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关于真 实感地形可视化的研究.doc

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1、关于真实感地形可视化的研究第 26 卷第 4 期2006 年 7 月海洋测绘HYDR0GRAPmCSURVEYGANDCHART 口 GVoL26,No.4Ju1.,2006关于真实感地形可视化的研究孟婵媛,宋学征,贾俊涛,谭冀川,陈超(1.海军海洋测绘研究所,天津 300061;2.海军出版社 ,天津 300450)摘要:主要介绍了地形从模型到可视化对象生成的原理和基本步骤 ,利用这些原理,步骤,可以不借助任何基础引擎实现地形的可视化,为 3D 开发者提高地形可视化技术和应用能力 ,提供了一定的理论和经验基础.关键词:地形;可视化;数字高程模型;投影;消隐中图分类号:P208 文献标识码:B

2、 文章编号:1671-3044(2006)04-0046-04地形可视化方式可以分为两大类,即二维平面表示和三维立体表示.其中,二维平面表示主要是指等高线法,半色调符号法和分层设色法等,等高线法与分层设色法是基于二维介质平面精确表示三维地貌形态的常用方法.半色调符号法主要用于处理栅格形式的数据,根据最大最小高程值设定不同的色调显示.随着计算机图形技术的发展,具有真实感的三维可视化表示越来越成为数字地形可视化的主流.三维可视化表示的基本思想是由三维空间到二维平面的变换,其基本原理包括投影变换和消隐处理.真实感图形的计算机合成需要根据光源的位置和颜色,地面的形状和方位,地面的光谱特性等计算画面中每

3、一点的颜色灰度.通常包括下列步骤:(1)将地面模型分割为三角形面片的镶嵌;(2)确定视点位置和观察方向,对地面进行图形变换;(3)可见面识别;(4)根据光照模型计算可见表面的亮度和色彩;(5)显示所有可见的三角形面片;(6)纹理映射.2 可视化步骤2.1 地形表面剖分与图形变换三角形是最小的图形基元,基于三角形面片的各种几何算法最简单,最可靠,构成的系统性能最优.所以,大多数硬,re/软件/固件真实感图形描绘系统都是以三角形作为运算的基本单元.TIN 数据结构的数字高程地形可以直接进行明暗处理;可是,由于目前的数字地形产品全是按照栅格结构表示的,因而,地形的表面则先要进行三角形分割.由于每一个

4、栅格数据点的邻域都是已知的,则可直接建立三角形结点的线性链表,如图 1 所示.图 1 栅格 DEM 的三角形分割阴极射线管显示的内容完全由观察者的位置和视线方向确定.因而,需要把世界坐标系 0-XYZ 变换到视坐标系 0.Xe,再把图形投影到显示屏上,这一系列变换统称为图形变换.可见,图形变换是平移,旋转,缩放和投影等变换的组合.视坐标系的原点固定在视点,负轴指向观察方向.图 2 表示了这两种坐标系之间的关系和各视坐标轴的方向余弦.可见面识别,投影变换,明暗处理等都将在视坐标系内完成的.l,m2,m3)图 2 三维空间的坐标变换收稿日期:2006-02-07;修回日期:2006.04.10作者

5、简介:孟婵嫒(1979 一),女,天津人,硕士,助理工程师,主要从事数字海图研究.第 4 期孟婵媛,等关于真实感地形可视化的研究根据给定的视点坐标(,l,z). 和观察方向(方位角和俯仰角卢), 即可算出视坐标轴的方向余弦.为了简化计算,又可将从视点到世界坐标系原点的矢量 00 和视线方向合二为一,并把该方向作为将来的投影方向.这样,只要给出视线方向和视距 D,即可算出视点的坐标.将三维地面表示在二维屏幕上实际是一个投影问题.为了取得与人类视觉相一致的观察效果,产生立体感强,形象逼真的透视图,在计算机图形处理领域广泛采用透视投影.如果将平行于 z 平面且离视点的距离等于的平面作为投影面,那么目

6、坐标系中的一点在显示器上的坐标(,Y)可由下式进行计算:一Xf 二eY=Xfe(1)(2)其中厂类似于照相机焦距的作用,表示投影平面到观察者的距离.一般的经验表明,该值取屏幕大小的 3 倍时获得的视觉效果最佳.2.2 可见面识别与线化透视图形的隐藏线消除不同,真实感图形合成面临的是消除隐藏面问题.即识别那些从当前观察者位置可见或隐藏的面片,视场外的面片当然被裁剪掉,而视场内的面片则必须查明被其他面片隐藏的部分.因此,这又称为可见面识别.尽管现在已有许多可见面识别的算法,但没有一个对所有情况都是最好的.目前,可见面识别算法均使用某种形式的几何分类来识别可见和隐藏面.可见面识别技术分为两类,即图像

7、空间算法和物空间算法.前者检查投影图像以识别可见面,而后者直接检查物体定义.对于 n 个三角形面片产生个像素,因图像空间法检查每个像素,计算复杂度为 0(nN);相反,物空间法要比较每个面片,计算复杂度为 0(n).通过比较属于物空间法的深度排序和属于图像空间法的深度缓冲,面积细分,扫描线四种常用的可见面识别算法,对于三角形个数少于 10000 的大多数情况来说,深度排序是效率最高的方法;而当三角形多于10000 个时,除深度缓冲外,其余方法的效率显着降低.因此,则应该用图像空间的深度缓冲方法识别可见或隐藏面.深度排序法是将所有三角形根据其到视点的距离进行排序,再从远到近地处理每一个三角形.近

8、处的物体颜色将覆盖掉较远处物体的颜色,最后的结果自然已消除了隐藏部分.由于三角形面片均只在各三角形的边界处相交,不存在诸如相互穿插等复杂情况,所以采用深度排序是可靠的.深度缓冲方法的特点是要保留一个二维阵列,用以存储计算机帧缓冲中当前显示像素的深度.三角形面片被分解为像素大小的部分,每一部分的深度将与 Z-buffer中的相比较,若某一部分比当前的像素更近,它将被写入帧存,Z.buffer 也被新的深度所更新 .Z-buffer的大小取决于所用的显示器分辨率大小,显然,1024768 的分辨率将比 640480 的分辨率占用更多的空间和处理时间.不管用哪种可见面识别方法,处理的结果都只对一定的

9、视点位置和观察方向有效.所以,动态改变视点和视线方向的实时图形显示都受到可见面识别即消隐效率的限制.值得注意的是,在视坐标系内,所有点的深度都是负的.2.3 光照模型一旦发现可见面,便要把其分解成像素并正确着色,进行明暗处理.明暗处理的前提是要模拟各种光源照在地面上的效果,计算每一个像素点的颜色亮度.由于光照在三维物体表面上时各部分的明暗不同,因此,三维地面显示的逼真性在很大程度上取决于明暗效应的模拟.物体的反射可见光能量包含了物体空间与光谱两方面的信息,是我们观察和识别物体的根本依据.由于自然地面各种物体的波谱反射特性千差万别,加之各种光源的混合作用,要完全逼真模拟自然景物的光照效果显然是不

10、可能的.从表面反射的光线可以分为两部分:镜面反射和漫反射.对于理想的镜面反射表面,再辐射光线只有一个方向即反射光方向;而理想的漫反射表面却等量地在各个方向再辐射.实际地面并不是理想的镜面反射体,也不是漫反射体,而是介于两者之间的物体.所以,要创建逼真图像二者都必须进行模拟.显然,光照模型就是要建立地面上任一点处光的反射强度与光源及地面特性之间的关系.图 3 为不同光照下的三维地形图.图 3 不同光照下的三维地形48 海洋测绘第 26 卷2.4 空间图形的描绘一旦知道如何对一个点着色,我们即可考虑如何去着色一个面片,最简单快捷的方法是使用常值明暗法.既然一个三角形的法向从不改变,那么可以使整个三

11、角形面片仅有一个明暗值三角形中心的灰度值,这样,用简单的面积填充方法就可进行图形显示.然而此方法无法表示有光泽的表面,特别是因为灰度明显不连续,其逼真性受到很大影响.2.5 纹理映射为了弥补上述灰度图像只是表示地形起伏情况的不足,就需要表现出地表的各要素特征,即可以通过添加表面细节来达成,这种在三维物体上加绘的细节称为纹理.根据纹理图像的外观可将其分为颜色纹理和凸凹纹理.颜色纹理主要用来表现表面较为光滑但有纹理图案的物体,如刨光的木材,从较高的高空观察的地景等.凸凹纹理则用来表现外观凸凹不平如未磨光的石材,从近处观察的地景或从高空观察的地景(把地球理解为一个表面光滑的球,面的起伏作为纹理)等.

12、生成颜色纹理的一般方法是在一个平面区域上预先定义纹理图案,然后建立物体表面的点与纹理空间的点之间的对应关系,此即所谓的纹理映射.生成凹凸纹理的方法是在光照模型计算中使用扰动法向量,直接计算出物体的粗糙表面.无论采取哪种方法,一般要求看起来像就可以了,不必采用精确的模拟,以便在不显着增加计算量的前提下,较大幅度地提高图形的真实感.如图 4 所示为映射纹理后的透视图像.图 4 在 DEM 表面映射纹理图像3 实验开发3.1 数据模型的导入导人数据模型的格式分为两种:三角网和格网.如果是格网,我们按照前述方法对数据模型进行分割.按照顺时针的方向,将每个三角形图元的三个顶点进行排列,计算出每个三角形面

13、的法向量以及每个点的法向量.3.2 投影变换导人数据模型的坐标系为实际空间的地理坐标系,我们首先确定视点的空间坐标和视线的方向,通过二者计算出该射线的矢量坐标,根据数据点的空间位置坐标,进而计算出该数据点在视点坐标系中的位置坐标(矢量和矩阵运算),最后加入深度分量(远近裁剪平面的深度值),计算出每个数据点在屏幕坐标系上的二维位置坐标,用于最终的图形显示.3.3 颜色,光照以及纹理效果的加入最终图形的显示效果取决于数据模型中每个点的颜色变化,数据点的颜色是多种介质颜色的合成体.使用不同的颜色定义方法,图形显示的效果也不同.直接定义数据点的颜色值可以显示出数据模型的分层设色图,加入光照的颜色可以显

14、示出数据模型的晕渲图,通过与数据模型相匹配的图像文件来计算模型的表面颜色可以显示出纹理图.3.4 实验结论为了检测本算法的实用性,对该方法进行了实验检测.主要检测该算法所显示地形的效果是否较好地保留了地形的特征以及达到类如 DirectX,OpenGL 等图形引擎的显示效果.实验所用的硬件设备为 DELL6000 型笔记本电脑,主要配置为 P1.6,256M 内存,)【300 显示卡,操作系统为WindowsXP.经过实验证明,该方法显示的三维地形始终较好地保留了地形的起伏特征,达到了 DirectX,OpenGL 等图形引擎的显示效果.见图 57.图 5 地形网格化效果图 6 地形晕渲效果第

15、 4 期孟婵媛,等关于真实感地形可视化的研究图 7 地形纹理效果4 结束语近 20 年来,真实感地形可视化技术,一直是计算机 3D 开发的前沿领域,发展迅速.本文介绍了地形从模型到可视化对象生成的原理和基本步骤.深入研究这些原理和步骤,可以为 3D 开发者提高地形可视化技术和应用能力,提供一定的理论和经验基础.参考文献:1彭群生,鲍虎军 ,金小刚.计算机真实感图形的算法基础M. 北京:科学出版社,1999.2PeterJKovach.Direct3D 技术内幕M.北京:清华大学出版社,2001.3RichardSWright.OpenGL 超级宝典(第二版)M.北京:人民邮电出版社,2001.

16、4李志林,朱庆 .数字高程模型M.武汉:武汉大学出版社,2001.ResearchontheVisualizationofthe:lil.dDimensionTerrainMENGChanyuan,SONGXuezheng,JIAJuntao,TANJichuan2,CHENChao(1.NavalInstituteofHydrographicSurveyingandCharting,Tianjin,300061;2.NavyPress,Tianjin,300450)Abstract:Inthispaper,theprinciplesandbasicapproachestobuildingth

17、evisualizationobjectsfrommodelsoftheterrainaleintroduced.Withthem,thevisualizationofterraincanberealizeddependingonnobasicengine.whichestablishesthetheoryandexperiencefoundationfor3Ddevelopersinthefieldsofimprovingtlleirtechniqueandap.pncationabilitiestorealizetheterrainvisualization.Keywords:terrai

18、n;visualization;digitalelevationmodel(DEM);projection;hiddenobjecteliminating8 中国海洋测绘发展研讨会 8暨首届国际海洋测量师论坛召开8l目 5 月 2628 日,由中国测绘学会海洋测绘专业委员会主办的“中国海洋测绘发展研讨会暨首届目8 国际海道测量师论坛“在海军大连舰艇学院召开 .日本次会议的主题为“发展海洋测绘事业 ,服务国民经济建设“. 国家测绘局陈俊勇院士,解放军目8 信息工程大学王家耀院士,海军大连舰艇学院刘新华院长,海军司令部航海保证部王健副部长出席日会议并作了专题报告,交通部,国土资源部,中科院,有关院校,科研院所,部队等系统的委员,以及香目%港海事处 ,中国地图出版社,测绘出版社的代表和首批国际海道测量师共计 60余人参加了会议.会目议就如何加强我国海洋测绘事业的发展和我国自己培养的国际海道测量师队伍建设等问题进行了目日深入探讨,并达成共识.日(翟国君王克平) 口rc1 口亡 1rc1rc1rc1rc1rc1 口亡 1rc1rc1rc1rc1rc1rc1rc1rc1rc1rc1lJ 口 rrr巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口巳口 rr【

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