三维地理场景加速绘制的数据组织调度与时序多屏同步漫游技术

论文摘要

地理场景特别是自然地理场景通常具有大规模、高复杂度、时序动态、强交互性等一系列特征。自然地理场景包括众多的自然和人工要素。其中,最基础、最重要的要素就是地形。由于地形数据及其表面纹理数据具有数据量大的特点,要实现三维实时可视化或绘制是相当困难的。目前大多数三维GIS软件对海量数据支持有待提升,研究如何快速地实现海量地形数据的三维可视化是三维GIS、虚拟地理环境研究中亟待解决的关键问题。另外,针对自然地理场景时序动态特征,三维地理场景绘制不仅要表达某个时相地理环境的状态,同时应具备表达时序的地理环境动态变化或地理系统演化过程。传统的单屏显示方式已无法满足用户对沉浸感、大视野或大尺寸、高分辨率的动态地理过程三维可视化应用需求。本文以虚拟森林环境为例,开展三维地理场景加速绘制的数据组织调度与时序多屏显示技术研究。主要内容和取得成果如下：(1)在理论方法上,分析了目前地形复杂度简化技术、海量地形实时调度技术、真实感地形纹理映射技术等的优点和不足,提出了从数据的组织与调度策略及其加速绘制优化策略入手实现海量地理场景加速绘制的研究思路和技术路线；分别对场景要素中地形、植物和建筑物的建模方法进行了详细介绍。在此基础上,探讨了场景图和空间层次划分两种虚拟三维地理场景构建方法；总结了基于四叉树的细节层次简化模型、可见性剔除、多线程数据调度、数据缓存机制的相关理论。(2)在数据的预处理技术方面,通过四叉树分割和创建索引文件,建立视点无关的多分辨率地形、纹理数据模型,设计并实现了一个地形数据切片为核心的海量地形、纹理数据的预处理技术,可以减少实时绘制过程中数据的处理时间,减轻计算机的计算负担,提高大规模复杂三维地理场景加速绘制的效率。(3)在数据的组织与调度策略及其优化方面,提出以场景绘制线程为主线程、数据调度线程为子线程的多线程机制,以提高场景数据的调度效率和场景绘制的流畅性。在此基础上,提出多级缓存和固定内存缓存池策略,减少了内外存间数据调度频率和内存的分配和卸载次数。试验证明,经过该策略和优化处理后,场景的绘制的帧率可以维持在60FPS,而不受数据量的限制。(4)在多屏同步显示技术及其漫游系统设计与实现方面。引入多屏显示技术和Cardial差值方法生成漫游路径,将以上成果在森林景观合成与管理三维信息系统VisForest上集成,实现了一个基于单机多屏的时序森林场景可视化漫游系统,并在系统中添加实景图片的嵌入播放和三维地理场景输出功能。该系统在长汀县水土流失治理效果评估演示中得到了应用。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 立题依据
• 1.2 研究目标与内容
• 1.2.1 研究目标
• 1.2.2 研究内容
• 1.3 研究技术路线
• 1.4 论文章节安排
• 1.5 国内外研究综述
• 1.5.1 基于LOD的地形复杂度简化技术
• 1.5.2 基于可见性剔除的地形复杂度简化技术
• 1.5.3 基于GPU加速的复杂地形实时绘制
• 1.5.4 海量地形实时调度技术
• 1.5.5 基于纹理映射的真实感地形实时绘制
• 第二章 相关理论研究基础
• 2.1 地理场景要素三维几何建模
• 2.1.1 地形建模方法
• 2.1.2 植物建模方法
• 2.1.3 人工建筑物建模方法
• 2.2 三维虚拟地理场景的构建方法
• 2.2.1 场景图
• 2.2.2 空间层次划分
• 2.3 海量地理场景数据组织与调度的理论基础
• 2.3.1 基于四叉树的细节层次简化模型
• 2.3.2 可见性剔除的原理
• 2.3.3 多线程数据调度的原理
• 2.3.4 数据缓存机制
• 2.4 多屏显示的理论基础
• 2.5 虚拟地理场景漫游的理论基础
• 2.5.1 鼠标漫游
• 2.5.2 键盘漫游
• 2.5.3 路径漫游
• 2.6 本章小结
• 第三章 海量地理场景数据的组织与调度
• 3.1 基于规则格网的四叉树多分辨率地形模型
• 3.1.1 四叉树数据结构
• 3.1.2 四叉树多分辨率地形模型构建
• 3.1.3 四叉树地形节点评价函数
• 3.2 海量数据的组织预处理
• 3.2.1 数据的存储方式
• 3.2.2 数据的组织预处理策略
• 3.2.3 视景体裁剪
• 3.3 海量数据的动态调度
• 3.3.1 基本的调度策略
• 3.3.2 基于多线程机制的数据调度
• 3.4 海量数据加速绘制优化策略
• 3.4.1 数据多级缓存预加载策略
• 3.4.2 内存优化策略
• 3.4.3 多分辨率纹理映射策略
• 3.5 算法框架
• 3.6 试验结果及分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 时序地理场景的多屏同步漫游
• 4.1 多屏显示技术
• 4.1.1 单机多屏显示概述
• 4.1.2 单机多屏显示硬件结构
• 4.1.3 单机多屏显示器资源检测
• 4.2 时序地理场景的同步漫游
• 4.2.1 漫游路径的设定
• 4.2.2 多屏同步控制的方法
• 4.2.3 同步漫游的实现
• 4.3 本章小结
• 第五章 系统的集成与实现
• 5.1 系统概述
• 5.1.1 系统的开发环境
• 5.1.2 系统总体架构
• 5.1.3 系统功能模块及实现流程
• 5.2 系统的设计及实现
• 5.2.1 海量数据的切片预处理
• 5.2.2 三视图场景构建
• 5.2.3 三屏同步显示的实现
• 5.2.4 三屏同步漫游的实现
• 5.2.5 三维地理场景视景图片嵌入播放
• 5.2.6 三维地理场景高分辨率图片输出
• 5.3 系统示范应用
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 研究工作总结
• 创新与特色
• 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文