基于叠层四叉树图集的地形与动态矢量集成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地形渲染领域，尤其涉及一种基于叠层四叉树图集的地形与动态矢量 集成方法。
【背景技术】
[0002] 随着计算机技术的进步驱动，以及三维可视化技术的需求牵引，三维地理信息系 统（3DGeographicInformationSystem)得到了广泛的关注，以GoogleEarth、Virtual World等为代表的三维GIS系统已经得到了广泛的应用。无论是地质研宄、地球科学、军事 工程等专业领域，还是导航、城市规划等日常生活领域，都大量的应用了三维GIS技术。
[0003] 三维地形可视化技术是3DGIS系统的重要实现技术，利用卫星影像数据及高程数 据，可直观的观察到各尺度的地面信息，实现地理数据的逼真展示。同时，结合矢量集成技 术，可在地形上渲染各种点、线、面的矢量数据，可用于渲染国界、河流、道路、等高线等多种 数据的分析与展示功能，此外，在军事领域，可利用动态矢量实现战场态势显示，在动画领 域，动态矢量可以实现各种复杂场景的展现，极大的拓展了 3DGIS系统的功能。本文将从 提升三维地形可视化的精度与动态矢量集成两个方面展开讨论。
[0004] 三维地形可视化技术主要的实现技术主要三种：光栅化方法、光线投射法以及上 述两种方法的混合技术。
[0005] 光栅化方法利用高程数据构建三角形网格，利用影像数据进行纹理贴图，以光栅 化的方法进行渲染展示。光线投射法的基本思想从视点位置向屏幕中的每个像素投射一条 光线，计算光线与高度场的交点，获取交点的位置信息以获得影像纹理，实现地形的渲染。 基于光线投射的地形可视化技术可以获得较高的渲染精度。目前，随着GPU技术的发展，这 种方法都得到较为广泛的应用，各有优劣。近几年来，许多研宄者开始考虑混合使用光栅化 及光线投射方法，充分发挥这两种方法的优点等。其中，四叉树图集（QTA)光线投射技术， 先利用光栅化方法得到影像图集和高度场图集，然后利用光线投射方法在图集上进行光线 投射实现地形渲染。因为QTA技术避免大量复杂三角形网格的构建过程，同时避免了频繁 的GPU纹理调度过程，具有很高的渲染速率，在图集上再使用光线投射方法，能够得到高精 度的渲染效果。同时，利用QTA技术可以实现矢量与地形的高度集成，极大的扩展了地形可 视化技术的使用范围。但是当视点以较大的倾角观察地面时，此方法得到的渲染效果较差。
[0006] 将矢量与地形集成，可以在地形上展示河流、道路、湖泊等各种特征，还可以按照 需求形成各种态势图展示，可极大地拓展GIS系统的应用范围。许多的研宄者也都展开了 相关领域的研宄。总的来说，当前地形与矢量数据集成的方式主要有三种：几何覆盖、数据 整合以及纹理映射。几何覆盖方式通过将矢量几何始终覆盖在地形的上面实现集成，其难 点恰恰在于无法保证矢量始终可以覆盖在地形上面；数据整合方式通过将矢量数据插入到 地形数据实现集成，其难点在于计算复杂，无法实现在线操作，且不支持L0D;纹理映射的 方式能够较好的避免上述问题。
[0007] 在众多的加速地形渲染的算法当中，四叉树是应用较为广泛的一个地形加速算 法。图集技术可以将多个四叉树节点块内的内容渲染到同一个图集纹理上，减少纹理调用 次数，可进一步提升渲染效率。目前大多数图集技术共同点都是将树形结构的纹理数据渲 染到图集上，通过在图集上完成后续的操作以避免纹理的反复调用。因为在图集上进行光 线投射的过程实际上是在一个大的纹理上完成的，仅需进行一次纹理调度，大大的提升了 渲染效率，QTA就是基于这样的方法来实现了光线投射过程的加速。但是，目前的图集技术 也存在着一些不足，这些不足体现在：1、图集实际上是对许多纹理的采样结果，必然存在着 一定的信息损失，在某些情况下，这种信息损失可能对植染结果造成不利影响。2、在地形植 染应用中，当视点垂直观察地面时，图集方法可以获得较好的渲染效果；但是当视点以一定 倾角观察地面时，这种方法就会出现渲染效果变差的问题。下面结合图2对这种问题出现 的原因进行分析。
[0008] 在图2,图3中，观察者Viewer以倾斜视角观察地形Terrain，S2，S3是屏幕screen中三块大小相同的区域，分别是Terrain中的3块不同的地形块并逐渐远离 Viewer，Si在屏幕上植染的结果，与T i存在着--映射的关系。图集Atlas是相机Camera 对地形Terrain采样的结果，表示Ti在图集Atlas中对应的子纹理区域，M在Atlas中所 占的比例与凡在Terrain中所占的比例相同。显然，在图2,图3所示的例子中，1^在Atlas 中所占的比例最小。如果Viewer的倾斜度变得很大，由于可视地形的面积的猛增，Mi的在 Terrain中的比例就可能变得非常微小。
[0009] 在基于图集的地形可视化应用中，为了减少光线投射过程中纹理调度的次数，光 线投射实际是在图集Atlas中完成的。即渲染屏幕区域结果时，需要在^区域内进行 采样。这时矛盾就产生了，因为在当前的技术条件下，图集作为一个较大的纹理，其大小始 终是受限的（一般不超过2048 X 2048)，如果观察着Viewer的观察倾角太大，与其距离较近 的地形块在整个地形Terrain中的比例就会变得很小，继而导致M在Atlas中的比例变 得很小。与此同时，因为距离Viewer较近，其在屏幕上对应的区域面积会相对较大。这 时问题就出现了：图集中A可能无法提供足够的采样点而致S:的渲染效果变差，并且T:距 离Viewer越近，渲染效果变差的程度就越明显。
[0010] 基于上面的分析可知，传统基于图集的地形可视化方法的主要缺点在于按照实际 面积比例对各地形块进行统一采样得到了有限大小图集纹理。这种统一采样方式没有考虑 到不同位置地形块在屏幕上的比例与其实际面积比例不一致性，距离视点较近的地形块就 会因为采样点不足而产生了渲染质量的降低，即便采用MIPMAP进行修正，也没有从根本上 解决采样点不足的问题。因此，改进渲染效果的关键在于改进图集的生成方式，对不同的地 形块进行分离采样，得到单个或多个图集，保证渲染时，屏幕各区域在图集中对应部分都能 提供足够的采样点。
【发明内容】
[0011] 本发明鉴于上述情况而作出，其目的是提供一种基于叠层四叉树图集的地形渲染 方法，能够有效地提升渲染效率和渲染效果。
[0012] 本发明提供一种基于叠层四叉树图集的地形渲染方法，包括步骤：
[0013] 步骤S1，对地形构建叠层四叉树图集，图集包括影像图集和高程图集。
[0014] 步骤S2,基于所述叠层四叉树高程图集对地形进行光线投射。
[0015] 步骤S3,渲染动态矢量得到矢量图集，并根据光线投射的结果实现影像与矢量的 集成。
[0016] 进一步地，步骤S1包括：
[0017] 步骤S101，通过四叉树对地形进行管理。
[0018] 步骤S102,以观察者的视图截锥对地形进行裁剪，由剩余的四叉树节点块所覆盖 的地形块构成当前地形的可视范围。
[0019] 步骤S103,对观察者的视图截锥进行分段，并确定每个截锥段对应的地形块和包 围盒。
[0020] 步骤S104,根据包围盒为所述包围盒对应的地形块构造局部正投影相机。
[0021] 步骤S105,使用局部正投影相机对各地形块包围盒范围内的地形高程和影像数据 进行采样，构成高程和影像图集。
[0022] 步骤S106,以所有局部相机采样得到的图集分别组成叠层四叉树高程图集和叠层 四叉树影像图集。
[0023] 进一步地，步骤S103中所述对观察者的视图截锥进行分段的计算公式为：
[0024] Zj= A nf/n l/N+(1-A ) (n+(i/N) (f-n)) i G [1，N+1]，
[0025] 其中，n表示近平面距离观察者视点的距离，f表示远平面距离观察者视点的距 离，N表示视图截椎分段的个数，A表示纠错参数，A=0.75。
[0026] 进一步地，步骤S2包括：
[0027] 步骤S201，将图集中地形的空间坐标转换为纹理坐标。
[0028] 步骤S202,将光线在一个高程图集内投射，光线在所述图集内进行逐像素查找，按 照光线/高度场相交准则进行交点判断。
[0029] 步骤S203,如果光线在所述图集内没有找到交点，则光线进入下一高程图集继续 进行投射。
[0030] 进一步地，如果光线在所有高程图集内都没有找到交点则丢弃该分段。
[0031] 进一步地，步骤S203中根据光线在所述高程图集中的射出点的纹理坐标和所述 高程图集的起始点的偏移值计算得到光线进入下一图集的进入点的空间坐标。
[0032] 进一步地，步骤S3包括：
[0033] 步骤S301，在地形上方设置正投影相机，相机的采样范围由包围盒确定。
[0034] 步骤S302,使用所述正投影相机中渲染矢量数据，得到矢量图集。
[0035] 步骤S303,根据步骤S2中检测到的光线/高度场交点，在动态矢量叠层四叉树影 像图集和动态矢量图集中获取与交点对应的纹理像素，并对这两种像素进行混合，形成最 终的颜色片段。
[0036] 本发明的有益效果：本发明提出的基于叠层四叉树图集的地形渲染方法，能够有 效地提升渲染效率和渲染效果，且不增加多少计算量。
【附图说明】
[0037] 图1是本发明的矢量图集与地形叠层图集的混合示意图；
[0038] 图2是图集中的各区域大小比例的示意图；
[0039] 图3是地形、图集、屏蒂中各地形块的对应关系不意图；
[0040] 图4是本发明的基于叠层四叉树图集的地形渲染方法的流程示意图；
[0041] 图5是本发明的基于叠层四叉树图集的地形渲染方法的第一子流程示意图；
[0042] 图6是本发明的基于叠层四叉树图集的地形渲染方法的第二子流程示意图；
[0043] 图7是本发明的基于叠层四叉树图集的地形渲染方法的第三子流程示意图；
[0044] 图8是本发明的改进后的图集不意图；
[0045] 图9是本发明的叠层四叉树图集示意图；
[0046] 图10是本发明的视图截椎分段示意图；
[0047] 图11是本发明的根据包围盒参数构造局部正投影相机的示意图；
[0048] 图12是本发明的局部正投影相机采样得到叠层纹理示意图；
[0049] 图13是本发明的光线在叠层四叉树图集中投射的示意图；
[0050] 图14是本发明的正投影得到矢量图集的示意图。
【具体实施方式】
[0051] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面