（大地测量学与测量工程专业论文）argis可视化关键技术研究.pdf

硕士论文摘要 摘要 增强现实技术从虚拟现实技术发展而来，其主要通过将虚拟世界 与现实相融合，对真实世界进行信息增强。增强现实地理信息系统 ( a r g i s ) 顾名思义是将增强现实( a u g m e n t e dr e a l i t y ，a r ) 与地理 信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 相结合的技术。 目前的大多数g i s 平台往往缺乏与真实场景的交互，而很多应用场合 确实需要一套能现场交互及对现场进行信息增强的系统，即a r g i s 系统。a r g i s 作为g i s 的一个新的研究方向，有诸多待解决的问题。 本文从应用的角度入手，研究了a r g i s 可视化的若干关键技术。主要 包括a r g i s 中文字注记方法的研究、大规模矢量数据的可视化方法研 究以及三维建筑模型的快速建立。具体如下： 1 本文对a r g i s 环境中文字注记的可视化进行了研究，提出了基 于视点的动态注记方法。当视点方位发生变化，注记的位置和朝向随 之变化，从而对象的属性信息得到实时、动态的可视化效果。 2 研究了基于d e m 的二维矢量线、面到三维环境中线、面模型的 快速转换技术，采用了多种转换方法，并比较了优缺点。另外，采用 数据简化和矢量绘制与纹理渲染混合的可视化策略既保证了可视化 效果，同时也提高了可视化效率； 3 研究了从二维建筑平面数据快速建立三维建筑模型的方法，为 a r g i s 中三维建筑模型的自动转换提供了解决途径。 最后，本文采用c + + 语言和o p e n g la p i 开发了a r g i s 实验系统， 并在北京大学校园进行了实验。实验结果表明，本文所研究的面向 a r g i s 的可视化方法确实可行。 关键词：a r g i s ，可视化，模型转换，注记 a bs t r a c t a u g m e n t e dr e a l i t y t e c h n o l o g yd e v e l o p e d f r o mv i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g y i tw o r k so na u g m e n t i n gr e a lw o r l db yi n t e g r a t i n g v i r t u a l w o r l da n dr e a lw o r l d a st h en a m ei m p l i e s ，a r g i sc o n t a i n st w o t e c h n o l o g i e s ，i e ，a rt e c h n o l o g ya n dg i st e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h e m o s tg i sp l a t f o r m sa r eu s u a l l yl a c ko fi n t e r a c t i o nw i t hr e a ls c e n e s ，b u t m a n ya p p l i c a t i o n sd on e e dap l a t f o r ms u p p o r t i n gt h i sf u n c t i o n a san e w r e s e a r c hd i r e c t i o no fg i s ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m st ob er e s o l v e d i nt h i s p a p e r , s o m ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u tv i s u a l i z a t i o ni na r g i s ，i e ，t h ew a y o fd y n a m i cn o t i n g ，v i s u a l i z a t i o no fl a r g e s c a l ev e c t o r d a t a ，a n d c o n v e r t i n go fb u i l d i n gm o d e l ，a r es t u d i e d 1 ad y n a m i cn o t i n gm e t h o di sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i tc h a n g e st h e p o s i t i o na n dd i r e c t i o no ft h ea t t r i b u t ew i t ht h ee y ep o i n t 2 at e c h n o l o g ya b o u tc o n v e r t i n gt w o d i m e n s i o n a lv e c t o rd a t ao f1 i n e a n df a c et ov i r t u a lm o d e li nt h r e e d i m e n s i o n a ll a n d s c a p ei ss t u d i e d f u r t h e rm o r e ，t h ee f f e c t sa n de f f i c i e n c yo fv i s u a l i z a t i o na r ei m p r o v e db y u s i n gm i x e d v i s u a ls t r a t e g i e s 3 am e t h o da b o u tc o n v e r t i n gt h r e e d i m e n s i o n a lb u i l d i n gm o d e l s f r o mv e c t o rd a t aq u i c k l ya n da u t o m a t i c a l l yi ss t u d i e d i nt h ee n d ，a ne x p e r i m e n t a ls y s t e ma b o u ta r g i si sd e v e l o p e du s i n g c + - fl a n g u a g ea n do p e n g la p i ，a n dd i ds o m ee x p e d m e n t si np e k i n g u n i v e r s i t yt ot e s tt h es y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h e w a y so fv i s u a l i z a t i o ni na r g i sh a v eg o o d e f f e c t s k e yw o r d s ：a r g i s ，v i s u a l i z a t i o n ，m o d e lc o n v e r s i o n ，n o t e 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：吕l 虱埠 日期：耳年鱼月卑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：华盐聋导师签名越日期：吗年上月习 硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 上世纪8 0 年代末期，随着对地理信息系统的研究与应用不断深入，很多学 者开始了对三维地理信息系统的研究。早期，这方面应用主要面向地质、矿山 等特殊应用领域，因此对三维地理信息系统的研究主要集中在建立栅格化的数 据模型以及进行一些面向地下的空间分析，功能比较单一。最早的3 d g i s 系统 是由k a v o u r a s 和m a s r y 开发的，该系统了主要用于对矿产资源评估和开采提供 决策支持n 1 ，具有一些较为简单的空间分析的功能。随后，b a k 和m 订1 开发了 基于3 d g i s 的资源管理系统嗍，虽然该原型系统中存在较多缺点，但在空间分析 的研究方面较之前已经取得了很大的进步。这些早期的3 d g i s 系统在技术上取 得了诸多成果，但其功能也具有很大的局限性，无法投入到实际应用中。随着 信息技术的不断发展，简单的三维查询、显示等功能已不能满足人们的需求。 于是，许多g i s 系统开始集成三维可视化技术和传统的g i s 技术，并结合飞速 发展的数据库技术，研究海量数据的存储及可视化。b r e u n i g ，b o d e 和c r e m e r s 在1 9 9 4 年研发出了一个三维g i s 原型系统硌1 ，该系统运用面向对象的数据库技 术对数据进行管理并将几何操作嵌入其中，解决了很多空间查询方面的问题， 例如对象相交和相并等。美国国家地理信息和分析中心( n c g i a ) 己开发出一种基 于域( f i e l d b a s e d ) 的三维地理信息系统h 3 ，该系统将t o m li n 提出的基于域的模 型的操作扩展到三维空间，对三维空间操作进行了较为全面地分析。目前，许 多专业g i s 系统纷纷加入了3 d g i s 模块，如t i t a n 3 d 、a r c v i e w 3 da n a l y s t 、e r d a s 、 g e o s t a r 、i m a g i n e 等。这些系统中的3 d g i s 模块通过在三维地形数据上叠加遥 感图像数据，可以在三维环境下，提供三维飞行浏览和地形分析功能。三维系 统在实景仿真方面已经取得了较大进展，如今大家甚至可以通过g o o g l ee a r t h 上的虚拟城市饱览各地的风景。 为了提高人机交互性，人们开始研究将虚拟现实( v i r t u a lr e a lit y ，v r ) 与 g i s 结合。并使用了虚拟现实描述语言( v r m l ) ，为v r g i s 的发展开辟了新方向嘲， 国内外已经有一系列代表性的成果。如乔治亚工学院校园描述系统嘲、v e r b r e e 等人( 1 9 9 9 ) 将v r 与3 d g i s 结合，开发的3 d g i s & v r 系统口1 ，另外，将v r g i s 应用于 自然景观重构方面，也取得了很好的效果。v r g i s 的应用领域包括城市规划、环 境、以及军事等方面，v r g i s 的特点之一是v r 与g i s 的松散结合1 。尽管g i s 管理 着真实反映户外现实的部分或者大部分信息，但与人眼观察的现实世界相比这 硕士学位论文第一章绪论 些信息是远远不够的嘲。 在很大程度上，3 d g i s 、v r g i s 等的研究目的在于更直观、更逼真的表达现 实世界，但目前任何计算机模拟与真实的现实世界相比，缺乏现实的身临其境 感n 们。除了已知的移动g i s ( m o b i l eg i s ) 之外，目前其他g i s 系统还限于户内作 业，而移动g i s 的研究目前主要集中在移动通讯终端的空间数据传输和处理方 面u 。g i s 的主流应用包括几乎所有的决策、规划、管理等系统，其工作只能先 于户内的计算机平台或大屏幕投影面前，难以走出户外，g i s 只能在室内设计和 规划户外的工程建设。在考古、灾害实地处理等方面恰恰需要在户外实时与真 实场景之间进行模型交互、注记显示、迭加分析等，而这些正是增强显示地理 信息系统可视化需要研究的内容。 1 2 增强现实( a u g m e n t e dr e ai t y ，a r ) 技术 a r 技术是将计算机生成的虚拟信息叠加在真实场景上，借助感知和显示设 备，将虚实信息融为一体，最终呈现给观察者一个感观效果真实的环境n 幻，它是 一种通过将计算机产生的图形、文字注释等虚拟信息有机地融合到使用者所看 到的真实世界景象中，对人的视觉系统进行景象增强或扩张的技术“1 4 1 。增强 现实技术在计算机生成的虚拟环境与真实环境的沟壑间架起了一座桥梁，是对 真实环境的有效扩充n 钔。与传统虚拟现实技术所要达到的完全沉浸的效果n 蝴不 同，增强现实技术致力于创造一个虚实结合的世界。它将计算机生成的物体叠 加到真实景物上。通过诸如头盔显示器、普通显示器、甚至是手机屏幕等多种 视觉设备，为用户实时的提供一个虚拟信息和真实景物相融合的场景。增强现 实技术最基本的目的是通过这个融合之后的场景为用户决策提供支持。随着模 式识别技术和传感器技术的发展，使用者可以通过诸如数据手套、定位系统、 视频标记、甚至是肢体语言等各种方式与混合场景中的虚拟物体进行交互。增 强现实技术具有非常广泛的应用领域，例如在工作中提供辅助信息、交通导航、 支持灵活有效的计算机辅助设计界面和在训练或学习中的增强理解。突出的工 作如9 0 年代波音公司的t o m c n a d e n 和他的同事在其设计的一个基于增强现实的 辅助布线系统；t h o m a s ( 2 0 0 0 ) 在总结他人研究成果的基础上，开发了面向增 强现实的户外q u a k e 游戏n 8 1 等。 增强现实技术实际上为人和计算机之间的交互提供更加自然的接口。此外， 在增强现实环境中可以让用户在看到虚拟物体的同时，仍能看到真实的场景。 由于它在医疗、军事、工业、教育、娱乐、文化等领域具有广泛的应用前景， 受到研究者越来越多的关注。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 3a r gis 技术 1 3 i a r gis 的提出 a r g i s 的最大特点在于将传统户内静态的人机交互方式转变为户外的动态 的交互方式，同时将传统g i s 的虚拟世界与客观真实世界融为一体，从而构造一 个虚实融合的真正意义上的“人为世界。可以看出a r g i s 涉及一系列前沿性理 论技术，特别是增强现实技术的引入，使得a r g i s 的研究比g i s 的研究所涉及的学 科范围更为广泛。已经有一些学者在a r g i s 理论研究方面做了大量研究，孙敏 ( 2 0 0 4 ) 提出了a r g i s 的概念：a r g i s 是对客观地理世界进行数字化描述、存贮、 管理，同时又能将这种描述与真实世界的景象融为一体、并给出指定对象的空间 信息、提供户外移动式信息交互的一类地理信息系统嘲。杜清运等( 2 0 0 7 ) 提出 a r g i s 的意义在于将移动计算和增强现实的技术应用到传统的空间信息服务中， 改变传统的基于位置的服务机制，使作为主体的人、作为客体的真实世界以及 经由网络传输的数字世界三者无缝地结合起来，实现不受任何时间和空间局限 的互动，从而改变人与数字世界、人与真实世界的交互模式，为基于空间的作 业系统提供全新的作业模式n 卵。 图卜1a r g i s 的组成结构9 】- 1 3 2a r gis 的组成结构 a r g i s 至少应具有图卜l 所示的结构，真实景观及相关现实环境相关信息 ( 如环境光、实体色彩等) 通过c c d 摄像机获取，所获取的二维图像需要通过影 3 硕士学位论文第一章绪论 像配准等一系列图像处理。虚拟景观则由获取的空间几何数据与实体纹理数据， 通过三维建模构建得到。通过g p s 定位设备及相关的测姿测向设备，在空间数据 库中查询与真实环境相匹配的虚拟景观，在头盔显示器上与真实景观相融合。头 盔显示器有光学穿透式与视频穿透式两类，不同的头盔显示器有不同的工作原 理，图1 - 1 中a r g i s 的结构使用是针对视频穿透式头盔显示器。 1 3 3a r g is 的研究进展 将a r 技术应用于g i s 领域是近几年才开始的，总的老说，对a r g i s 的研究 集中在对以注册技术为主的a r 关键技术与a r 技术应用方面。代表性的成果如： 基于增强实现技术的圆明园现场数字重建n 酊，该系统提出三种a r 系统，即定点 观察式、手持数据助理p d a 式和基于头盔显示器的可穿戴时a r 系统，但主要研 究集中在定点观察方式，使得应用受到很大限制。山东师范大学的常勇等对基 于a r g i s 技术的小区管线三维可视化作了相关研究，采用a r t o o l k i t 开发了地 下管网的增强现实系统啪1 ，该系统主要采用计算机视觉的方法进行三维注册配 准，由于户外环境的复杂性，而基于图像的三维稳健注册本身也是一个难点， 该系统应用还需要进一步研究。 综上，大多数研究集中在图像的三维注册和配准方面，随着g p s 和姿态测 量设备精度的提高，这些技术难题有了更多的解决办法。 1 43 d gis 可视化研究现状 可视化理论与技术用于地图学与g i s 始于上世纪9 0 年代初。国际地图学协 会( i c a ) ，1 9 9 3 年在德国科隆召开的第1 6 届学术讨论会上宣告成立可视化委员 会( c o m m i s s i o no i lv i s u a l i z a t i o n ) ，其主要任务是定期交流可视化技术在地 图学领域中的发展状况和研究热点，并加强与计算机领域的协作。1 9 9 6 年该委 员会与美国计算机协会图形学专业组( a c m s i g g r a p h ) 进行了跨学科的协作，制订 了一项称为“c a r t op r o j e c t 的行动计划，旨在探索计算机图形学领域的理论 和技术如何有效地应用于空间数据可视化中，同时也探讨怎样从地图学的观点 和方法来促进计算机图形学的发展暖。 g i s 研究者开始把计算机图形学的理论和技术引入，改善、促进g i s 的可视 化。目前2 d g i s 可视化技术己经逐步成熟。可视化3 d g i s 的重要研究内容。对 于3 d g i s 可视化的研究，主要集中在地形表面的重构、房屋建筑几何模型建立 等方面。 在地形表达方面，由于受地形大数据量的制约，地形的研究主要集中在多 分辨率模型的生成方面。早期的多分辨率，多采用基于t i n 的层次结构三角剖 4 硕士学位论文第一章绪论 分来生成嘲嘲，但是由于计算量大，不适合实时交互需要幽1 。k l e i n 采用一种与 视点相关的t i n 数据结构来表示交互中的集合信息嘲。当视点改变时，采用 d e l a u n a y 三角剖分法重构侧t i n 。这种方法虽然可以精确控制误差，但是局部 的修改会影响到全局，从而影响到整体速度。l u e b k e 等提出了一种基于顶点数 的简化算法，它可以对任意几何模型进行简化。h o p p e 将他提出的渐进式网格 模型也应用到地形当中，并且提供了与视点相关的支持跏。为了避免三角剖分 给全局带来影响，他在算法中将地形预先分成大小相等的若干块，在块内进行 渐进式网格剖分。由于不能解决拼接问题，块与块没有简化，这在一定程度上 影响了模型简化的效率啕1 。l i n d s t r o m 啪1 、王璐锦啪1 、马东洋口1 1 等也从其他方面 对多分辨率地形模型进行了研究。 城市建筑是3 d g i s 可视化中的一个主体内容。建筑物的建模基本上分为两 种方法：结构实体法( c s g ) 和边界表示法( b - r e p ) 。c s g 方法是采用预定义的图元 来表示模型，如立方体、圆柱等。其特点是模型关系简单，数据量小，但是由 于形体的边界几何元素是隐含的，故显示与绘制需要较长时间蚴：而b - r e p 方法 是用点、线、面和体来精确描述物体的边界。它适合于对物体空间的分析和操 作，但是数据存储量大，计算速度慢口朝。 1 5a r 6ls 可视化 a r g i s 可视化是以3 d g i s 可视化为基础的，但又有别于传统3 d g i s 可视化。 由于a r g i s 在传统3 d g i s 基础上引入了a r 技术，它强调将虚拟模型、文字注释 等虚拟信息有机地融合到使用者所看到的真实地理景象中，对人的视觉系统进 行信息增强。a r g i s 的可视化主要包括虚拟模型的快速提取，以及模型、文字注 记信息和真实场景的叠加显示。研究a r g i s 可视化就必须要研究用于叠加操作 的三维模型的快速重建、三维环境中的线、面要素的快速提取、面向a r 的文字 注记方法以及这些对象的管理、调度、简化等。 1 6 本文主要研究内容 为了在实验系统中快速实时显示需要增强的信息，本文的研究主要包括以 下几个方面： 1 、基于视点的文字注记方法的研究； 在a r g i s 中，对象的多种属性信息需要通过注记的方式表现出来，恰当的 注记使得场景内对象的属性信息一目了然，使用户能快速找到目标对象。但目 5 硕士学位论文 第一章绪论 前的注记方法大多是研究二维平面上如何注记，已有的三维g i s 系统则主要侧 重于地理仿真，注记的研究几乎被忽略了。鉴于三维环境中，注记的复杂性和 对本实验的必要性，本文对a r g i s 中的注记方法作了相关研究。 2 、大规模矢量数据的可视化； 矢量数据是进行g i s 的各种分析操作的前提，本文研究如何使用已有的二 维矢量线、面和d e m 快速提取三维环境中线、面对象，以及三维矢量的快速可 视化策略。 3 、基于建筑二维矢量数据的三维建筑模型转换 由于a r g i s 应用环境的需要，本文研究了从建筑平面矢量数据自动转换成 三维建筑模型的方法。 4 、实验系统 完成上述理论研究后，本文采用c + + 和o p e n g l 开发了a r g i s 实验系统，并 进行了实地实验，以验证上述方法，并作为后续研究的平台。 6 硕士学位论文 第二章面向a r 的三维动态注记可视化方法研究 第二章面向a r 的三维动态注记可视化方法研究 注记是g i s 中对象信息显示的重要手段，它不但影响着景观的视觉效果和美 观性，更重要的在于借助注记，让用户迅速了解目标对象。文字注记可以直观 表达自然景观之外的辅助信息，如对象名称或必要的文字信息。在二维地理信 息系统( 2 d g i s ) 中，文字注记起着非常重要的作用，常用于表达空间对象的属性 信息，如城市环境中的建筑、道路、水系等的名称与信息，另外也可以表达高 程、高度乃至一些特定的信息，如不同应用部门的专题信息。在三维地理信息 系统( 3 d g i s ) 的研究中，目前主流的研究侧重于可视化效果，往往忽略了传统 2 d g i s 中的文字注记方法，大多三维城市景观中仅提供真实的三维模型，当用户 面对这样的场景时，欲进一步了解三维对象的更多信息，需要通过人工交互进 行查询或其它特定的操作加以实现，事实上，更多的应用环境基本未考虑三维 模型的注记问题。 2 1 文字注记方法的研究现状 文字注记作为属性信息可视化的主要途径，很多学者对此作了大量研究， 这些研究主要集中在二维g i s 中。三维g i s 系统起步较晚，同时也由于其空间 复杂性，三维系统中的注记方法的相关研究目前还较为少见。 2 1 1 二维文字注记方法综述 由于文字注记在2 d g i s 的信息显示方面( 例如电子地图地名显示、二维地图 制图) 的重要性，有较多学者从事2 d g i s 注记方法的研究，提出了大量在2 d g i s 平台中的注记方法，例如：樊红等提出冲突回溯和神经元网络方法泓1 ，其核心 算法采用基于h o p f i e l d 神经网络模型求取点要素注记配置的最优解，克服了传 统的冲突一回溯方法的不足；王垮提出基于g e s t a l t 的文字注记方法啪3 ，以汉字 注记配置规则为研究对象，借助g e s t a l t 原则，从读图者心理认知的角度对以往 的经验型注记配置规则从接近性、连续性、相似性以及共同性四个方面进行分 析和解释，在此基础上，使用形式化表达方法对这四个方面进行了定量描述， 大量减少各种因素对地图图解质量的不利影响，为2 d g i s 系统中汉字注记自动配 置知识的形式化、科学化、系统化表达提供基础；余代俊等提出根据d e l a u n a y 三角形的逐点自动生成算法原理进行面状要素自动注记的方法；邓红艳等提 出基于遗传算法的点注记自动配置方法m 1 从注记配置是一个n p 难度问题这一 观点出发，尝试性地将遗传算法用于点注记自动配置。杜世宏等分析了地名注 7 硕上学位论文 第一章面向 r 的三维动态注记可视化方法研究 记自动配置涉及的关键问题，包括：注记参数、压盖地物的优先级、注记与地图 符号的关系、注记与地物的压盖检测及注记大小的自动确定等，并给出了解决方 法1 ：罗广祥等通过构造v o r o n o i 图，根据各个点状符号所在的多边形，进行注记 自动配置”。这些方法在2 d g i s 的应用中，取得了较好的效果。但是，由于3 d g i s 与2 d g i s 在对象表达上的奉质区别，使得对象与注记之间的从属关系表达、注记 之间的冲突避免、注记于三维场景自然融合等一系列问题，在解决方式上不能 延用已有的2 d g i s 注记方法。 212 三维文字注记方法综述 爹鹾 一j 龟，：二茹霹竺= 孓：淄 j 潮 l 蠢阐圈 3 d g i s 的发展相对滞后，目前专门针对3 d g i s 的文字注记方法的研究相对较 少，现有系统的注配方式很大程度上受到开发者个人喜好的影响。还没有出现 成熟的解决方案。图23 是加载在g o o g l ee a r t h 半台上的纽约市中心的截图。 g o o g l ee a r t h 作为真三维的平台，不仅构建了三维城市模型，而且也考虑了场 景中的文字注记。圈中注记由个定位点标识符和相对应的文字标记组成，定 位点标识符所在的位置即文字注记对应对象的位置，文字显示方式采用 b l l l h o r d 方式，该方法当旋转三维场景时，文字注记的位置也会随着视点的变 化而相应地改变。这种加载注记的方式对于对象较少的场景尚呵，但是当需要 标记的对象相当密集时，这种注吐方式使得本来就复杂的场景变得更加杂乱， 如图2 _ 3 所示，孜们从图上已经很难清晰看出每个建筑物的名称，文字注记与 对象之间缺乏清晰的对应关系，注记信息繁乱对三维系统的可视化产生极大影 响。 另外还有一些三维可视化软件，如m i c r o s o f t 开发的v i r t u a le a r t h3 d ( 如 图2 所示) 、m u l t i g e np a r a d i g m 开发的v e g ap r i m e 等三维软件平台，其主要工 作集中在实景的仿真上，而对于场景中对象的文字注记考虑较少。如图2 4 只 有城市环境的仿真效果，而忽略的文字注记信息。 硕士学位论文 第二章面向a r 的三维动态注记可视化方法研究 囤2 - 4v ir t u a le a r t h 效果圜 图2 - 36 0 0 9 l el i a r t h 上纽约市中o 效果图 由于空间对象的复杂性，为了直观表达三维对象的名称等重要的属性信息 本文针对不用的应用环境中主要对象，提出了不同的注记方法。城市环境中最 多也最为典型的空间对象是建筑物，本文以建筑对象为例，探讨一种便于三维 城市模型浏览观察的动态文字注记方法，该方法也适于具有类似特征的空问对 象；而在野外环境中，线面对、象如道路、河流、区域等注记的可视化也非常 硕士学位论文第二章面向a r 的三维动态注记可视化方法研究 重要。本文分别对建筑对象、线、面对象的注记方法做了相关研究。 2 2 面向a r g i s 的三维模型动态注记 在a r g i s 中，目标对象的文字注记除了具备传统文字注记的特点，如避免 冲突、对应关系清楚等之外，还应具备动态特征。即当视点移动，注记的位置 可能需要做适当的调整，以重新满足注记的可视化需要。 2 2 1 建筑对象的动态注记可视化方法研究 对于建筑对象，本文提出一种基于视点的动态注记方法，该注记方法的基本 思想是采用不同细节层次的对象模型作为文字注记对象。当视点由近处观察对 象时，采用精细模型进行注记；而从远处观察对象时，则采用较为简单的模型 进行注记。 一、对象l o d 层次划分 为使计算简便起见，对象的l o d 分为三层，第一层为长方体模型，由对象 实际模型的最小矩形包围盒构成；第二层为对象的凸多面体模型，由对象实际 模型的最小包围多面体构成；第三层为对象的实际模型。在进于动态注记计算 时，远视点选用第一层模型，近视点选用第二与第三层模型。 一二层模型l o d 之间切换( 即远视点与近视点切换) 的依据由计算对象的 最小包围盒中心到视点的距离与对象最小包围盒的半径比例确定。设定一个切 换阀值，该阀值一般可根据具体的硬件环境以及应用需求而设定，在本项研究 中选择该阈值为8 。当视点与对象包围盒中心的距离与对象半径的比值大于该阈 值时，对于该对象的文字注记处理按远视点对象处理。反之则按近视点对象处 理。二三层模型l o d 之间切换的依据是看视点是否位于实际模型的凸多面体包 围盒内部，在其内则采用第二层模型处理，反之采用实际模型处理。 二、远视点对象的动态注记算法 对于远视点对象，即使文字注记的位置离对象有一定的距离，由于视点与 对象的距离较远，仍能保证对象与文字注记之间的对应关系。为了简化计算， 采用预先求出的最小包围盒，在计算文字注记时，以该包围盒作为对象的简单 模型。在该简单模型的各表面中选择一个可见性最好的面作为文字注记面。 判断可见性是否良好的计算方法是，以视线方向向量f 与每个面的法向量 之间的夹角a 的余弦值c o s a 作为选择标准，c o s h 越接近一l ，可见性越好。c o s h 的计算如下： e 幸n 孵2 可 1 0 硕士学位论文第二章面向a r 的三维动态注记可视化方法研究 如图2 - 5 所示，为基于包围合的注记面选择过程，由于a 面与视线的夹角余 弦最小，故可选a 面为对象注记面。 b a 对 象 标 记 面 建筑对象最小包围盒 9 视点与a 面法线夹 c 角 视点与b 面法线夹 角 么 视点与c 面法线夹视点与 角 图2 - 5 远视点对象文字注记面的选择过程 角 由于对象较远，文字注记的具体位置只需粗略计算即可，可选择将文字注记 放在所选面的中间位置，然后对文字注记的朝向作相应调整，使得文字注记与 所选面平行，正面朝外即可。 三、近视点对象的动态注记算法 ( 1 ) 注记面的选择 对于近视点对象，因选择长方体模型计算得到的文字注记位置与对象之间 位置误差较大，从而在近视点情况下，这种误差会造成对象与文字注记对应关 系的混乱。因此在对象的注记面的选择时，应选择对象的更高细节层次( l o d ) 的模型进行计算。 近视点按两个l o d 层次分别处理。第一层次选择对象的多面体包围盒作为 计算注记的计算模型，第二层次采用对象本身作为注记计算模型。 dk 。视 1 点 ( a ) 彻 图2 - 6 近视点情况下视点位于包围盒外的注记面选择 硕士学位论文第二章面向a r 的三维动态注记可视化方法研究 i )当视点位于对象最小凸多面体包围盒之外时，采用该多面体包围盒模 型作为注记的计算模型，计算视线方向向量与各投影面的法向量的夹角的余弦 值c o sa ，设置阈值p = - 0 5 ，当_ l c o sa p 时，即视线方向左右摆 动6 0 度以内能够正视该面，该面被认为是可见性较好的面。考虑到文字注记与 对象结合的美观性，在这些可见面中选择宽度大于注记长度且可见性最好的面 作为注记面。图2 - 6 ( a ) 的最小凸多面体包围盒模型即对象的实际模型。图2 - 6 ( a ) 中，c 、d 、e 面都为可见面，最后选择宽度大于注记长度且可见性最好的面作为 注记面。图2 - 6 ( b ) 以最小凸多面体作为注记计算模型，由图可知，注记可能标 注在面a 、j 、g 上，实际选哪个面根据注记长度确定。 i i )当视点位于对象最小凸多面体包围盒之内时( 如图2 - 7 所示) ，由于 对象自身复杂性，可能造成注记被自身遮挡的情况，这时应选择对象实际模型 作为文字注记的计算模型。选择注记面的方法是：先找出投影面多边形上距视 点最近的顶点，然后按照前述方法比较与该顶点所在的两条边的可见性，选可 见性较好的边对应的面作为文字注记面。图2 7 中选c 面作为注记面。 ( 2 ) 文字注记具体位置的选定 经过以上计算，已经计算出了标注文字注记的面。由于面的空间范围仍然 较大，文字注记的具体位置必须结合视点的位置和视线方向来确定。图2 8 中 的立方体是一个对象的示意图，f 、g 、h 、1 分别为各边的中点。先计算视线与 注记面的交点，如果在面内，则文字注记放在交点处即可，如果在注记面之外 则计算交点与图中各顶点和各边中点的距离，选距离最小者作为文字注记的位 置。 a e 图2 - 7 近视点情况下视点位于包围盒内的注记面选择 1 2 顾十学位论文 第一章面向a r 的三维动志注记可视化方法研究 图28 注记具体位置的计算 ( 3 ) 文字朝向的调整 最后，将文字注记绕着选定的点作x 、y 、z 个轴向的转动，使得文字注 记与墙面平行，且正面朝外。这样可以避免不同对琢文字注记之叫u r 能存在的 压盖现蒙，同时也保证与对象之间较好的对应关系。 图2 - 9 近视皇注记效果圉 图2 - 9 、2l o 是以北京大学1 ：5 0 0 的地形圈作为试验原始数据，在获取建 筑对象的高程数据后，自动构建建筑对象的三维模型后，采用本文所述的文字 注记方法，得到的文宁注已的效果图。虽然本空验所j 日的三维模型鄙足i q 动建 模而柬，但对丁较精细的对象模型( 蜘l3d m a x 模犁) 该与法仍然是可行的，原 硕士学位论文第二章面向a r 的三维动态注记可视化方法研究 因是本实验自动生成的模型其注记面与精细模型的注电面大致相当。在本机的 硬件配置( c p u2 6 6 g h z ，内存1 5 g ) 环境下，文字注记的响应速度大约每秒 3 0 帧。 图210 远视最注记效果图 222 三维环境中线对象注记方法研究 i m h o fj 1 9 7 5 年提出了地图注电配簧的3 个基本规则：易读性、清晰性和美 学平衡性，给出了详细的注记规则，同时还提出了组指导线状要素的注记原 则，这些原则分为硬限制和软限制阿类，分别给出了注记的基本要求和一些符 合黄学原则的高级要求”。随后已有大量文献研究二维线对象的注记方法，但 足还很少看到面向三维系统中线状要素注记方法的相关研究。 在a r g i s 巾为了尽量减少线状要素的注记被其他对象遮挡的情况，需要 选择通视较好的部分进行注记，这就需要将要素分为若干个近似通视段。本文 聚用d o u g l a sp e u c k e r 提出的综合简化线状数据点的算法，旨先将衄线简化成 通视的若t 段然后再根据视点，选择合适的位置进行注记。 d o u g l a sp e u c k e r 算法步骤如下： a ) 连接线对象首尾端点a 、b ； b ) 找出距离a ) 中线段最远的点p 并计算该距离f l ，如果n a ( 给定阀值) 则终止，否则继续执行； 硕士学位论文 第二章面向a r 的三维动态注记可视化方法研究 c ) b = p ，重复以上步骤a ) 、b ) ； d ) a = p ，重复以上步骤a ) 、b ) 。 图2 1 是用d o u g l a s p e u c k e r 算法进行线要素简化的示意图。图2 - 11 ( 1 ) 连接线要素首尾端点形成一条线断，然后求出首尾之间的各点到首尾连线的距 离最大点，将该线分为两部分，每一部分再按照上述方法找出距离最大点，直 到最大距离小于给定阀值，则认为已经不需要在简化。实际操作中，阀值是跟 视点到对象的距离成正比的，也就是说视距越远，阀值越大，线对象简化的更 多。下图的线对象被简化成4 个近似通视部分。 ( 1 ) ( 3 ) ( 2 ) 图2 - 1 1d o u g l a s p e u c k e r 的矢量线简化过程 ( 4 ) 在a r g i s 中，可用的注记空间较二维平面系统中大得多，因而冲突的可能 性并不像二维系统那么严重，但是在复杂地区，如线对象的交错较为严重时， 仍然可能出现注记部分冲突的现象。为了防止这种情况的发生，本文采用三维 注册的方式，即需要记录记录注记的包围盒。每个对象的注记需要搜索是否与 其他对象的注记包围盒冲突，若冲突较为严重，则在本段近似通视的线段上滑 动注记，直到找到合适的位置。 2 3 本章小结 本章提出了一种基于视点的三维模型动态注记方法，能够在视点变换的过 程中动态计算文字注记的位置，解决了由于视点变换而引起的注记与标注对象 之间的遮挡问题。同时对文字注记的朝向做了适当的调整，即使在场景中较为 对象密集的地方，也不会出现显示杂乱的情况。实验表明该方法具有一定的可 行性。对象信息的直观显示在3 d g i s 的信息表达中非常重要，而现有的系统又 没有较为完善的解决方案，故该方法具有重要的现实意义。 1 5 硕士学位论文 第三章三维矢量数据的快速提取及可视化 第三章三维矢量数据的快速提取及可视化 矢量数据在g i s 可视化和基于适量数据的各种分析操中具有非常重要的作 用，但是大数据量的3 d 适量数据往往是很缺乏的。有必要研究一种通过现有二 维矢量数据和数字高程模型提取三维环境中的矢量数据、有效管理、快速可视 化的方法。 3 。13 d 环境中的矢量可视化研究现状 在目前的很多3 d 系统，很大一部分都集中在地景仿真方面，例如用一些建 模工具建立复杂细致的模型，然后在3 d 环境中显示。在这些系统中，地理空间 数据往往被忽略了，而仅仅是从仿真的角度去考虑h 。而地理空间数据( 包括 矢量数据和属性数据) 的查询、修改、浏览以及可视化等操作对g i s 而言是非 常重要的，g i s 的应用分析很大程度上依赖于这些空间数据。因此，如果没有大 量的地理空间数据，这样的系统就只能满足场景浏览。 目前已经有一些学者研究如何在数字地形模型上或3 d 景观制图上进行矢量 数据的可视化，在基于地形格网的三维矢量数据显示方面，w a r t e l l 等提出了实 时计算当前地形格网相一致的多边线方法1 ，该方法计算两太大，显示速度慢。 s c h n e i d e r 等提出了预处理的办法，将矢量绘制与纹理渲染混合，并用四叉树管 理h 引，但该方法不支持交互的矢量操作。 总之，三维矢量数据可视化方法主要分为两类：一种是基于栅格的可视化 方法，该方法将矢量数据投影到d e m 表面的纹理上；另外一种是基于矢量的可 视化方法，该方法将二维几何数据转换成三维几何数据并可视化。但这两种方 法都有各自的弊端。基于栅格的可视化方法由于像素大小的限制，不能避免对 象边界的模糊，而且要消耗大量内存。例如当视点离投影对象非常近时，投影 的纹理被放大，即使一个像素的精度可能都不能满足矢量数据的可视化需求。 基于矢量的可视化方法往往不能避免深度缓冲区的冲突问题，这是因为在g i s 中的矢量数据通常在一个二维平面上表达，当这些矢量数据转换成三维矢量后， 矢量线和矢量面可能无法完全跟3 d 地形格网相匹配。 本文采用了这两种方法分别对不同的详细层次和不同操作需求的对象进行 可视化。对于处于较粗略层次的对象，往往采用基于纹理的方式来进行可视化， 从而达到较快的显示速度；对于非常详尽层次的对象或者需要进行操作的对象， 采用基于矢量的可视化方法，从而达到精确显示的目的。 1 6 硕士学位论文 第三章三维矢量数据的快速提取及可视化 3 2 基于d e m 的3 d 矢量数据快速提取 3 2 1d e m 建模概述 d e m 是地形表面的一个数学( 或数字) 模型。根据不同数据集的不同方式，d e m 建模可以使用一个或多个数学函数来对地表进行表示。这样的数学函数通常被 认为是内插函数。对地形表面进行表达的各种处理可称为表面重建或表面建模， 重建的表面通常可认为是d e m 表面。因此，地形表面重建实际上就是d e m 表面 重建或d e m 表面生成。 表面建模方法从不同角度考虑可有不同的分类方法。从网络的形式看，表 面的建模有四种主要的方法：基于点的建模方法、基于三角形的建模方法、基于 格网的建模方法和将其中任意两种结合起来的混合方法。这四种建模方法分别 对应于某一特定的数据结构。在实际应用中，由于基于点的建模并不实用，而 混合表面往往也转换为三角形网络，因此基于三角形和格网的建模方法使用较 多，被认为是两种基本的建模方法。三角网被视为最基本的一种网络，它既可 适应规则分布数据，也可适应不规则分布数据：既可通过对三角网的内插生成规 则格网网络，也可根据三角网建立连续或光滑表面。 a ) 基于点的表面建模 基于点的表面建模方法用单个数据点的高程值代表此点周围的一小块区域 ( 在地理分析领域也称为该点的影响区域) ，则整个d e m 表面可由一系列相邻的 不连续表面构成。 这种方法非常简单，惟一困难之处在于确定相邻点间的边界。由于这种方 法是在单个数据点高程信息的基础上形成了一系列的子面，因此这种方法被认 为是基于点的表面建模方法。 从理论上说，因为这种方法只涉及独立的点，所以可用于处理所有类型的 数据。就此而论，不规则分布的数据可通过建立不规则形状的平面来完成表面 建模的过程。至于确定每一点的影响区域，如果使用的数据具有规则的结构， 例如正方形格网、等边三角形、六边形等，则计算更为简单。尽管在表面建模 时实行这种方法似乎可行，但由于其所建立的表面不连续，因此并不是一种真 正实用的方法。 b ) 基于三角形的表面建模 基于三角形的表面建模方法采用一序列相互共边的三角形构成的三角网来 表达整个d e m 。即每个三角形代表所覆盖的区域。由于规则正方形格网、矩形或 其