基于图形硬件的大规模真实感纹理映射技术研究

论文摘要

基于卫星影像的纹理映射技术,能够在不增加场景几何细节的前提下,大幅度提高地理场景绘制的真实感。然而,大规模地理场景的真实感绘制涉及到的数据量十分庞大,不可能一次性将所有的数据调入纹理显存,因而,首先需要对纹理数据的压缩解压算法做深入的研究,以达到减少纹理数据存储空间的同时又能很好地保留纹理数据细节的目的;其次需要研究高效的纹理映射算法,以尽量减少纹理数据的传输延迟和最大程度地利用当前硬件的优势。本文在课题组已有的瓦片金字塔地形绘制模型的基础上,对纹理数据的压缩解压、纹理和地形数据的组织调度以及多光谱影像作为纹理的处理流程等关键技术进行了深入研究。完成的主要工作和主要贡献如下:(1)分析了我国和国际DEM数据格式标准,设计实现了基于MATLAB的插值方法和采用图形硬件的采样方法的三维地形数据插值和采样处理程序;完成了遥感影像畸变校正和将多光谱影像转换成大规模场景纹理的技术实现。(2)提出并实现了采用可增长自组织处理的纹理压缩算法和基于CUDA的纹理并行解压算法。可增长的自组织处理利用自增长和侧向联想的处理方式构建压缩纹理码书,并对生成的索引码进行了哈夫曼变长编码,既可降低计算复杂性,又可改善压缩生成码书的质量;基于CUDA的纹理解压算法利用GPU的灵活性和强大的并行计算能力,提高纹理的解压效率。实验结果表明:所提出的方法能够在满足真实感的前提条件下,显著减少了纹理图像的存储空间和纹理数据在分布式网络和内外存之间传输的时间。(3)提出并实现了一种基于多CPU核微处理器的并行数据调度方法,通过建立外存、系统主存、显存以及纹理显存之间的四级缓存机制,能够相互隐藏纹理数据从外存到纹理显存的传输时间。实验结果表明,该方法显著提高了场景绘制的实时性。(4)为了增强地形的真实感和提高纹理映射的效率,研究提出了基于图形硬件的动态实时LOD纹理的生成技术。通过该技术实时采样生成纹理,一方面能够增加场景绘制的真实感,另一方面能够节省不同LOD纹理的传输时间。实验结果表明:该技术能在增加场景真实感的前提条件下,有效提高场景绘制的效率。(5)基于以上研究成果,结合课题组已有的地形瓦片金字塔模型,设计实现了一个大规模地理场景原型绘制系统。实验结果表明,该系统具有良好的实时性和交互性,真实感方面也能满足用户的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 虚拟战场环境的提出与发展
• 1.1.2 图形硬件的发展及特点
• 1.1.3 CUDA 技术的出现
• 1.2 本课题研究现状
• 1.3 本文主要研究工作
• 1.4 本文的内容安排
• 第二章 地形数据组织及遥感图像处理
• 2.1 数字高程模型概述
• 2.1.1 DEM 数据的采集方法
• 2.1.2 DEM 的数据结构
• 2.1.2.1 我国DEM 数据格式标准
• 2.1.2.2 USGS DEM 数据格式标准
• 2.2 地形数据的基本处理
• 2.2.1 采样和插值
• 2.2.1.1 数字高程模型的采样
• 2.2.1.2 数字高程模型的插值
• 2.2.2 海陆边界处理
• 2.3 遥感图像概述
• 2.3.1 引起遥感图像畸变的原因
• 2.3.2 遥感图像作为纹理的处理
• 2.3.2.1 纹理数据准备
• 2.3.2.2 分波段几何精校正
• 2.3.2.3 合成JPG 和镶嵌
• 2.4 小结
• 第三章 基于CUDA 的纹理压缩解压算法
• 3.1 相关研究
• 3.2 纹理压缩算法
• 3.2.1 色彩模式转换以及阈值计算函数
• 3.2.2 纹理压缩码书构造方法
• 3.2.2.1 量化方法
• 3.2.2.2 自组织映射
• 3.2.2.3 可增长的自组织处理码书生成
• 3.2.2.4 码字存储和索引模型
• 3.3 纹理数据实时解压
• 3.3.1 基于GPU 的并行解压模型设计
• 3.3.2 NLM 中值过滤消除马赛克
• 3.4 实验结果分析
• 3.4.1 阈值计算函数的优劣
• 3.4.2 CPU 和GPU 的解压重构速度
• 3.4.3 图像的重建质量
• 3.5 小结
• 第四章 基于GPU 的大规模纹理映射策略
• 4.1 相关研究工作
• 4.2 地形和纹理数据组织
• 4.2.1 地形瓦片金字塔模型
• 4.2.2 纹理坐标金字塔模型
• 4.3 基于多CPU 核微处理器的数据调度和纹理映射策略
• 4.3.1 基于视点的纹理预取和切换策略
• 4.3.2 基于多核的并行数据调度
• 4.4 基于GPU 的纹理映射
• 4.4.1 动态实时LOD 纹理采样
• 4.4.1.1 数据组织模型
• 4.4.1.2 基于视点的LOD 纹理选择
• 4.4.1.3 基于CUDA 的并行实现
• 4.4.1.4 实验结果分析
• 4.4.2 基于GPU 的纹理映射
• 4.5 小结
• 第五章 大规模真实感场景原型绘制系统的设计与实现
• 5.1 系统框架设计
• 5.2 主要类及类之间的相互依赖关系
• 5.3 实验结果
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 作者在学期间参加的科研项目
• 附录 地形绘制的顶点和像素着色代码