大规模三维地形可视化与漫游关键技术研究

论文摘要

三维地形场景可视化是计算机3D图形学研究的一块重要领域,也是3D图形渲染引擎的核心部分,在最近几年来已经广泛应用到3D游戏、虚拟现实、战场环境仿真以及3D-GIS等多个应用和研究领域。随着3D可视化技术应用的深入和计算机硬件技术的不断发展,人们对大规模地形场景的渲染提出了更高的要求。同时伴随着遥感技术的发展,获取地形高程信息以及地球影像数据也得到了快速发展,这就为3D-GIS的发展提供了最基本的数据。在3D-GIS领域中,大规模地形渲染是它的基础核心部分,有助于用户对空间数据相互关系及其分析结果的直观理解,也是构建数字地球的一个重要组成部分。本论文来源于实际3D-GIS项目,实现了大规模地形场景的实时渲染,为城市规划、防洪减灾、虚拟现实等领域的应用提供了基础平台。本文首先介绍了规模地形实时绘制的起源、发展、典型算法及其国内外的相关工作;然后详细介绍了3D数学基础以及地形模型生成技术,包括3D常见坐标系、数学变换、图形渲染流水线以及地形可视化技术;并且采用分层分块的金字塔模型处理大规模虚拟地形场景的可视化问题,结合LOD技术设计并实现了一个大规模地形的纵向分层横向分块的解决方法,详细说明了金字塔模型分层分块方案的规则和方法;最终实现了一个基于四叉树结构的大规模地形实时渲染漫游系统,并对加载与渲染大规模城市模型进行了研究与优化。本论文的研究成果已被应用于3D-GIS领域,包括土地利用管理系统、矿山开发监测系统、小城镇综合管理系统等,这些可视化系统的特点是其在数据处理上都具有大规模的地形数据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究水平、现状和发展趋势
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 关键技术和问题
• 1.5 本文组织结构
• 第二章 三维地形渲染基础
• 2.1 数学基础
• 2.1.1 三维坐标系统
• 2.1.2 图像渲染流水线
• 2.1.3 坐标变换
• 2.2 三维地形可视化技术分类
• 2.2.1 规则格网模型
• 2.2.2 不规则格网模型
• 2.3 基于LOD 的三维地形简化技术
• 2.3.1 LOD 算法的提出
• 2.3.2 离散LOD 模型
• 2.3.3 连续LOD 模型
• 2.3.4 多分辨率实时显示模型
• 2.4 纹理技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 大规模三维地形可视化与漫游系统
• 3.1 数据来源
• 3.1.1 数字高程数据来源
• 3.1.2 影像数据来源
• 3.2 存取方案
• 3.2.1 金字塔模型
• 3.2.2 高程数据组织方式
• 3.2.3 影像数据组织方式
• 3.3 系统设计
• 3.3.1 系统功能模块
• 3.3.2 算法设计思想
• 3.3.3 算法基本结构
• 3.3.4 系统设计流程图
• 3.4 裂缝处理
• 3.5 视域体剔除
• 3.6 系统开发工具
• 3.7 系统运行效果
• 3.8 本章小结
• 第四章 大规模三维模型加载
• 4.1 三维城市模型简介
• 4.2 构建三维城市模型
• 4.3 三维模型预处理
• 4.3.1 模型网格Mesh 数据优化
• 4.3.2 模型纹理压缩
• 4.3.3 创建LOD 配置文件
• 4.4 分块实时加载城市建筑模型
• 4.5 系统运行效果
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文