基于小波简化和GPU加速的大规模地形实时绘制技术研究

论文摘要

三维地形作为构建虚拟环境的基础,在相关领域有着广泛的应用。近年来,随着地理信息系统以及数字地球的广泛应用,对地形模型的规模要求越来越大,包含数以百万计的三角形面片的地形模型在实际应用中越来越常见,而计算机图形硬件绘制能力是有限的,这就给由大量地形数据构成的地形模型实时绘制带来了困难,而三维地形的简化与多分辨率表示就成为大规模地形数据实时绘制必不可少的步骤。为了提高大规模地形连续多分辨率实时绘制的效率,优化地形的简化效果,论文在基于小波分析的DEM数据连续多分辨率表示和与其相关的GPU加速算法方面展开研究,在相关问题上提出相应的解决方法,有效地提高了实时绘制效率和渲染效果。论文的主要工作具体表现在以下几个方面:●提出一种基于小波分析的大规模地形连续多分辨率表示方法。为了使地形连续多分辨表示在兼顾效率的同时更好的保持地形概貌,论文结合地形简化的特点选取合适的小波基,并利用小波变换生成地形的多分辨率模型,通过逐渐加入高频小波系数,使不同分辨率地形在切换时平滑过渡,从而实现连续多分辨率。●论文针对地形块小波变换产生的边界失真问题提出了相应的解决办法,通过将多块地形作为整体进行小波变换,扩大了小波变换的采样范围,有效地消减了边界失真。●不同分辨率地形块由于边界网格点数目不同,在拼接处将产生裂缝。论文通过总结已有的裂缝消除方法,提出一种边界顶点拟合的办法,在对地形块不做任何尺寸限制的前提下,有效地消除了块间裂缝,该算法对于边界失真所引起的同分辨率地形块间的裂缝同样适用,并且由于没有剔除或增加顶点,所以不需进行三角划分,从而大大提高了算法效率。●为了进一步提高场景绘制的实时性,论文使用基于GPU的遮挡剔除算法,在总结前人研究的基础上,针对算法中出现的CPU和GPU时间空闲问题,论文通过设置查询结果队列,有效地消除了算法中的资源浪费。●由于大规模地形小波变换计算量庞大,论文通过将小波变换计算映射到双重纹理绘制,提出了一种基于GPU的小波变换方法,大幅减少了小波变换的计算时间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 层次细节技术（LOD）
• 1.2.2 遮挡剔除
• 1.2.3 大规模地形绘制GPU 加速
• 1.2.4 基于GPU 的通用计算
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 论文的组织
• 第二章 地形建模与绘制技术
• 2.1 三维地形表示方法
• 2.1.1 数字高程模型
• 2.1.2 规则格网（Grid）
• 2.1.3 不规则三角网（TIN）
• 2.1.4 数字划线地图（DLG）
• 2.2 DEM 建模及精度评估
• 2.2.1 从Grid 模型到TIN 模型的转换
• 2.2.2 Delaunay 三角网的建立
• 2.2.3 DEM 精度评估指标
• 2.3 地形多分辨率表示
• 2.3.1 LOD 的选取
• 2.3.2 多分辨率绘制的基本步骤
• 2.3.3 多分辨率纹理
• 第三章 基于小波分析的DEM 简化
• 3.1 引言
• 3.2 小波理论基础
• 3.2.1 小波变换的定义与性质
• 3.2.2 多分辨率分析
• 3.2.3 利用滤波器实现Mallat 快速正交小波变换
• 3.3 DEM 数据的小波变换
• 3.3.1 地形简化与小波基的选取
• 3.3.2 小波变换的边界处理
• 3.3.3 二维小波变换与重构
• 第四章 基于小波变换的大规模地形多分辨率表示
• 4.1 地形分块与数据组织
• 4.2 视景体裁剪
• 4.3 基于小波变换的地形块多分辨率表示
• 4.3.1 地形块的二进制小波多分辨率表示
• 4.3.2 地形块的多进制小波多分辨率表示
• 4.3.3 地形块小波变换的边界失真问题
• 4.3.4 多分辨率级别的选择
• 4.4 地形连续多分辨率实现
• 4.5 块间裂缝消除
• 4.6 实验结果
• 4.6.1 多分辨率模型的生成
• 4.6.2 添加高频小波系数
• 第五章 地形绘制GPU 加速
• 5.1 引言
• 5.2 基于GPU 的地形遮挡剔除算法
• 5.3 基于GPU 的小波变换
• 5.3.1 小波变换矩阵形式
• 5.3.2 基于GPU 的小波变换
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要贡献
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果