（计算机软件与理论专业论文）三维场景建模及其实时渲染方法.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近些年来，随着真实感计算机图形显示技术的发展和硬件的快速发展， 为人们描述现实中的三维世界提供了很大的方便和可能性。而且各个领域对 计算机图形技术的要求已经不再局限于生成平面的静止的图形。随着计算机 仿真、虚拟现实、三维游戏的发展，三维场景的创建及其实时渲染显得越来 越重要了。 本文结合国家自然科学基金的项目分布交互三维行为一特征建模方法 的研究和分布交互三维仿真平台的开发，主要研究了三维场景建模及 其实时渲染方法，内容涉及到以下几个方面：数字地形模型的生成、三维地 形的改造、三维地形的实时渲染方法、真实感地形的生成技术。 本文第i 章主要介绍课题的来源，本课题研究的目的和意义，以及本文 用到的一些关键技术。 第2 章给出了两种生成地形模型的方法。一种是基于位图的生成方法， 该方法是依据位图的灰度等级与地形的高程之间的映射关系，来创建地形的 模型：也就是位图的最低灰度对应地形的最低点，位图的最高灰度对应地形 的最高点。另一种方法是基于等高线的方法，该方法是通过对等高线进行编 辑，保存相应点的高程，再根据线性插值，得到各个网格点的高程，从而生 成对应的地形模型。 第3 章介绍了地物模型的创建方法。根据地物模型与地形三角网的关 系，地物模型分为两类：一类是与地形相关的地物，如河流、湖泊、山体等； 另一类是与地形无关的地物模型，如树木、建筑物等。对于第一类地物模型 的创建，本文提出并实现了自然堆积算法；对于第二类地物模型的生成，本 文采用的是b i l l b o a r d 算法，它是用二维的图像来代替三维的模型。 第4 章介绍了地形的实时渲染方法。当我们要生成相当真实感的场景 时，由于地形的复杂性，要实现实时性，往往是不太可能的。我们必须从场 景的本身的集合特征入手，通过适当的方法来简化场景的复杂性。层次细节 ( l e v e l so fd e t a i l s ) 技术就是在这样的情况下提出来的。本文介绍了基 于四叉树l o d 、基于二元三角树结构的法则r o a m ，而且提出并实现了基于过 渡带的l o d 。 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章介绍了真实感场景的生成技术。要渲染出真实感的场景，必须要 考虑到下列情景，地形表面要有更多的细节、要渲染地表植被等，甚至各种 天气效果。所有这些都能让场景看起来更加的自然，更加的逼真。本章主要 介绍了天空的生成技术，光照、材质、雾化特效，纹理贴图，地表的细节等 技术。 第6 章是总结全文，展望下一步的工作。 关键字：数字高程模型，等高线，层次细节，高度图，实时渲染 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h ep h o t o r e a l i s t i cd i s p l a y t e c h n o l o g yo f c o m p u t e rg r a p h i c sa n dt h ec o m p u t e rh a r d w a r e ，i t sp r o b a b l ea n dc o n v e n i e n tf o r u st od e s c r i b et h et h r e ed i m e n s i o n a lw o r l d w h a ti s m o r e ，t h er e q u i r e m e n to f a l l k i n d so ff i e l d st oc o m p u t e r g r a p h i c st e c h n o l o g yi sn o tc o n f i n e dt ot h ep l a i na n d s t i l l g r a p h i c s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，v i r t u a lr e a l i t y ， t h r e e d i m e n s i o n e dg a m e ，i t sm o r ei m p o r t a n tf o rt h e3 ds c e n e r yt ob u i l da n d r e a l t i m e l yr e n d e r t h ep a p e r ，w h i c hi sb a s e do nt h e p r o j e c to fn a t i o n a ls c i e n c ef u n d b e h a v i o r c h a r a c t e r i s t i cm o d e l i n gf o rd i s t r i b u t e d & i n t e r a c t i v e3 ds c e n e r ya n d t h e p r o j e c t t h e d e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t e da n di n t e r a c t i v e 3 ds i m u l a t i o n p l a t f o r m ，c h i e f l y r e s e a r c ht h e m o d e l i n go f3 ds c e n e r y a n dt h em e t h o dt o r e a l t i m e l yr e n d i n gt h es c e n e r y t h ep a p e rm a i n l yi n v o l v e df o u rp a r t s ：t h e g e n e r a t i o no fd i g i t a lt e r r a i nm o d e l ，t h er e b u i l d i n go f3 dt e r r a i n ，t h em e t h o dt o r e a l t i m e r e n d e r i n g 3 dt e r r a i n ，t h e t e c h n o l o g yo ft h ep h o t o r e a l i s t i c t e r r a i n g e n e r a t i o n i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h e r em a i n l yi n t r o d u c et h es o u r c e ，t h er e s e a r c hp u r p o s e a n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c t t h ek e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di nt h ep a p e r a t ei n t r o d u c e d ，t o o i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h e r ep r o v i d et w om e t h o d st og e n e r a t et e r r a i nm o d e l o n ei sb a s e do n b i t m a p t h i sw a y i si nl i g h to ft h em a p p i n gb e t w e e ng r a yl e v e l s o ft h eb i t m a pa n dt h eh e i g h to ft h et e r r a i n i no t h e rw o r d s ，t h em i n i m u mg r a y p o i n ti st h el o w e s tt e r r a i na n dt h em a x i m u mg r a yp o i n ti st h es u m m i t t h eo t h e r i sb a s e do nc o n t o u rl i n e t h ew a yi st h a tf i r s t e d i t i n gt h ec o n t o u rl i n e ，t h e n s a v i n gt h e s eh e i g h t s ，f i n a l l yd e p e n d i n go nl i n e a rc a l c u l a t i n gm i d d l ev a l u e ，t h u s g e t t i n gt h eh e i g h to fe v e r ym e s hp o i n t ，a n dt h e3 d t e r r a i nm o d e l i nt h et h i r d c h a p t e r ，t h e r ep r i n c i p a l l y i n t r o d u c et h em e t h o do fg r o u n d o b j e c t sm o d e lg e n e r a t i o n o nt h eg r o u n d so f t h er e l a t i o no ft h eg r o u n do b j e c t s m o d e la n dt h et e r r a i nm o d e l w ec a na s s o r tt h e mi n t ot w ok i n d s o n ei si n t l i 武汉理工大学硕士学位论文 r e l a t i o nt ot h et e r r a i n ，s u c ha sr i v e r , l a k e ，a r t i f i c i a lh i l le t c t h eo t h e ri sn o ti n r e l a t i o nt ot h e t e r r a i n ，f o re x a m p l et r e e ，s i m p l eb u i l d i n ge t c a sf o rt h ef i r s t g r o u n do b j e c t sm o d e l ，ie x p o u n da n dr e a l i z en a t u r a lp i l i n ga l g o r i t h m ；a sf o rt h e s e c o n d ，t h ep a p e ra d o p tt h eb i l l b o a r da l g o r i t h mt h a tu s e2 di m a g ei np l a c eo f3 d m o d e l s i nt h ef o r t h c h a p t e r , t h e r ei n t r o d u c et h e r e a l t i m e r e n d e r i n gm e t h o do f t e r r a i n w h e nw eg e n e r a t e q u i tp h o t o r e a l i s t i cs c e n e r y ，b u tb e c a u s eo ft h e c o m p l i c a t i o no ft e r r a i n ，i t si m p o s s i b l et o r e a l i z et h er e a l t i m er e n d e r i n g w e m u s ts i m p l i f yt h ec o m p l i c a t i o no ft e r r a i nr e s t i n go ni t sc h a r a c t e r i s t i c t h el o d t e c h n o l o g yw a sp r o p o s e di nt h i se n v i r o n m e n t i nt h ep a p e rip r o p o s ea n dr e a l i z e t h el o db a s e do nt r a n s i t i o n a lb a n d q u a dt r e ea l g o r i t h ma n dr o a m a l g o r i t h m a r ed e p i c t e di nd e t a i l i nf i f t hc h a p t e r ，t h e r ei n t r o d u c et h eg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo f p h o t o - r e a l i s t i c s c e n e r y i fw ew a n tt o r e n d e ro u tp h o t o r e a l i s t i c s c e n e r y ，w es h o u l dc o n s i d e r t h e s ec i r c u m s t a n c e ：t h et e r r a i ns u r f a c ew i t hm o r e d e t a i l ，r e n d e r i n gg r o u n d v e g e t a t i o n ，e v e na l ls o r t so f w e a t h e re f f e c t s a l lo ft h e s ec a nm a k es c e n em o r e n a t u r a l ，m o r e r e a l t h i s c h a p t e rc h i e f l y i n t r o d u c e st h e t e c h n o l o g y o fs k y g e n e r a t i o n ，l i g h t i n g ，m a t e r i a l ，f o g ，t e x t u r e ，t h ed e t a i lo f t e r r a i ns u r f a c e t h es i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h ep a p e r , a n d p r o s p e c t st h en e x t w o r k k e yw o r d s ：d i g i t a l e l e v a t i o nm o d e l ，c o n t o u rl i n e ，l e v e l so fd e t a i l s ，h e i g h tg r a p h r e a l - t i m e r e n d e r i n g 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第l 章绪论 建模技术是三维图形技术、虚拟现实技术中最重要的技术，也是其发展 的关键技术之一。虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是一项涉及计 算机图形学、人机交互、人工智能等学科的综合技术，它的目的是用计算机 来生成一个逼真的三维世界给观众，如同在真实世界里。随着虚拟现实、分 布式视算、分布式仿真技术和网络三维游戏的发展，需要在i n t e r n e t 或 i n t r a n e t 环境下进入同一虚拟环境、视算环境、仿真环境或游戏环境，以 协同或对抗方式完成分布交互任务，其共同点是导致了对分布三维视景的需 要 ；同时，它们对虚拟场景的实时渲染、真实感程度也提出了越来越高的 要求。 三维场景的创建是一项运用综合技术的任务，要达到逼真的感觉和实时 的自然交互是非常不容易的，它的完成不仅依赖于硬件性能的提高和像头盔 等外设的使用，更重要的是依赖于虚拟场景的构建、显示和交互等技术的不 断改进。因此，研究三维场景的创建及其实时渲染方法就很必要了。 1 2 课题来源 所选课题的题目是三维场景建模及其实时渲染方法，它是以“分布交互 三维视景行为一特征建模方法研究”和“分布交互三维仿真平台的开发”为 基础的。其中“分布交互三维视景行为一特征建模方法研究”这个课题得到 国家自然科学基金和中国科学院计算技术研究所智能信息处理开放研究实 验室项目资助，“分布交互三维仿真平台的开发”是武汉东湖软件公司委托 我实验室开发的。 基于“行为一特征建模”方法的分布交互三维视景开发环境，是由视景 模型层、服务层与客户程序层三个层次组成。客户程序由开发者针对具体应 用领域的问题，用不同的编译器编制，并在运行过程中通过动态链接库与服 务层通信。鉴于客户程序层应用的广泛性，我们把这一层次留给第三方来开 武汉理工大学硕士学位论文 发。也就是说第三方通过使用我们提供的开发环境来解决不同应用领域的问 题。 现在我们这个开发环境。主要是由模型层、视景层、通信层这三个层次 组成。本论文主要是模型层的设计和开发。下面简要介绍一下模型层、视景 层和通信层三者之间的关系。模型层主要完成三维建模工具的开发，整个三 维场景的搭建，公共原型库的创建，并要向视景服务层提供视景描述文件： 视景服务层是从指定的视景描述文件读入相应的视景模型，完成三维视景和 对象行为过程实时算法动画渲染，并向客户程序反馈信息；通信层主要是在 分布式模式下，完成本地客户程序和各分布节点间的消息传递，从而实现视 景同步。 1 3 课题研究的目的和意义 随着虚拟现实、分布式视算、分布式仿真技术和网络三维游戏的发展， 导致了对分布三维视景的更高需要。在三维建模方面，传统的几何建模方法 不能满足分布式交互三维视景的要求，于是，人们开始探索行为建模方法。 其一：在传统几何建模方法的基础上扩充模型物理属性和行为的描述能力； 其二：v r m l n 4 1 等建模语言的出现，但目前由于受解释执行方式和因特网 传输速度的双重制约，v r m l 所生成的视景尚不尽人意，与非网络环境下的 三维视景质量更是相差甚远；其三：建模语言与c 抖编译器相结合的“编译 型”方式。可惜的是他们无一例外的都不能满足分布交互三维视景的需求。 再者，人们对表现物体的真实感、实时性及交互性方面提出了更高的要求。 为了解决上述问题，我们提出了行为一特征建模方法。行为一特征建模方法 能更深刻地反映事物的本质，在创建模型的同时。不仅赋予模型外形、质感 等表观特征，同时赋予模型物理属性和“与生俱来”的行为能力，并且使之 服从一定的客观规律。所以，行为特征建模工具的开发将有助于简化虚拟现 实 、分布式视算、分布式仿真技术和网络三维游戏的丌发过程。 再者，从当前一些流行的常用建模软件，如：a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 、 3 d sm a x 等来看，他们要么不能很好地支持三维建模，要么是即使支持，也 无法反映出模型的动态特性和遵从的客观规律。另外，我们看到的三维动画， 从视觉效果来看，它们表现的十分逼真，这是由三维动画的自身特点决定的。 三维动画是预先制作好的，为了达到逼真的视觉效果，在制作过程中，其渲 染时间可能需要几天时间。也就是说，三维动画没有时间限制，它不是实时 2 武汉理工大学硕士学位论文 的。随着计算机仿真、三维网络游戏的快速发展，对三维场景实时响应的要 求越来越高。 有了行为一特征建模方法，建立基于行为一特征模型的实时三维场景就 显得非常具有挑战性，因为到目前为止，还没有那个三维游戏或是计算机仿 真系统具有这样的场景；另外，随着计算机硬件、软件的发展，对三维场景 的实时性、真实性提出了更高的要求。所以开发三维场景建模及其实时渲染 方法就变得十分必要和有意义。 1 4 本文用到的关键技术 1 4 1 计算机图形学的理论与技术6 】 计算机图形学的主要内容有造型技术，真实感图形生成及人机交互技术 三部分。 要在计算机屏幕上生成三维物体的一幅图像，首先必须在计算机中建立 该物体的模型，构造这一模型的技术称为造型技术，包括形体的表示，构造 及运算。最常用的是几何造型，即由一批几何数据及数据之间的关系来表示 所要显示的形体，一般是规则形体。几何造型的可靠性及覆盖面是研究工作 的重点，在计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) 中，为了使形体的表示方法与 工程师描述形体的习惯相衔接，并便于实现c a d c a m 的集成，近年来出现了 特征造型技术，即用形状特征、材料特征、公差特征等描述一个产品，为了 表示不规则的形体，又出现了分数维造型，基于文法的造型等。 有了三维物体的模型，就需要应用真实感图形生成技术将该模型以二维 图像的形式显示在屏幕上。包括消隐技术，即消除那些由当前的观察点看不 到的那一部分物体，从而产生层次感；建立或选用适当的光照模型，尽可能 准确地模拟物体在现实世界中受到各种光源照射时的效果，如漫反射，镜面 反射及透射等；纹理生成技术，即在物体表面产生几何纹理或颜色纹理。 三维物体的造型过程、真实感图形生成过程都需要在一个操作方便、易 学易用的用户界面下工作，包括：图元及造型方法的交互选择；形体、模型 的交互操作；观察点、观察方向的交互设置；光照模型参数的交互选取；色 彩的交互设定等。这就需要依据人机交互的理论和方法，选用适当的入机交 互技术及设备，设计出友善的用户界面以满足交互地生成图形的需要。近年 来迅速发展的虚拟现实技术，是与造型技术、真实感图形生成技术及人机交 武汉理【大学硕士学位论文 互技术密切相关的。快捷方便的造型技术、实时动态的图形生成以及易学易 用的交互技术是构造虚拟环境的基本和必要条件。而虚拟现实技术则是综合 运用这三个方面的最新研究成果并加以发展的必然结果。 1 4 2 虚拟现实技术 目前计算机只能向用户提供简单的视觉和听觉信息，用户与计算机只能 进行简单的对话式交互，这不符合人的沉浸式交互习惯。因此，虚拟现实应 运而生”。虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) ，也称灵境，是一种有效地 模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。从本质上说， 虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、 听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操 作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。虚拟现实对交互性、 实时性有较高的要求。它是人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒 体技术、网络技术、并行计算技术等多种技术的集成。虚拟现实技术将从根 本上改变人与计算机系统的交互方式。目前己在科学可视化、飞行模拟、医 学、c a d c a m 、教育、娱乐等领域获得广泛的应用。而且随着虚拟现实技 术的不断发展，必将展示出更加广阔的应用前景。 虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理 的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地观察和操纵系统生成的虚拟 世界。从概念上讲，任何一个虚拟现实系统都可以用三个“i ”来描述其特 性，这就是“沉浸( i m m e r s i o n ) ”、“交互( i n t e r a c t i o n ) ”和“想象 ( i m a g i n a t i o n ) ”，如图卜1 所示： 图1 1 虚拟现实的基本特征 4 武汉理工大学硕士学位论文 这三个“i ”反映了虚拟现实系统的关键特征，就是系统与人的充分交 互。一个虚拟现实系统应能够达到这三个i 所体现的目标。 1 4 3 o p e n g l 开发包 ( i ) o p e n g l 概述 计算机图形学的发展极大地促进了计算机可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 技 术、虚拟现实技术的发展。人们对计算机可视化技术的研究已经经历了一个 很长的历程，而且形成了许多可视化工具，其中s g i 公司推出的g l 三维图 形库表现突出，易于使用而且功能强大，利用g l 开发出来的三维应用软件 颇受许多专业技术人员的喜爱，这些三维应用软件已涉及建筑、产品设计、 医学、地球科学、流体力学等领域。随着计算机技术的继续发展，g l 已经 进步发展成为o p e n g l ，o p e n g l 已被认为是高性能图形和交互式视景处理 的标准，目前包括i b m 公司、d e c 公司、s u n 公司、h p 公司、m i c r o s o f t 公 司和s g i 大公司都采用了o p e n g l 图形标准。 o p e n g l 作为一种三维工具软件包，它是开放的三维图形软件包，独立 于窗口系统和操作系统，在交互式三维图形建模能力和编程方面具有无可比 拟的优越性。o p e n g l 灵活方便地实现了二维和三维的高级图形技术，在性 能上表现得异常优越。它具有建模、变换、光照处理、色彩处理、动画及更 先进的能力，如：纹理映射、物体运动模糊效果和雾化效果等。o p e n g l 为 实现逼真的三维绘制效果和建立交互的三维场景提供了高效率的函数库、以 o p e n g l 为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台问移植。o p e n g l 可以与v c + + 紧密接口，便于实现有关计算和图形算法，可保证算法的正确 性和可靠性。o p e n g l 使用简便、效率较高0 1 。 为了实现跨平台性能，o p e n g l 中没有包含处理窗口和用户输入的命令。 而m f c 提供了丰富的窗口、事件控制和管理函数，例如，可以方便地使用菜 单、工具条等工具实现应用程序和用户的交互操作。 值得一提的是，由于m i c r o s o f t 公司在w i n 9 5 以后推出的w i n d o w s 操作 系统中提供o p e n g l 图形标准，尤其是o p e n g l 三维图形加速卡和微机图形工 作站的推出，人们可以更方便地使用o p e n g l 建立自己的三维图形世界。 自从微软公司在其w i n d o w s 平台上支持0 1 3 e n g l 后，v i s u a lc + + 从4 2 版本以后已经完全支持o p e n g l 。a p i 。微软在v i s u a c + + 6 0 中已提供了三 个o p e n g l 的函数库( g l u 3 2 1 i b ，o p e n g l 3 2 1 i b ，g l u t 3 2 1 i b ) 。可以使我们 武汉理工大学硕士学位论文 方便地编程，简单、快速地生成美观、漂亮的图形。 ( 2 ) v c + + 调用o p e n g l 简介 v c + + 下运用o p e n g l 进行开发的基本框架如下，本文针对m f ca p pw i z a r d 应用程序，进行o p e n g l 编程的步骤为： a ) 编写创建函数； b ) 编写销毁函数、消除位图、定时器等资源及设备场景； c ) 修改c v i e w 类的样式； d ) 编写o n d r a w 事件处理代码； e ) 在o n s i z e 方法中定义当前视区、投影模型和物体模型以及光源等； f ) 编写o n t i m e r 事件处理程序： g ) 编写o p e n g l 绘制程序。 在具体的实现过程中，由于o p e n g l 函数通过“渲染上下文”( r e n d e r i n g c o n t e x t ，r c ) 完成三维图形的绘制。w i n d o w s 下的窗口和设备场景支持位 图格式属性，该属性与r c 存在位图结构上的一致，只要在创建r c 时将它与 一个d c 相关联( r c 只能由一个已经建立了位图格式的d c 来创建) ，o p e n g l 的函数就可以通过r c 对应的d c 绘制到相应的显示设备上，相应步骤如下； 设置显示设备d c 的位图格式属性o ” 通过填写一个p i x e l f o r m a t b e s c r i p t o r 的结构来完成，该结构决定了 o p e n g l 绘图的物理设备属性，另外，d c 有可能只支持部分位图格式，因此 首先使用函数c h o o s e p i x e l f o r m a t 选择与d c 支持的指定位图格式最接近的 位图格式，然后使用函数s e t p i x e l f o r m a t 设置d c 的位图格式； 创建绘制场景r c 与d c 的联系 利用d c 创建渲染上下文r c ( w g l c r e a t e c o n t e x t ) ，以便在d c 与r c 之间 创建关联，此时需要使用函数w g l m a k e c u r r e n ； 调用o p e n g l 函数进行绘图 释放相关的内存 绘图完毕后，需要调用w g l i a k e c u r r e n t 设置当前线程的r c 为n u l l ，从 而断丌当前线程和该r c 的关联，并由此断开与d c 的关联。 1 5 本论文的工作以及组织 本文对三维场景的生成及其实时渲染做了有益的探索，研究内容包括以 下几个方面：( 1 ) 三维地形的刨建方法；( 2 ) 地物模型的生成技术，河流、 6 武汉理工大学硕士学位论文 湖泊、山体的创建方法；( 3 ) b i l l b o a r d 技术；( 4 ) 场景的实时渲染技术， 主要是l o d 技术的探索：四叉树算法，r o a m 算法，基于过渡带的l o d 算法； ( 5 ) 真实感场景的生成技术；( 6 ) 道路的创建技术。本文以场景为核心， 主要介绍了其创建及实时渲染的方法。 第1 章主要介绍三维场景存在的重要性、课题的来源、本课题研究的目 的和意义以及本文用到的一些关键技术：计算机图形学的理论与技术、虚拟 现实技术以及o p e n g l 开发包。 第2 章主要介绍两种生成地形模型的方法。一种是基于位图的地形生成 方法。另一种是基于等高线的生成方法。 第3 章主要介绍了地物模型的创建方法。根据地物模型与地形三角网的 关系，地物模型分为两类：类是与地形相关的地物，如河流、湖泊、山体 等；另一类是与地形无关的地物模型，如树木、建筑物等。对于第一类地物 模型的创建，本文提出并实现了自然堆积算法；对于第二类地物模型的生成， 采用的是b i l l b o a r d 技术，以及导入现有造型软件建立的模型。 第4 章介绍了地形的实时渲染方法。主要介绍了层次细节( l e v e l so f d e t a i l s ) 技术。本文提出并实现了基于过渡带的l o d 方法，实现了基于四 叉树l o d 和基于二元三角树结构r o a m ( 实时优化自适应网格) 。 第5 章介绍了真实感场景的生成技术。本章主要介绍了天空的生成技 术。光照、材质、雾化特效，纹理贴图，地表的细节等技术。 第6 章依据以上各章介绍的技术、方法，搭建了从武汉长江大桥到武汉 长江二桥，从中山大道到东湖的三维场景；同时指出了本文有待于改进的地 方。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章建立数字高程模型 数字高程模型是地形的数字表示，而地形又是三维场景的主要组成部 分，因此创建三维场景离不开数字高程模型的生成。此外，随着地理信息系 统( g i s ) 、三维仿真技术和三维游戏的发展，反映地形特征的数字高程模型 ( d e m ) 得到越来越广泛的应用，因它是生成三维地貌，计算地面距离、坡 度、土方，进行地形匹配跟踪等工作的基础。目前生成地形的方法大致有基 于分形的全自动生成( 地形完全由分形算法生成) 或半自动生成( 给定一个 初始模型，其细节由分形算法生成) 、基于曲面片拟合的地形仿真、基于真 实数据的地形生成等三种方法n “。基于分形的方法很难创建符合实际地形 的模型；基于曲面拟合的方法其曲面的参数化描述根困难；虽然一些新的测 绘方法( 如遥感) ，可通过飞机卫星激光扫描直接测绘出d e m ，但仍存在 获取费用较高，精度不一定满足要求等问题，而且对于普通的用户，基于真 实数据生成地形又存在数据很难获取的问题。本章讨论了数字高程模型的生 成方法，首先给出了数字高程模型的概念，接着详细介绍了两种建立d e m 的 方法，并给出了实现结果。 3 d 地形的渲染离不开3 d a p i 。目前流行的3 d a p i 有两种，s g i 公司的 o p e n g l 和微软公司的d i r e c t 3 d 。两种a p i 各自有自己的优点，均能很好的 使用硬件加速功能。但是o p e n g l 是一种开放性的标准，有更好的移植性能， 即使在l i f i u x 和p r e e b s o 的p c 下也可以使用硬件加速( n v i d i a 、a t i 公司 专门为l i n u x f r e e b s d 推出了驱动程序) 。因此在本文里，我使用了o p e n g l 。 不过如果熟悉原理，其实也大同小异，d 3 d 到8 o 以后做的非常的像o p e n g l 。 2 1 数字高程模型的概念 数字高程模型n 们( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) ，简称d e m 是区域地形 的数字表示，由一系列地面点的x ，y 位置及其相联系的高程z 按一定的结 构组织在一起，表示实际地形特征的空间分布模型，它是空间信息系统的一 个重要组成部分。通过d e m 可以计算得到该区域中任一点的高程信息，因此 可以基于d e m 来建立其他地面要素的三维模型。数字高程模型是用一组有序 武汉理工大学硕士学位论文 数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型( d i g i t a l t e r r a ir lm o d e l ，简称d t m ) 的一个分支。一般认为，d t m 是描述包括高程在 内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性 组合的空间分布，其中d e m 是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、 坡向、坡度变化率等地貌特征可在d e m 的基础上派生。 建立d e m 的方法有多种“”。从数据源及采集方式讲有：( 1 ) 直接从地面 测量，例如用g p s 、全站仪、野外测量等；( 2 ) 根据航空或航天影像，通过 摄影测量途径获取，如立体坐标仪观测及数字摄影测量等等；( 3 ) 从现有地 形图上采集，如格网读点法、数字化仪手扶跟踪，然后通过内插生成d e m 等 方法。 基于数字地图建立正方形格网的d e m 有多种途径：可以根据数字地图所 提供的等高线与离散高程点，通过内插来生成正方形格网的d e m ；也可以通 过先建立t i n ( i r r e g u l a rt r i a n g l en e t ，简称不规则三角网) ，再在t i n 上布景正方形网格，然后再内插生成正方形格网的d e m 。 2 2基于位图建立数字高程模型的方法 该方法是将位图的灰度值与地形高程之间建立映射关系。所采用的位图 是利用遥感、航测图片，通过一定的影像匹配方法产生的正测影像图。本算 法就是通过正测影像图来自动创建从视觉上与实际地形吻合的地形模型，进 而给地形赋予纹理，最终生成效果逼真的地形景观。 2 2 1 数据结构的设计 创建地形景观，首先需考虑地形模型的生成，建立与实际地形吻合的地 形模型是成功创建地形景观的关键。假设地形有规则矩形面片构成，从而可 以通过网格表达地形( 如图2 1 ) 。在数据结构上，使用二维数组描述地形网 格，每个数组元素描述网格上的一个结点：数组下标表示结点在网格中所处 的行列位置，可以通过该下标和网格间隔来计算出其对应的三维点的x 、 z 坐标：数组元素的值就是该结点的高度值y 。对于图2 1 所示的地形网格， 用t e r r a i n n m 来描述，其中n 是地形网格的行数，m 是地形网格的列数， t e r r a i n i j 表示第i 行第j 列上的高度，i 在0 到n 之间，j 在0 到m 之 间。已知矩形面片四个顶点的三维坐标，就可以方便地获得该矩形面片上任 武汉理工大学硕士学位论文 一点的三维坐标，并从而获得整个地形上任一点的三维信息。由此可见，通 过二维网格描述地形，既能节省存储空间，也有利于获得地形的三维信息。 0 2 2 m m l23n n 图2 1 ( nxm ) 网格表示地形 2 2 2 算法的基本原理 基于位图生成地形的关键在于如何合理地将位图的值转换为可利用的 高程数据。最简单的方法是建立位图的灰度等级“”与地形高程的线型映射 关系。对于一幅位图，首先把它从水平、垂直方向划分为间距相等的网格： 其次把网格交点像素的r g b 值转化为相应的灰度值，找到其最大的、最小的 灰度值：然后根据实际地图资料可以获得该地形的最大、最小高度；从而可 以建立位图像素的灰度值与地形高程之间的映射关系。有了映射关系，就可 以计算出网格点各个像素对应的地形高程，将其存入二维数组。这样就得到 了三维地形的各个顶点数据，通过o v e n g l 绘制，即可得到三维地形。 算法步骤： ( 1 ) 初始化地形的最大、最小高度以及地形的网格间距； ( 2 ) 打开一幅地形正测影像图，计算出该图的高度和宽度、地形的水 平、垂直网格数，找出该图的最大灰度值与最小灰度值：在这一步骤中，需 要注意的是如果该图像的宽或高有冗余( 也就是该图的高度、宽度不是给定 的网格间距的整数倍) ，则必须剪裁掉冗余的部分，然后在重新计算实际用 到的该图像宽、高； ( 3 ) 建立该图的灰度值与地形高程的线性映射关系： ( 4 ) 依据网格交点的灰度值以及线型映射关系，求出对应于该点的地 图的高程值：并将其存储到两维数组中； ( 5 ) 计算出各个顶点的法线，利用o p e n g l 的显示技术，绘制地形的 三角形面片。 该算法实现的流程图如图2 2 ： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 l 使用o p e n g l 数显示 图2 2 流程图 i l 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 顶点法向量的计算 法向量( 亦称法向) 是面上某一点处垂直于该面的向量，在平面上各点 有同一个方向，因此有同样的法向量。而在曲面上各点具有不同的法向量。 几何对象”1 的法向量定义它在空间中的方向，特别定义相对于光源的方向， 因此某项点的法向量决定了对象在该点上可接受多少光照。对于正方形格网 d e m 中的各个格网顶点，必须依次计算其法向量。 ( 1 ) 计算三角形面的法向量 在三维环境中，每个面都具有2 个方向，因此计算三角形法向量时必须 按相同的顺序( 顺时针或逆时针) 。从三角形中找出两条有向边，计算其叉 积，得到的结果就是该三角形的法向量( 如图2 3 ) 。 n p i 图2 - 3 ；三角形的法线 3 ( 2 ) 计算各个顶点的法向量 计算每个顶点的法向量有多种方法，可以简单的将周围三角形的法向直 接相加得到，也可以由其周围三角形的法向加权平均得到，并对结果向量迸 行单位化。在本论文中，顶点法向量的计算是由其周围的面的法向量的直接 相加得到的。1 、首先计算地形四个角的顶点法线( 有一个面所决定) ；2 、 计算地形四个边上的顶点法线( 有两个面所决定) ：3 、计算地形内部的顶 点法线( 有四个面所决定) ； 2 2 4 算法的优缺点 ( 1 ) 该算法有以下优点： a 、由于是基于位国来生成模型，因此可通过有关的绘图和图像处理 软件来处理位图图像，使生成的地形模型完全符合用户的需要； b 、通过位图生成地形，可大大缩短生成的周期，易于编辑和修改： c 、通过观看位图就可了解整个地形的全貌； 武汉理工大学硕士学位论文 d 、该算法简洁，易于实现。 ( 2 ) 该算法的局限性： 因受当前图像存储空间的限制，即使是真彩色位图，也只有2 5 6 个等级 所以在表现等级高的地形时，其精度受到一定的限制。 2 2 5 算法的试验结果 使用v c + + 7 1 和o p e n g l ，实现了本文提出的算法，具体效果如下 图2 4 三维网格地形( 网格模式) 2 3 基于等高线建立数字高程模型的方法 基于等高线创建d e m 的方法是将二维等高线地形图转换为三维地形。该 算法比较简单，但是比较费时费工，原因是采集数据时，需要手工操作。 该方法的总体思路是：首先从等高线地形图中获取一系列的离散点高程 数据；然后采用内插的方法求出规则网格各个交点的高程；最后采用三角带 的形式把规则格网的各个顶点连接起来。 2 3 ，1 等高线数据的采集 基于等高线生成d e m 的方法，其中最麻烦的一件事就是等高线数据的采 集因为必须手工提取各个等高线的高程信息。采集的方法因人丽异。有的 采用沿每条等高线采集的方法，有的采用沿水平方向采集的方法，也有的采 武汉理工大学硕士学位论文 用沿竖直方向采集的方法。 下面介绍一下本文采用的方法思路： ( 1 ) 为了简化操作，本文首先把等高线地形图划分为规则网格的形式； ( 2 ) 按从上到下，从左到右的顺序来扫描等高线地形图； ( 3 ) 依次记录等高线与规则网格的交点的坐标，其中z 方向的坐标为 该点的高程值； ( 4 ) 采用双向线性插值的方法获取规则网格的各个交点的高程值。 2 3 2 双向线性插值的方法 为获得规则网格的交点，需要采用双向线性插值的方法，结合图2 - 5 ， 介绍一下此种插值的方法。( 图中的等高线上的点表示已采集的等高线点， 格网交点表示将要使用此插值方法获取高程的点) 图2 - 5 编辑过的等高线 对于给定的点，首先从采集好的高程点中，分别得到在竖直方向上、水 平方向上与该点最邻近的上、下、左、右四个点的信息( 即图2 5 等高线上 的四个点) ；然后分别求出被插值点在水平方向、竖直方向上到最邻近等高 线的距离；接着按距离大小比例分别计算出该点在水平方向、竖直方向上的 高度值。最后求出两个高度值的均值最为该点的高程值。 算法的公式化讨论如下： 设等高线的高度已知，而且被标记在图像中，第k 层等高线的高度为h k ( k = 1 、2 、n ) ，若p 点是第k 层到k + 1 层等高