。自适应可视化系统就是根据系统的自身的资源、 设备、数据等自动的采用合适的条件去表达最佳的可视化效果。任何自适应系统的 基本结构都是建立在自适应对象基础上，该自适应对象能随系统特征或方法进行调 整，而系统方法又需要自适应目标的有关信息。 空间数据的自适应可视化是根据用户屏幕的显示能力，为用户定制个性化数据 产品，保证用户屏幕显示的内容为合理的数据，使用户获得最大信息量，从而满足 各种用户的多层次需求1 7 j 。 2 2 2 数字城市模型自适应研究现状 为了定义数据的统一描述和存储结构，以方便数据的处理及应用，在数据模型 和数据结构方面，m a r t i n1 8 】将传统的多媒体形式的编码转换扩展到三维数据，描述 了一种通过网络绘制三维模型的自适应环境的设计和实现。这个环境监视资源的可 用性，并选择合适的传输和表现形式以匹配这些资源。 针对三维模型的渐进传输和绘制，已经有了数量较多且较广泛的优化方法。这 些技术包括为减少存储需求以及快速传输而提出的二维模型搓缩，为提高图形性能 而提出的模型简化和l o d 管理等。为了对数据的调度速度进行优化，并使调度速 度时间可以预计，h a i s t1 9 l 提出了一种在公共网络上自适应的流式传输复杂三维g i s 数据的方法，该方法将描述高细节的三维城市模型的几何和纹理数据以流方式传输 到客户端。为了显著减少传输的数据量，采用了l o d 的概念，并以一个预测的方 法来预判用户的导航方向。通过估计将来的视点参数，服务器端选择一种能充分利 用带宽的三维对象的表现传送到客户端。通过折中方式，可以确保仅仅用户相关的 数据被传递。刘华io 】从空间数据的可视化完整性角度，按照几何对象的相对精度实 现渐进式传输，以满足海量数据的传输要求，并保持空间数据在可视化过程中的完 整性。 目前，数字城市系统的最大难点在于建模逼真度和绘制实时性的矛盾。由于这 9 硕士学位论文 i 江a s t e r st he s i s 种应用所看到的景象距观察者近，就要求绘制非常逼真。因此，建模时构造要精细， 会消耗很多时间。同样，由于计算机性能的制约，构造出来的模型越复杂，在绘制 时要达到实时效果就越困难，实时性太差就会使观察者无法接受。这对矛盾是整 个虚拟现实系统普遍存在的。一般来说，需要在精确程度和绘制速度两方面取一个 折衷值，即既满足一定的绘制真实感，又不造成观察者的动态不适感。 为了根据客观的数据和硬件条件变化自动调节系统，以保证在限定的时间内达 到最好的图像效果，f u n l ( i l o u s e r l l l 】等人从离散l o d 管理的角度提出了自适应可视化 算法，它通过控制调节对象l o d 和绘制方法来保证在满足用户指定的期望帧速的 前提下，达到最佳的图像输出效果 目前，三维可视化方面的成熟软件主要有v e g a ，g o o g l ee a r t h ，v i r t u a le a r t h 等， 其中部分软件实现了一些基本的自适应可视化方面的功能。 v e g a 中包含了对三维模型多细节层次的管理和调度功能，可以实现多种方式的 l o d 切换，支持切换过程中的m o r p h 变换。但其l o d 切换机制主要是依据数据中 预设的距离阙值进行，当硬件环境改变时绘制帧率不能自动作出调整，因此无法保 证稳定帧率。而且数据的加载需要在初始时一次完成，对于海量数据会因内存不足 无法处理。 g o o g l e 公司推出的g o o g l ee a r t h 对地表地形和遥感照片成功地进行了网络上的 渐进可视化，并根据用户观察视角不同即时发送给用户不同分辨率的图像。当客户 端视图变化时，会自动将视图信息发送给指定的源服务器并从服务器获取相关的标 注信息。g o o g l ee a r t h 可以针对不同的地区分别显示高分辨率或低分辨率的卫星影 像，还支持对客户端硬件条件的自适应，硬件配置较低的电脑也可以安装和使用它 来浏览全球各地的地表三维景观。 2 2 3 数字城市模型白适应内容 数字城市模型数据从进入数据库到最后的可视化应用的整个过程中有多个环 节，在实际应用中每个环节的要素都有所不同，例如对于同一个软件的不同应用， 可能会出现数据不同、网络连接速度不同、客户端性能不同、用户要求不同等多种 情况。理想的情况下，应该不需要更换软件就可以f 常运行，而这需要此软件能够 自动适用这些变化。数字城市模型的自适应可视化就是研究从数字城市模型数据进 入数据库到最终可视化应用的整个过程中，针对各个环节的变化要素，系统进行自 主调节以相应变化，并使结果最优的相关技术。 根据数字城市模型可视化过程中的数据流环节，本文将整个过程分为三个部 l o 分：数据管理自适应、调入速度自适应和终端显示自适应。 调入速度自适应 】 目2 一l 赦7 城m 壤坚自 关键技术 数据管理自适应 数据管理自适应研究数字城市模型数据进入数据库阶段，这一阶段的变化要素 包括：数据格式差异、数据量差异和数据的重要性差异。 为了统一组织、管理和成用不同格式、不同来源的数据，需要定义多细 ，层次 表达模型；在数据传输速度受到限制的情况下，字问数据的多分辨率表达是减少传 输时间、提高用户端响应时m 、实现在线多分辨率查询的有效途径之一，也足实现 l i 适应l 叮视化的前提条件f j = ! l 。帕动态多分辨率4 皿化f - j 以对用户感兴趣的区域进行 动态高分辨率显示，从而能够根据用，o 的不同需要实现局部小同比例可视化，有助 r 用户对宅问数据进行进步的探索分析。 数字城市模型的应川对响应时问要求较高，例如三维漫游一般要求达到实时， 即每秒绘制的帧数至少要达到2 5 帧。在每两帧问隔内。不但要将数据调入内存还 需要完成对数据的绘制，凼此需要有高效的数据管理和查询机制【1 3j ；可以根据数据 量的不同，将数据进行合胖的划分，并建立高效的三维索引，这样可以缩短数字城 市模型在数据库中的查找工作。 城市并不是一成不变的，所以作为城市的仿真，数字城市模型在使用 i _ l 也是随 肴城l 的改变而改变的。数字城市模型数据库在使川过程中会f i ；ij i 插入和删除等操 作引起数据库内容的变化，而通过查询历史记录可以统计分析出数据的使用频率， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 针对这些变化和规律可以建立数据库的动态调整技术，以优化数据库性能，节约数 据在调入客户端内存的时间。 调入速度自适应 调入速度自适应研究模型数据从三维模型数据库调入到客户端内存的阶段，这 一阶段的变化要素包括：调入速度差异、网络传输速度差异、调度模型数据量差异 和调入时间要求差异。 随着数字城市建设与应用服务的不断发展，数据量的急速增加使数据的存储与 网络传输问题日益凸现。如何对海量数据进行有效、快速的处理，已成为数字城市 研究中的一个关键问题。数据压缩是解决该问题最常用也是最有效的方法之一。高 效的压缩解压算法可以改善三维模型数据的传输速度，进一步可以节约时间以调入 跟过或更详细的数据。 数字城市模型数据库往往包含海量的数据，其数据量远远超出计算机核心内存 容量，例如由于相片质感的逼真性要求，总是涉及大量丰富的集合、纹理和属性等 信息的混合应用。按常规可视化机制一次性把所有数据都转载到计算机内存后再进 行显示会导致计算机内存等资源的严重不足。根据视点当前所在位置，从多尺度数 据库实时检索并装载一定范围内特定对象的数据是解决此问题的必然选择。 在三维漫游过程中，常规的数据库都是被动式的，即由应用程序提出请求，数 据库端相应的做出响应来提供数据；例如根据当前视点的运动趋势、最近数据的调 度频率等可以预测最近可能会需要的数据，利用数据库的空闲时问预先准备好这些 数据，就可以缩短系统的响应时间。 绘制性能自适应 绘制性能自适应研究数据从客户端内存到显示终端的阶段，这阶段的差异主 要表现在客户端性能、需要绘制的数据量和时间预算等方面。针对这些闯题的关键 技术包括渐进绘制机制、限时绘制算法和绘制效率优化策略。 当在场景中穿行或以飞行的方式进行数字城市模型的浏览时，城市景观是以动 画的方式展现出来的。理论上每屏幕图像帧的数据内容都可能不一样，要保证动 态数据显示连续流畅( 至少1 5 2 5 帧的刷新速率) ，必须根据相匹配的图形绘制质 量对场景绘制的刷新频率进行优化，进而控制场景内容的不断更新，即渐进绘制的 思想。渐进绘制是解决实时绘制中普通的逼真度与性能矛盾折中的最有效的方法， 可以最大限度地减少数据动态转载和实时处理的工作量。 三维显示是三维模型数据应用的一个重要环节，如何在现有的硬件基础上，高 效、逼真的表现建筑物三维场景，是当前三维技术的一个热点问题。为了减少用户 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的等待，尽可能的减少绘制阶段所用的时间，研究能够提高绘制效率的优化策略具 有重要意义。 由于数据量的原因，即使在绘制效率最优化的情况下，还是可能出现绘制时间 超出预算的情况，常规的策略是通过配置可视化范围等参数控制总绘制数据量进而 控制绘制时间。但当在不同的客户端打开相同的数据时，由于客户端性能的差异( 如 显卡、内存、c p u 、存储空间、操作系统、网络环境等方面的不同) 引起的绘制速 度和计算速度等差别，原有的配置参数将失去作用，需要重新配置。同样的结果也 发生在同一客户端下更换不同的数据时。限时绘制算法针对此类情况，通过调整场 景中需绘制对象的细节层次来保证绘制时间满足预算。 2 3l o d 技术 2 3 1l o d 的定义 l o d ( l e v e lo f d e t a i l ) 即细节层次技术，它是指对于同一个物体使用一组具有 不同细节程度的模型对象，不同细节程度模型的多边形复杂度也不一样，细节程度 越高模型对象所包含的多边形的数量也越多1 1 4 1 。对同一个场景或场景中的物体，使 用具有不同细节的描述方法得到一组模型，绘制时浏览器会根据用户的视点离该物 体的远近自动显示相应的模型。同一个物体，把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是不一样的，在视点离物体比较远的情况下，再 详细的模型，也只能看到大概的轮廓，因此如果此时仍然选用细节非常详细的物体 模犁参与该模型远景的生成，则是一种浪费。应该用一个相对比较简单但又能表现 其主要轮廓的模型取而代之。 对于建立模型来说，如果模型建立的很精细，自然可以让用户有一种真实感， 但是这样精细的模型数据量非常大，严重影响了显示速度，不能很好的满足用户的 实时性要求；但是如果为了追求实时性和速度，就只能使用粗糙的模型，这样又会 影响用户的真实性。如何在精细程度和绘制速度两方面达到平衡时一个很大的难 题。l o d 技术就可以比较好的解决精细程度和绘制速度之间的矛盾。在对象距离观 察者视点较远的时候可以使用粗糙的模型，这样既不影响视觉效果，计算量也比较 小；当视点距离对象较近时，使用精细的模型，因为此时视线范围比较小，需要绘 制的对象不多，所以即使绘制精细的模型，也不会使计算量过大而影响实时的绘制 时问。 建筑物模型在数字城市模型中占有相当大的比重，建筑物模型的可视化效果对 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 于整个数字城市模型的逼真表达具有其它地物类型不可替代的作用。然而建筑物模 型所具有的相片质感的逼真纹理和复杂的三维几何结构造成了数字城市模型应用 时高度逼真表现和系统性能之间的矛盾。由于不同专业领域对建筑物模型的真实感 表现有不同程度的需求，细节层次技术成为数字城市模型研究中的有效方法之一。 在使用l o d 技术时，通常可以为一个对象创建三个不同 2 3 2l o d 简化技术实现的基本原理 光照模型：光照模型利用光照技术得到物体不同细节层次，可以对较少的多边 形模型使用改进的光照算法，得到与较多多边形模型相似的效果【1 5 1 。 纹理影射：该方法用纹理来表示不同的细节层次。精细细节层次的模型的纹理 可以用带有纹理的多边形代替。 多边形简化：多边形简化算法是输入一个精细模型，输出一个跟原模型相似， 但多边形数量要比精细模型多边形数量减少很多的简化模型，并保持原模型重要的 视觉特征。 2 3 3l o d 数据的处理方式 大多数模型简化算法都以对l o d 数据的处理为核心，根据l o d 数据的处理方 式，可以将其算法大概分为以下三类： l 、离散l o d 的管理 离散l o d 的技术出现较早，而且应用简单，所以得到应用比