真实感三维地形可视化研究与实现

长春理工大学硕士学位论文真实感三维地形可视化研究与实现姓名：史香宾申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：张彩虹20080401真实感三维地形可视化研究与实现作者：史香宾学位授予单位：长春理工大学相似文献(10条)1.学位论文刘扬分布环境下的海量三维地形可视化关键技术研究2008三维地形可视化已经发展为计算机图形学的一个重要分支，它的应用逐渐涉及到GIS、虚拟现实、3D游戏等众多领域，是近年来国内外众多学者的研究热点之一。而以往三维地形可视化的研究主要是在单机的环境下进行，与之相应的提高地形渲染速度和可视化系统性能的技术与方法也多是基于单机环境的，但是三维地形数据的海量特性以及三维可视化系统的实时性和交互性特点，使得现有技术条件下单机系统的性能已经不能很好的满足目前主流应用的要求。因此，考虑到目前作为主流的分布式多机并行调度与服务的蓬勃发展，本文通过对分布环境下的海量地形三维可视化中多项关键技术研究，探讨通过多台计算机在分布环境中并行协同处理，共同完成对海量地形数据有效存储调度；并根据视觉原理与场景本身特点有效地简化三维地形，减少图形系统实时处理的图形数量，最终实现海量三维地形可视化的实时性和交互性。主要内容包括：1.针对海量地形高程数据特点，研究有利于分布环境下海量高程数据快速调度和处理的数据组织结构和存储方式，建立高效的数据组织模型以及相应的索引机制，实现对全球尺度的地形高程数据进行有效的管理和存储。2.研究海量三维地形模型绘制中地形实时简化方法，在对比目前比较成功的地形简化算法的优缺点和适用范围基础上，建立地形简化模型，解决因地形局部发生变化而导致整体都要重新处理的问题。并对简化模型的进行测试，证明其可用性。3.针对海量影像纹理数据的特点，结合海量地形高程数据组织方案，研究适合分布式环境下调度和处理的海量影像纹理数据的组织方式；研究针对海量影像纹理的映射技术，提出一种视点相关的基于误差的动态多分辨四叉树纹理映射方法，并予以试验验证。4.探讨利用现有条件，综合应用并行调度技术，数据库管理技术、网络传输技术，通过局域网内多台计算机协同操作，建立一种适合于分布式网络结构的海量三维地形数据调度和处理模型，合理地进行存储与计算资源的分配；并依据该模型制定地形数据动态调度策略，达到海量三维地形数据的最大共享与利用。5.应用上述一些研究和实验的成果，使用Direct3D图形组件库设计并初步建立一个分布式环境下的全球三维地形漫游试验演示系统，实现分布环境下海量地形实时、交互漫游；然后，根据相关应用数据对系统进行了性能测试，检验研究成果的可用性。依据以上研究内容，针对性地进行了方法创新，包括以下方面：1.分布式环境下的海量地形高程数据、影像纹理数据多分辨率层次四叉树组织模型和相应索引机制本研究旨在保证分布式环境负载平衡的前提下，探索出一种有利于海量地形数据快速调度、处理以及显示的数据组织结构和存储方式，并以此建立一个海量地形高程数据、纹理数据多分辨率层次四叉树组织模型，实现对全球尺度的海量地形数据进行有效的管理和存储。演示系统实验证明了该模型适合于分布式环境下地形数据的网络传输和多机协同处理，对具有一定的应用价值。2.基于四叉树模型的海量三维地形局部自适应最优化简化算法(LaostModel模型)该简化算法针对海量地形数据的组织与存储情况以及不同分辨率地形拼接处形易成裂缝等问题对其进行改进，根据视点以及局部地形粗糙程度动态地改变四叉树数据块分裂或合并状态，并实时调整块内不同四叉树节点处地形的显示层次，重点解决地形局部发生变化而导致整体都要重新处理的问题。模型应用效果良好，实现了海量地形数据流畅漫游，为今后的四叉树为基础的地形简化模型提供了很好的借鉴。3.局域网环境下客户/服务模式的海量三维地形数据分布调度和处理模型该模型以地形数据分块为基础充分发挥了客户、服务以及服务管理器的作用，采用了两阶段的通信模式以及非等待式的异步调度处理方式，提供了有效的地形数据管理，保证了数据调度服务协同处理与网络通讯负载平衡。应用上述调度和处理模型的三维地形数据的动态调度策略最终达到海量三维地形数据的最大共享与利用。通过演示系统的性能测试验证了该模型的可靠性和效率。随着地形获取技术、网络技术、三维可视化技术的发展，分布环境下海量三维地形可视化关键技术的研究正不断地扩展其应用的领域，同时也更具有其研究的价值。2.会议论文李国华.熊坚.万华森三维地形可视化及其在道路交通仿真中的应用2004地形作为自然界最复杂的景物之一,对它的三维逼真显示技术,一直是计算机图形学的重要研究内容.本文介绍了基于图像标准OpenGL和数字高程模型(DEM)的三维地形可视化技术的方法和实现过程,并将该方法应用于驾驶模拟器的道路交通仿真中,从而实现道路周围三维视景的绘制.3.学位论文雷磊三维地形生成及可视化技术研究2005三维地形可视化在战场环境仿真、娱乐与游戏、地形漫游、道路选线、土地规划、地理信息系统等众多领域有着广泛应用，近来越来越受到人们关注。　　三维地形的可视化是地理信息系统(GIS)、数字摄影测量(DP)和遥感系统(RS)的重要研究内容，其中高度真实感三维图形的绘制是计算机图形学(CG)的重要研究内容。随着计算机科学、计算机图形学以及现代数学理论的不断发展和创新，以虚拟显示(VR)、科学计算可视化(SV)为突出代表的一些崭新的研究方向正吸引着越来越多的研究者。作为自然界最复杂的景物——地形而言，地形三维可视化的理论和算法是众多学科领域共同面临的难题，也只能通过多门学科理论和技术的融合，才能在解决地形三维可视化问题上找到突破口。　　本文总结了数字地形模型建模的基本原理与方法，包括规则格网地形模型、不规则三角网地形模型的建模。对三维图形计算机显示的基本原理进行了讨论，详细介绍了坐标系变换、投影变换和明暗处理及光照模型的基本原理。在分析OpenGL操作原理的基础上，对三维地形的真实表达进行了研究，并在总结了前人研究结果的基础上，建立了三维地形可视化系统TVisual。最后还对基于分形理论模拟地形的原理方法进行了研究和实践。4.学位论文刘坤良基于等高线的三维地形建模及可视化2004三维地形建模及可视化一直以来是地理信息系统、数字摄影测量、虚拟现实等领域的重要研究内容.高度真实感三维图形的绘制一直是计算机图形学的研究热点.以高性能微机和图形卡为硬件基础的高逼真真实感三维地形显示以及相应的空间分析等功能,具有普遍的应用价值.地形三维可视化技术在国民经济和国防建设中的作用将日益重要,应用前景十分广阔.在国内,对三维地形实时仿真系统的研究由于受技术条件和经费的限制起步较晚,总体而言,虽然针对二维地形数据的可视化分析日臻完善,而三维地形数据的可视化分析才刚刚开始,许多因相关学科发展而产生的新的理论和技术并没有及时的得到应用,所有空间操作和分析大多仍在二维图形上进行,缺乏直观的效果,因此需要更多的人员投身到三维地形可视化研究中来.不管三维地形建模及可视化应用于何种领域,对地形的建模和真实感显示都要涉及到数字高程模型(DEM)、地形的实时简化、格网构网算法(规则格网、TIN三角网)、三维地形的显示及地表处理技术(地表细节生成、地表地物与地形的匹配).本文针对当前地形可视化研究的现状,结合不断发展的计算机硬件技术、计算机图形学、计算几何、现代数学、科学计算可视化等的理论和技术,对三维地形建模及可视化中的相关技术进行了深入而系统的分析与总结.具体内容包括①地形三维可视化所需数据以及获取方法,并着重讨论了从地图中获取DEM这种目前应用最广泛的方法;②当前根据已有地形数据进行地形建模的常用技术——规则格网、三角网模型,并对这两种技术进行了对比;③探讨了OpenGL的三维图形库和其工作原理,并对三维真实感地形生成的基本过程(包括建模、空间变换、光照处理、可见面识别、背景遮挡、阴影处理和纹理映射等)进行了详细的剖析.由于从地形图上获取DEM是目前应用最广泛的一种方法,所以本文着重分析了基于地形图等高线的三维地形建模和可视化方法.利用上述各项技术设计完成了基于地形图等高线的三维地形可视化系统.该系统以等高线地形图为数据源,首先对地形图中的等高线数据进行矢量化处理,生成矢量化的等高线数据,然后实现了一个可根据等高线矢量化数据建立三维规则数据场的算法,以生成三维地形模型.最后进行三维地形模型的可视化处理,以等高线地形图作为纹理进行纹理粘贴,生成具有真实感的三维地形,并在三维地形真实感显示的基础之上实现了地形模型的三维剖切处理,初步实现了三维模型剖切的二、三维联动.在地形模型的剖切处理中,设计实现了模型的剖切算法,封闭边界轮廓的检出算法,剖切截面的三角剖分算法,并对两种任意多边形的三角剖分算法Delaunay三角剖分和基于凸凹顶点的三角剖分进行了对比分析.5.学位论文沈少博三维地形建模的设计与实现2008地形三维可视化及其实时绘制技术一直以来是地理信息系统(GIS)、数字摄影测量、虚拟现实等领域的研究热点，它可以直观、真实地表达地形的三维信息及综合特征，是一门研究数字地形模型(DTM)或数字高程模型(DEM)的显示、简化、仿真等内容的学科，属于计算机图形学的一个分支。由于有着广阔的应用前景，近来越来越受到人们的关注，在国民经济各个领域中有着重要的应用价值。本文针对当前地形三维可视化及其实时绘制技术的研究现状，在吸取三维计算机图形学、计算几何、科学计算可视化、虚拟现实的先进理论和技术成果的基础上，围绕地形三维可视化中的数字地形模型、三维真实感地形生成、地形简化和多细节表达、三维切割(剖面分析)等核心技术内容展开不同程度的讨论与研究，系统地论述和分析了基于OpenGL的三维地形可视化实现的相关理论、技术和算法，具体包括三维可视化及三维地形可视化的基本理论、三维几何造型技术、OpenGL的工作原理及相关技术、数字高程模型的主要类型、离散数据网格化算法、三维地形模型的构建技术以及人机交互的实现技术。层次细节(LOD)技术是一种符合人的视觉特性的技术。它是在不影响画面视觉效果的前提条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。在实时交互时，根据观察者当前时刻所处的位置及视线方向，在近距离区域采用高精度模型地形块，而在远处采用低精度地形块，以达到在保证图形实时显示的前提下，较好地协调场景真实感与绘制速度之间的矛盾，最大程度的提高视觉效果。基于上述的理论和成果，以WindowsXP系统和VisualC++6.0为平台，实现了一个基于OpenGL和LOD技术的三维地形建模系统。本系统采用了LOD算法极大的提高了渲染速度，满足了与用户实时、快速的交互，与其他系统相比具有更高的效率，为地形环境仿真系统的最终实现奠定了坚实的基础。6.期刊论文许家帅三维地形表面的可视化实现-水道港口2003,24(1)三维地形的可视化研究是当前对港口、航道等进行地形演变、泥沙淤积等分析研究的前沿课题,是快速、及时地再现地形三维信息及综合分析的有效途径.文中介绍了如何通过微软VB开发平台实现地形表面的三维可视化,并实现三维图形的缩放、旋转与输出.7.学位论文陈哲锋基于OpenGL的地形三维可视化研究与应用2008在计算机图形学领域，三维可视化是一个重要的研究方向，许多研究人员己经进行了大量卓有成效的研究，并有许多成熟的技术已应用于游戏、电影动画、工业设计等领域，但是与地理信息系统联系较少。地形三维可视化技术是三维地理信息系统重要研究内容，其使地理信息更直观、更形象地展现在人们面前，在“数字地球”大背景的衬托下，具有广阔的发展和应用前景。因此，研究如何实现具有真实感的地形三维可视化就有非常重要的意义。本文运用作为三维图形技术标准的OpenGL技术在WindowsXP系统和VisualC++6.0平台上实现了不同模式的地形三维可视化，主要工作如下：(1)系统论述了OpenGL基本概念以及工作原理，着重研究了三维图形变换、可见面识别、光照模型、纹理贴图等OpenGL技术；(2)归纳数字地形模型、分形分维技