基于外存超大规模地形数据的管理与调度研究

论文摘要

真实三维地形场景可视化仿真模拟目前应用非常广泛,在军事领域、地形勘测、气象检测、土木工程等领域都具有很高的实际应用价值。在这些应用中,都需要对复杂的真实地形地貌进行可视化渲染。而如何解决由海量地形数据组成的复杂地形表面模型与有限的计算机硬件图形处理能力之间的矛盾,成为地形地貌可视化应用的核心问题。基于目前的计算机硬件发展现状,对于具有海量数据的地形场景,既要获得较好的场景渲染效果,又要保持较高的绘制帧速,仍然存在不小的困难。为了解决这一矛盾,本文致力于从软件方面入手,利用高效的数据组织方式和内外存调度手段,实现在现有计算机硬件条件下,海量数据复杂地形场景的较好的可视化模拟效果。海量地形的三维可视化需要解决两个主要矛盾,一是海量的地形数据和有限的计算机存储空间之间的矛盾,二是地形地貌的复杂表述和有限的计算机处理能力的矛盾。针对这些问题,本文着重在以下几个方面开展研究工作:(1)介绍真实三维地形地貌可视化的基础知识和关键技术,重点介绍海量地形场景从数据组织到数据调度,直到最后的地形场景绘制各个环节的相关技术以及所面临的问题。(2)考虑到复杂地形数据量巨大的特点,由于计算机硬件的限制,不可能将所有地形数据一次全部载入内存,因此必须将原始地形数据进行分块处理。本文在充分比较分析了目前常见的数据分块组织方式后,提出了一种全新的无冗余的地形LOD分块策略。(3)在本文提出的地形数据组织方式支持下,结合当前主流调度策略的优势,提出了新的数据分块调度策略;并在预调度中引入了运动速度因素,设计了速度相关的数据块预调度策略。(4)采用本文的数据组织和调度策略,构建地形网格模型,实现了完整的三维地形可视化系统,并与目前主流的渲染方案进行了试验数据比较。(5)最后,对本文的工作进行了总结,并在地形遮挡,地形数据压缩和裂缝消除等方面提出了进一步研究的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 海量地形数据常用组织方式
• 1.2.2 海量地形数据常用调度算法
• 1.2.3 真实地形场景渲染及绘制技术
• 1.3 研究目的与意义
• 1.4 主要工作与创新
• 1.5 论文的章节安排
• 第二章 真实地形场景渲染关键技术介绍
• 2.1 地形LOD 简化与多分辨率显示
• 2.1.1 离散LOD 模型
• 2.1.2 连续LOD 模型
• 2.1.3 多分辨率LOD 模型
• 2.2 地形数据调度与优化
• 2.2.1 先调入内存再进行简化
• 2.2.2 预处理简化后再调入内存
• 2.3 三维地形场景绘制
• 2.3.1 三维地形场景渲染技术分类
• 2.3.2 几何变换
• 2.4 本章小结
• 第三章 数据编辑器MAPPER 设计与开发
• 3.1 软件设计目的
• 3.2 MAPPER 总体设计
• 3.2.1 用户控制模块
• 3.2.2 显示和编辑模块
• 3.2.3 数据重组模块
• 3.2.4 遥感数据管理模块
• 3.3 MAPPER 应用领域
• 3.4 本章小结
• 第四章 海量地形数据的组织方式
• 4.1 现有外存数据组织方式
• 4.1.1 金字塔外存模型
• 4.1.2 多分辨率外存模型框架
• 4.1.3 基于地形特征的多分辨率模型
• 4.2 物理模型分块处理
• 4.2.1 高程原始数据地形分块
• 4.2.2 影像纹理文件分块处理
• 4.2.3 地形分块原理及优势
• 4.3 多分辨率层次构造
• 4.3.1 高程数据LOD 层次构造
• 4.3.2 影像数据LOD 层次构造
• 4.3.3 本方案的优势介绍
• 4.4 静态误差原理及计算
• 4.5 纹理压缩
• 4.6 实验数据及结果分析
• 4.6.1 数据组织方式实验
• 4.6.2 纹理压缩效果实验
• 4.7 本章小结
• 第五章 海量地形数据的调度策略
• 5.1 数据调度及预取策略
• 5.1.1 地形块选取策略
• 5.1.2 细节层次确定
• 5.1.3 地形数据卸载
• 5.2 多线程数据调度方式
• 5.3 实验数据及结果分析
• 5.3.1 绘制帧数实验
• 5.3.2 资源占用实验
• 5.3.3 最终实验结果和讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 课题研究总结
• 6.2 课题前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果