大尺度地形/植被的实时绘制技术

论文摘要

地形、植被等自然景物是虚拟场景的重要组成部分，但是它们的结构往往十分复杂，表面细节丰富，并且数据量极为庞大，给自然场景的快速绘制带来了很大的困难。考虑到用户在自然场景漫游中，由于视野广袤，因此更在意场景的整体效果，并且人眼对细节的分辨能力有限，即使面片位置出现一定偏差，从视觉上仍然难以察觉。为此，本文利用自然景物的特点和人眼的观察特点，提出了一种采样逼近的方案。该方案是对自然场景进行采样，构造出原始数据的逼近模型。使用这种模型的绘制结果具有原始场景的近似形态，并且可以通过控制参数改变其逼近精度，从而有利于自然场景的绘制速度和质量之间的平衡。本文把这一方案应用到大尺度地形和植被的绘制过程中，主要取得了以下三个研究成果。 地形是构造自然场景的基础部分，传统地形绘制算法的模型数据量往往十分庞大，限制了地形绘制的应用范围。本文提出了一种地形的过程式逼近与绘制算法，能够以较少的数据量，快速绘制出大尺度的地形场景。该算法首先在预处理阶段建立地形的层次树结构，记录着统计分形信息，然后在绘制时根据设定的阈值，通过GPU生成视点依赖的地形网格。这种分形层次树结构是对原始地形的逼近表示，能够获得较高的数据压缩比。实验证明，该算法可用于地形压缩、地形合成等应用领域。 在虚拟场景中增加树木等植被，可使绘制结果更加丰富多彩。森林场景包含了大量的树木，并且树木结构复杂，细节信息丰富，以每棵树为单位进行处理，其效率必然低下。本文提出了基于分级层次深度拼图集的森林绘制技术，把整个森林看成一个整体，建立多级的层次结构。这样在绘制森林时，只需遍历这种结构，就可以快速选择出结点并进行绘制。该算法需要对每个结点进行采样，才能够建立这种层次结构。为了在采样中能够很好地逼近原始树木的形态，本文提出了基于遮挡因子的采样度量标准，根据树木的遮挡情况与深度信息，构造出自适应大小的纹理绘制单元。同时通过光线跟踪算法采样出树木的颜色信息，从而在绘制速度与绘制质量之间获得了很好的平衡。 如何表现动态光照下的自然场景是个具有挑战性的问题，本文提出了一种层次多项式纹理，既能够表现出植被丰富的层次信息，又能够快速获得动态光

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 地形绘制技术
• 1.1.1 地形的层次细节模型
• 1.1.2 基于外存的多级调度
• 1.2 植被的绘制技术
• 1.2.1 基于几何LOD的绘制技术
• 1.2.2 基于Billboard及其扩展类型的绘制技术
• 1.2.3 基于体纹理的绘制技术
• 1.2.4 基于图像的绘制技术
• 1.2.5 点绘制技术
• 1.3 植被的动态光照技术
• 1.3.1 基于阴影图的绘制技术
• 1.3.2 基于重光照函数的绘制技术
• 1.4 研究内容与方案
• 1.4.1 基本框架描述
• 1.4.2 本文的工作
• 第二章 地形的过程式逼近与绘制
• 2.1 地形的分形模型
• 2.2 思路分析
• 2.3 afBm-tree与方法概述
• 2.4 afBm-tree的构造
• 2.5 afBm-tree的过程式绘制
• 2.5.1 afBm绘制子树的获取
• 2.5.2 视点依赖的误差估计算法
• 2.5.3 五队列的优化调度
• 2.5.4 基于GPU的分形地形生成
• 2.5.5 纹理映射技术
• 2.6 应用实例
• 2.6.1 地形几何压缩
• 2.6.2 地形的合成
• 2.7 实验结果和讨论
• 2.7.1 地形数据压缩与绘制质量
• 2.7.2 合成新的afBm-tree
• 2.8 小结
• 第三章 基于分级层次深度拼图集的森林绘制
• 3.1 相关工作
• 3.2 表示和方法概述
• 3.3 分级层次深度拼图集的构造
• 3.3.1 森林分级结构的构造
• 3.3.2 叶结点层次深度拼图集的构造
• 3.3.3 层次深度拼图集的纹理数据压缩
• 3.3.4 中间结点的层次深度拼图集构造
• 3.4 分级层次深度拼图集的绘制
• 3.4.1 遍历场景树
• 3.4.2 绘制结点
• 3.5 实验结果和讨论
• 3.6 小结
• 第四章 基于层次多项式纹理的草地绘制
• 4.1 思路分析
• 4.2 层次多项式纹理
• 4.2.1 层次多项式纹理函数
• 4.2.2 YIQ空间的颜色变换
• 4.2.3 基于GPU的加速算法
• 4.3 基于层次多项式纹理的草地生成
• 4.3.1 构造草的Slice和Blade
• 4.3.2 创建草地的LPT拼图块
• 4.3.3 拼合层次多项式纹理的草地
• 4.3.4 动态光照下的草地绘制
• 4.4 实现和实验结果
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 进一步研究设想
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书