毕业设计（论文）外文翻译：用于交互式操作三维场景地图的大尺度矢量数据显示

用于交互式操作三维场景地图的大尺度矢量数据显示M..Sun，G.L.Lv，CLei北京大学测绘研究所，颐和园路，北京，中国中南大学遥感与地理信息系统所，长沙，中国深圳工程勘察研究院有限公司，深圳市，中国第四委员会，WGIV/4关键词：三维场景地图，海量矢量数据，操作，显示摘要在场景地图中显示大型三维矢量数据是很重要的，因为三维矢量数据可以提供许多重要的信息，如：精确的地理边界，区域，三维文本标记，不同属性的标识，精确的路径和在实际的许多重要无形信息世界（如：地下的东西）等。在本文中，我们提出了一种技术，它能够在三维场景地图高效，精确地显示二维矢量数据。为了从繁重的计算释放CPU，基于纹理的方法被选择渲染在浏览模式下三维地形块上的二维矢量数据。基于几何的方法在交互操作模式或需要矢量数据的准确表达时被选择。我们使用静态地形目（STM）代替基于SOAR算法的动态地形网格，以改善从实时二维矢量数据的三维几何图元创作效率，并支持三维矢量对象的交互操作。此外，多种尺度的二维矢量数据的地图数据用于生成矢量数据的金字塔。这些策略使得大规模的矢量数据显示三维场景图变得容易。绪论大多数在三维场景地图的研究工作强调真实视图的重建，其中在一个虚拟场景使用复杂模型来表达建筑物和植被，但是，地理空间数据（包括矢量数据及其属性数据）的表达一般是忽略（斯蒂芬M.2004年）。地理空间数据表达的重要性在于，在真实视图无形的数据可以在数字虚拟场景被浏览，操纵和分析。这也是利用地理信息系统（GIS）的主要目的。换句话说，GIS的应用程序依赖于地理空间数据。因此，如果在三维场景地图中对于地理空间数据的表达和可视化被忽略，那么结果将利用仅限制为场景浏览。一些对如何在数字地形模型或三维场景地图中可视化矢量数据的研究工作已经完成。他们一般可以分为两类方法：类光栅方法，将矢量数据投影到一个图像用作在数字高程模型中的纹理贴图。类向量方法，将二维转换几何图元到三维几何图元，两类有不同的缺点。一般情况下，栅格法无法避免混淆和存储成本的问题，例如：当地形网眼足够接近的观点出发，纹理必须被放大时，当精确到1个像素不能满足矢量数据的表达。矢量方法一般无法避免Z缓存的问题，如地理信息系统矢量数据主要表达在二维平面上，当他们被转换成三维空间，在细节上线段和多边形平面不能三维地形网格面匹配。在我们的方法中，我们在不同的详细程度分别使用两类方法。对于大范围地形场景的快速可视化，基于细节层次（LOD）和四叉树索引的三维地形模型金字塔被建立，数字高程模型块以静态地形网格被表示。当大型矢量数据对应的金字塔被建立，在金字塔中的矢量数据块被转换成预处理的纹理或如果硬件能力允许的情况下用实时的P缓冲器技术被渲染。图1.可视化在平谷区矢量数据（北京）当矢量数据的纹理未拉伸到比在渲染处理它们的原始尺寸大时，矢量数据可以精确地表达。在我们的方法中，我们切换到基于几何的方法如果DEM块移动靠近视点或者一个矢量对象需要交互操作。三维几何图元从静态地形网格相交的经过矢量对象的线段的垂直平面被创建。我们的方法的优势包括满足实时大规模矢量数据呈现，支持在三维地形表面交互操作和编辑矢量对象。本文的结构如下：第二部分讨论相关工作。第3节介绍了DEM和矢量数据管理。第4节说明了我们的大型矢量数据呈现方式。第5部分解释了交互式操作和矢量对象进行编辑的技术。第6节给出结果与讨论。相关工作对于大型三维地形模型显示，一些技术进入成熟，典型的工程已经完成——马克（1997年），林德斯特罗姆（2001年），和Ulrich（2002）。林德斯特罗姆提出的SOAR算法和马克提出的ROAM算法，都成为地形网格简化的著名算法，乌尔里希提出分块的LOD方法使得大规模地形可视化更容易。这些方法的思路是实现实时LOD生产，即三维地形动态网格以不同精度的三角全局和局部刷新本身。为了通过这些制作的网格简化方法解决在三维地形上三维矢量显示，Wartell等（2003）提出了一种算法通过适应折线到多分辨率地形网格呈现地形网格折线，这当海量矢量数据需要呈现时导致昂贵的计算成本。Schneider等（2005年）提出了其中构成两部分的混合技术，第一部分是一个基于纹理的方法和所述第二部分是基于几何的方法。在工作​​中，多分辨率的三维几何形状由预处理步骤中创建，并结合四叉树节点负载和显示。该方法的主要缺点是，不支持交互式操纵向量数据，并且不适合于大规模的矢量数据集。此外，施耐德和克莱恩（2007）提出了一种是基于模版阴影卷算法，并允许对地形矢量数据的高质量实时覆盖。此方法利用屏幕空间算法呈现矢量数据，这样可以避免锯齿，其性能几乎不受地形的几何形状。尽管使用这种方法，矢量数据的交互式编辑和操纵是可能的，从地形几何矢量数据渲染的独立性将为实际性能引入困难。除了这些基于几何图形的做法，一些基于纹理的方法被提出。Kersting等（2002）人提出的一个典型的工作。他们提出，使用OpenGL提供的P缓冲器，一个在纹理金字塔被建立当实时投影矢​​量数据生成到目标平面渲染矢量数据。虽然P缓冲技术可进行得非常快，但其大小被限制，和矢量数据在每个帧中横越需要昂贵的计算费用。此外，一些工作对于实现三维场景地图上添加地理信息系统功能提出不同的方法（Dollner2000），或添加矢量在三维GIS的展示（斯蒂芬等，2008），但大部分工作有待完成。DEM和矢量数据管理数据管理对于有效地显示地理空间数据是十分重要的。大规模地形显示方法一般采用金字塔结构来组织DEM和匹配的图像（图2），因为数字高程模型和图像数据是栅格格式，可以很容易地创建金字塔结构。然而，矢量数据通常捕获并处理在一定的比例尺下（例如：1：500，1：1000，1：2000，1：5000，等等）。一组随机尺度矢量数据需要从相邻的尺度生成，但生成算法本身仍是一个很大的问题如果需要保持随机尺度矢量数据的高品质。为了从金字塔结构匹配DEM数据级别，相应尺度的矢量数据是必需的。在我们的方法中，我们使用动态生成的方法来满足这一要求。一个简单的方法是使密点矢量对象取决于从视点的距离变得稀疏。在我们的方法中，我们采用了SunM.等人提出的方法。图2.DEM（左）和矢量数据（右）管理与金字塔结构（虚线表示的矢量数据是刚刚索引但不被分成四叉树块在物理上）渲染大尺度矢量数据基于纹理的方法在我们的方法中，静纹理金字塔被采用，这是将矢量数据投影到一个平面上生成。静态纹理金字塔的优点是只需要一次数据预处理，而且容易在许多解决方案被向下缩放建立DEM一个相应的金字塔。这种方法的主要缺点是矢量数据的精度显示所由纹理​​大小的限制，或者需要巨大存储器成本，以提高在高准确性大规模矢量数据实时渲染（2002Kersting）。一种替代的方式是，如果硬件能力允许的话当矢量数据被加载时生产覆盖纹理。为了弥补基于纹理方法产生的缺点的差距，并支持矢量数据交互操作和编辑功能，我们提出个快速的基于几何方法。快速的基于几何方法Wartell等人提出该基于动态的LOD地形模型几何为基础的方法（2003Wartell），所以需要昂贵运算成本来实现实时渲染（2007施耐德）。在我们的方法中，我们开发的静态三角形网格（STM）来表示基于由林德斯特罗姆提出的SOAR算法的DEM块。STM是通过简化格网DEM在错误的一个给定的阈值时，格网DEM在不同的分辨率的下降比例创建的。STM有一个优点可以支持低计算成本。虽然表达错误被引入STM，它可以通过分配一个可能的最低值来控制该阈值，并且不会影响DEM在某种程度的利用。作为一个金字塔结构用于实时加载DEM数据依赖的观点，因此在每帧只有几个街区被刷新，这使流畅的渲染是可行的，当显示卡拥有良好的能力（如1G内存）。一般情况下，计算几何为基础的方法最花费计算时间的是三角形搜索和交点。由于STM是由直角三角形集组成，所以基于几何的方法可以在很大的程度得到改善。图3.静态地形网（STM）由直角三角形，其支持高效搜索和相交的计算与随机线段4.2.1在STM三角形的编码：一个STM块被分割两个三角形内置到两个二进制树，它利用一组二进制码容易表达在STM块中三角形的位置和方向，所以容易通过二进制树的代码定位一个三角形。例如。一个三角形在图3中的代码可表示用代码1R2L3L4R5L，R表达右子节点，L表达左子节点。4.2.2随机线段与直角三角形的相交：有直角三角形的八个方向存在于STM（见图3）。这很容易被它的水平和这是父节点的左边或右边的总结点来确定一个三角形的方向。然而，随着三角形单随机线段相交只有四种情况：分别与垂直侧，横侧，45度最长的边和135度的最长边。四个特殊情况的交点算法可以被编码和有效地执行。4.2.3三维多边形几何图元：创建三维多边形几何图元是复杂的，因为它需要确定它的通常不是一个平面的内表面。为了与地形表面保持一致，三维多边形几何创建在我们的做法中的目的是找到与相交二维矢量多边形的STM块三角形。这可以很容易地通过给定线段位置和STM三角形的代码确定相交的三角形。当多边形的多个顶点在一个三角形内，所述相交部分可简化三角成三角形的扇状区域（图4），当所有这些顶点都在这个平面上。 为了确定内三角形，我们使用水平扫描线，以确认一个三角形是否是一个多边形内，例如：如果一个三角形相交的扫描线，但不交叉的多边形边界，则它是该多边形的内部。扫描线的间隔可以使用值，该值稍微小于最低水平三角形水平角（图4），扫描线的方法能加工凹凸多边形的箱子。 三维几何图元一个多边形的是一个三维网格，它是由所有内部三角形和三角交点的一部分组成。为了避免z缓冲区的影响，一个小偏移值应添加到每个顶点的Z向量。 对于大规模的矢量数据，即足够接近于视点的矢量对象被基于几何的方法渲染，以提高渲染速度。

图4.创建的二维多边形的三维几何图元交互操作拾取操作 当矢量数据被通过基于纹理技术渲染，拾取操作可以通过投影被拾取的地形点到二维矢量数据所在的平面来获取选定的矢量对象，由Kresting等（2002）提出了这样的想法。在创建三维几何图元时，拾取操作可以采用与投影三维几何到二维平面相似的方法进行，因为在二维平面的计算比在三维空间更加简单和快捷。操作矢量对象矢量对象的操作包括编辑顶点，移动，操纵或旋转调整一个对象，并且改变一个对象的属性等。作为三维几何图元是独立的STM块，所以该操作仅对三维矢量对象执行。当一个三维矢量对象被移动，旋转或调整大小，老的矢量数据被删除，而新的矢量数据采用第四节介绍的方法被建立。如果折线或多边形的一个顶点被编辑，则三维几何形状由同样的方法刷新。结果与讨论 渲染矢量数据可以增强三维场景地图的许多无形的信息，并使三维场景地图更接近三维GIS。然而，大规模的矢量数据通常需要在三维GIS呈现。金字塔结构和四叉树的索引可以提高多尺度大规模矢量数据可以被实时的加载上来。为了克服地形啮合矢量线段实时相交的昂贵的计算成本，我们建立STM，因为它有一个特殊的结构，所以三维几何图元可以在预处理或实时浏览过程中创建，并且交互操作可以容易地实现。 考虑到系统对二维GIS的兼容性，三维几何图元是实时创建。为了避免大量的数据计算，仅对靠近视点的矢量对象进行处理，并切换到三维矢量显示，一旦一个二维矢量对象创建三维几何图元，则它被记录并保存，直到需要一些编辑时。 在图5中我们的方法的结果取得了展示。它能够可视化线和面要素。靠近视点的矢量对象可以以实时浏览平滑效果从在栅格模式被呈现切换到矢量模式。结论 在我们的方法中，我们利用混合技术准确，高效地在三维场景图中绘制矢量数据。基于纹理的技术被用于改善该定位远离视点区域大规模矢量数据的渲染。基于几何的技术被使用在邻近视点和当交互操作是必需的时候。对于快速的三维几何图元的实时渲染，数字高程模型金字塔STM中被建立，该金字塔以二叉树索引并由支持高效的计算得直角三角形组成。鸣谢我们要感谢MOST（Prj.No：2007AA12Z234）和中国国家自然科学基金委员会（Prj.No：40620130438）对这项工作的财政支持。参考文献StephenM.LandscapeVisualization:ProgressandProspects,ESRI2004UCProc,2004.URL:/library/userconf/proc04/docs/pap1647.pdf(accessed5May.2008)MarkD,MurrayW,etal.RoamingTerrain:Real-TimeOptimallyAdaptingMeshing.In:Proc.oftheIEEEConf.onVisualization1997.1997.81-88.UlrichT.Renderingmassiveterrainsusingchunkedlevelofdetailcontrol.In:Proc.oftheACMSIGGRAPH2001.2002.Lindstrom,P.,Pascucci,V.VisualizationofLargeTerrainsMadeEasy.In:ProceedingsofIEEEVisualization2001,363-370,2001.WartellZ.,KangE.,WasilewskiT.,etal.Renderingvectordataoverglobal,multi-resolution3Dterrain.In:ProceedingsontheSymposiumonDataVisualization,volume40,pages213–222,2003.SchneiderM.,GutheM.,andKlein.R.Real-timerenderingofcomplexvectordataon3dterrainmodels.In:ProceedingsofThe11thInternationalConferenceonVirtualSystemsandMultimedia,pages573–582,2005.SchneiderM.,Klein.R.EfficientandAccurateRenderingofVectorDataonVirtualLandscapes,2007KerstingO.,DollnerJ.Interactive3DVi