地形的三维动态显示技术 虚拟现实技术教学课件

1、第八章 地形的三维动态显示技术 本 章 要 点 8.1 概 述 8.2 地形实时动态显示的三维建模技术 8.3 TIN模型的生成及VIP简化方案 8.4 数字地面模型的LOD表示 8.5 基于OpenGL三维地形实时交互的实现 8.6 实现地形三维实时交互显示的两种方式8.1 .1 地形三维动态显示与虚拟现实 虚拟现实技术具有两个根本特性，即交互和身临其境。就虚拟现实的虚拟地形环境而言，其虚拟效果是否逼真，取决于人的感官对此环境的主观感觉,而人的信息感知约有80%是通过眼睛获取的，所以，视觉感知的质量在用户对环境的主管感知中占有最重要的地位。换句话说，一个虚拟地形环境的好坏取决于其视景系统的好

2、坏。 因而，三维地形的实时动态显示做为三维视景仿真和虚拟现实的根底和重要组成局部是产生现实感觉的首要条件，舍此便无“现实而言。因为虚拟地形环境面临的是巨量的地形数据和地面特征数据，利用这些地理空间数据建立一个逼真、实时、可交互的地形环境并实现具体应用是一个复杂的工作，所以三维地形的实时动态显示成了虚拟现实的一项关键技术。 8.1 概述 8.1.2 三维地形实时动态显示是建立虚拟地形环境的关键 对于动态图形效果而言，每帧图形的生成时间局限于3050毫秒；而对于交互延迟，除包括交互输入及处理时间外，图形生成速度亦是重要因素。 而地形是自然界最复杂的景物，对它的实时动态显示对计算机硬、软件提出了更高

3、的要求。其原因在于：1、 地貌是一种相当复杂的几何体；2、 地貌模型的数据量庞大；3、目前没有一种既保持地形逼真性，又保证生成速度快 的适于地景生成的最优算法。 故三维地形的实时动态显示成了建立虚拟地形环境的关键技术。8.1.3 本章主要研究内容自然界三地形三维实时动态显示的空间建模技术和数据组织方法；利用卫星遥感图像，实现基于遥感影像的地形动态显示对利用OpenGL实现三维地形实时显示中的关键技术进行分析；用OpenGL软件配3D加速卡，开发一套在微机平台下的地 形实时交互系统； 8.2.1 建模的根本过程1实时动态性。2视域聚焦性。3三维交互性。4数据多层性，也称 LOD。Levels o

4、f Detail 多层次细节特性实时动态虚拟地景有以下几个特征：8.2 地形实时动态显示的三维建模技术基于以上四个特征，动态地景建模根本过程如图8-1所示。 一 DEM规则三角网GRID DEM的最常见形式是高程矩阵或称为规则形格网GRID，它可以由对不规则或规则的空间数据点进行插值获得。它用一系列等间距地形的高程值表示，代表一方形格网地形，格网交叉点高程值就是对应地面某点的高程 8.2.2 DEM的两种表示方法GRID、TIN 及其比较 图8-2 GRID数据基本格式 XY 不规那么三角网 TINTriangulated Irregular Networks是DEM的另一表现形式，TIN是一

5、个使用一系列连续相邻的不规那么三角形组成的地面模型,X坐标和Y坐标间距不定。二DEM不规那么三角网TINXY 图8-3 TIN数据基本格式 尽管GRID模型在GIS等领域有着广泛应用，但缺点是：1、在平坦地区出现大量的数据冗余；2、网格大小固定，不能适应不同的地形条件。这两个缺点在地表起伏不大的地区尤为突出。 与之相反，TIN模型能较好地顾及地貌特征，允许在地形复杂的地区收集较多信息，而在简单地区收集少量信息，其数据冗余少，简化数据可能带来的失真也较小，但TIN计算麻烦，不便计算机操作。TIN与GRID数据相比，二者各有优缺点。8.2.3 GRID格网SMC简化方案 根本思想：针对GRID数据

6、的特点，对GRID数据进行四叉树Morton编码，由于Morton码是自然码，所以可以将DTM二维数组转化为一维数组，对一维数组进行扫描，一次检查每四个相邻格网的高程值，判断这四个格网对应九个格网点能否按照倾角阈值准那么合并。假设符合简化标准，那么合并为一个节点并记录地址，否那么不作处理。如此循环，直至不在有可以简化的点。 1. 进行Morton编码，选取相邻四个格网对应九个格网点. 2.建立地表趋势面，由这九个点的三维坐标计算出适宜 的地面，外表可用二次曲面方程：GRID数据SMC简化根本步骤为： p2p3p4p5p6p7p0p1根据最小二乘原理，由坐标可解出六个外表系数。 3.计算倾角。曲

7、面上某一点处的倾斜角b可由下式计算4.计算出平均倾角。5.差值比较和判断。计算平均倾角与所求中心点的倾角之差，并将这个差值与标准阈值比较，判断该中心点是否可以删除。8.3 TIN模型的生成及VIP简化方案 与GRID模型相反，TIN模型能较好地顾及地貌特征，其数据冗余小，因此更适合地形动态显示。适用构造TIN的方法有分步法自动生成三角剖分网；基于泰森Thiessen多边形网和狄洛尼Delaunay三角剖分网的对偶关系生成初步优化三角形剖分网的一步法及应用数学形态学生成三角剖分网法等。1.分步法自动生成三角形剖分网 自动生成三角形剖分网的根本问题，是如何将有界平面上所有n个互不重合的参考点其中有

8、m个参考点落在的边界上，结成满足如下条件的三角形格网： (1)三角形格网中的所有网格都是三角形； (2) 全部n个参考点都是三角格网的结点，三角形格网 共有n个结点。 自动三角剖分算法的关键问题，是如何调整初步三角剖分网，使它更加适用于具体问题的求解，即三角剖分网的优化处理。 2. 生成初步优化三角形剖分网的一步法 这种方法将生成初步三角形剖分网和图形优化处理这两步工作，合成一步进行。其数学依据，是泰森Thiessen多边形网和Delaunay三角剖分网的对偶关系，在构造Thiessen多边形网的同时，就可得到Delaunay三角剖分网。3. 应用数学形态学生成的三角剖分网法 考虑到DTM G

9、RID格网是最常见的DTM形式，我们采用了从稠密格点形式的GRID格网点集中，筛选“重要点集Very Important Points，缩称VIP用来生成描述地形起伏的三角形剖分网并进行简化方法，即VIP方案。 在数字图像处理中，通常用高通滤波器提取图像细部的高频局部。DTM GRID格网也可看作一副数字图像16，可使用一种经过改进的空间二阶微分高通滤波器，用来从稠密高程格点集滤取地貌特征点，组成“重要点集。显然，如果某格点高程可从相邻格点的高程推算得到，就不是特征点。可见，评定格点是否“重要的依据，是它的“导出性量度。VIP简化方案 格网点P0I0，J0，h0在行方向的二阶微分量度AC如图8

10、-7所示，图中J0为待评价格点的列号，J1，J2为行方向上相邻两格点的列号。计AC的长度为d，显然d越小，P0点高程h0的导出性越高，即P0越不重要。图8-8 图8-7 F(x)CJ1J2J3DTM GRID格网中，非边界上的任意一点都与周围的8个点相邻，因而在考察某格点的“导出性 量度时应从相邻的8个格点，4个剖面来考虑 pi为权系数,可根据需要采取相同或不同的值。显然S(P0)|越大，P0越重要，可将|S(P0)|视为P0的重要性等级。这样可以计算出全部格点的重要性等级，并依此划出重要性量度直方图 考虑4个剖面的格点“导出性”量度S（P0），如式所示： 图中，纵轴度量格点个数，横轴度量“重

11、要性等级”划分。曲线底下的全部面积表示格点总数，等级划分绝对值较小的点，是比较不“重要”的点，通常占总格点数的绝大部分。选取重要性点集可根据点集的容量，试凑性地在直方图上设置上、下阈值“T”和“-T”，如式所示筛选“重要点集”。 式中，I=1，2，N，N为格点总数，IP为重要点集。调整T值，使之到达预定的IP容量；也可先确定SP的阈值，而点集容量不定，使IP能更好描述地表的起伏。 LOD技术是指同一场景或场景中的物体，使用不同细节的描述方法得到一组模型，供绘制显示时选择使用。为物体提供不同的LOD描述是控制场景复杂度和加速图形绘制速度的非常有效的方法。它可根据一定的判断标准判断物体的重要等级相

12、应采取不同的处理，重要性较高的显示较多的细节，相反重要性较低的显示较少的细节。8.4数字地面模型的LOD表示 假定物方坐标系Z轴垂直向上，XY平面水平，当ABD及ACD合并且由ABC代替时,该简化的误差可由点D和BC中点M确定的线段DM的长度来度量,用D表示,这里D=|ZD-(ZB+ZC)/2|。这样，如果D小于阈值M，即DM，认为合并后三角形与它的子三角形的误差小于用户允许的大小，简化是成功的。XZAYBDCM 假定视点V在物方坐标系中的坐标为XV，YV，ZV，在物方坐标系中的垂直法线为x(x1,y1,z1), y(x2,y2,z2), z(x3,y3,z3),视点到投影面距离距离为d，用下

13、标view和proj分别表示物体在物方坐标系和像方坐标系坐标。那么对于空间点PXP，YP，ZP，可由式8-6得到其视点坐标PviewXviewp，Yviewp，Zviewp。根据透视投影关系，可得P的屏幕坐标为：故D的屏幕坐标为：M的屏幕坐标为：从而D的偏差值screend=|DM|可表示为： 聚焦程度用视线方向与视点V到D的直线的夹角的余弦表示: 综合投影大小与聚焦程度，如果D=screend*cos的值越大，那么该目标点逾重要，以此作为简化的标准。这样根据不同的阈值进行不同的简化。一层简化阈值为D1，二层简化阈值为D2，依次类推，层数越高，阈值越大，地形越简单。具有多个阈值的分层结构，如下

14、图 8.5.1 OpenGL概述 OpenGL是开放式图形工业标准，是绘制高真实感三维图形，实现交互式视景仿真和虚拟现实的高性能开发软件包。国内外相继推出专门对OpenGL进行硬件加速的三维图形加速卡 ，从而为OpenGL提供了广阔应用前景。基于OpenGL进行三维显示和交互，是当前的开展趋势。 OpenGL是底层库，SGI在OpenGL之上建立了四个简化编程任务、易于在窗口系统上执行的高层库。8.5 基于OpenGL三维地形实时交互的实现 OpenGL实际上是一种与硬件无关的编程界面，可以建立活动的三维几何对像的交互式程序。它可以在连接各种计算机的网络环境中。 利用较低层OpenGL命令编写

15、一些执行特殊任务的例程，如纹理映射、坐标变换、多边形网格化，NURBS曲线和 曲面等。GLU例程前缀用glu。2. OpenGL的X Window系统扩充GLX 在使用X Window系统的机器上，提供一种OpenGL现场 context，并把它与可绘drawable窗口关联起来的方法。GLX作为OpenGL的附件提供。GLX利用前缀glx。 1. OpenGL实用库GLU 4. OpenGL Inventor 这是一个基于OpenGL的面向对像的工具箱，提供有关建立交互式三维图形应用的对像和方法。 这个库建立一系列简单而又完整的编程例子，例如初试化窗口、监控输入，以及绘三维对像等。辅助库例程

16、用前缀aux。3. OpenGL辅助库Auxiliary Library OpenGL根本操作是从指定顶点开始，通过流水线处理，到最后把像素值写入帧缓存的整个过程中所执行的全部操作。OpenGL根本操作的顺序如图 :8.5.2 OpenGL根本操作光栅化和 片操作纹理匹配帧缓存鉴别器顶点操作和图元装配显示 表象素操作顶点数据像素数据8.5.3 用OpenGL进行地形动态显示 OpenGL作为高效图形开发软件包，它包括四组100多个图形函数，可以方便实现二维和三维建模、投影变换、光线和色彩处理、纹理映射、动画和实时交互等功能。用OpenGL进行地形动态显示的根本框架，如下图。地形建模模型LOD分

17、层模 型OpenGL映 射场景设置投影变换三维动态显示8.5.4 OpenGL模型映射 DTM格网是最常见的数字地形模型形式，利用OpenGL制作遥感图像三维影像图，就要将数字地形模型格网用OpenGL原语描述，为OpenGL图形函数所识别。OpenGL提供了点、线、多边形等建模原语，我们可对TIN三角网直接用OpenGL原语表示，而对DEM网格可进行OpenGL的三角面串处理，例如任一网格的四个顶点S0， S1，S2，S3如图所示。S0S3(I,J+1)UVS2(I+1,J+1)S1(I+1,I)S0(I ,J)可如下描述： glBeginGL_TRIANGLES_STRIP； glVert

18、exxij，yij，zij； S0点 glVertexxi+1 j，yi+1 j，zi+1 j； S1点 glVertexx ij+1，y ij+1，z ij+1； S2点 glVertexx i+1j+1，y i+1j+1，z i+1j+1； S3点 glEnd；实验中，考虑到光照、雾等特殊效果，在将DEM转为OpenGL的三角面串以后，又为每个顶点计算了法向量，经简单光照模型处理，取得了理想的三维效果。8.5.5 遥感图像与地形融合 OpenGL提供两类纹理，一类纹理图像的大小必须是几何级数，另一类Mipmaps纹理可为任意大小。在Mipmaps纹理映射技术的根底上，我们可将遥感图像与地形

19、融合。 OpenGL环境下在遥感影像和数字地形相套合时，地形与遥感影像的配准是关键。为了获取较好的视觉效果，配准方案可采取数字地形向遥感图像匹配。通过控制点，建立匹配方程，将数字地形由大地坐标系转到影像坐标系中。另一匹配方案是将遥感影像经重采样等处理获得和数字地形相应的新影像，缺乏之处是重采样处理中颜色量化可能失真，影响最后三维效果。8.5.6 观察路线设置与视点计算 为了到达三维交互控制的目的，可在正射遥感数字影像上任意选择观察路线，对路线上的采样点记录平面坐标根据采样点的平面位置从DEM中依埃尔米特插值确定观察路线上采样点的高程和平面坐标。Fly_Through观察时，观察路线上每个视点的高度可由观察点地面高程加上“飞行高度确定；Walk_Through观察时，观察路线上每个视点的高度可由观察点地面高程加上身高确定。8.5.7实时显示与虚拟现实 OpenGL提供了双缓存技术，通过它可实现地形实时动态显示。其根本原理是提供前、后两个缓存，在显示前台缓存内容的一帧图像时，后台缓存正在绘制下一帧图像，后台绘制完成后，交换前后台缓存，不断循环，实现动态显示。进一步可结合立体视觉技术、传感技术、多媒体技术等实现虚拟显示。 OpenGL图形优化 OpenGL包括二种绘图方式，一种是立即绘图方式Immediate mode，一种是显示列表方式Display mode。立即方式是一接收绘图