基于OpenGL的山脈非真實(shí)感可視化算法

朱晨曦 馮茜 饒思敏

摘要 本文基于OpenGL，對(duì)原始地理灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分割，在分析已有的提取山谷線和山脊線的算法之上，使用了一種新的提取特征線的方法，并將特征線進(jìn)行非真實(shí)感繪制，突出了山脈圖像的藝術(shù)特性，將圖形非真實(shí)感可視化應(yīng)用到地理信息繪制領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】OpenGL 山脈圖像 圖像分割 可視化算法

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)于地理信息的構(gòu)建技術(shù)日益成熟。但對(duì)于山脈山系等特定的區(qū)域，沒(méi)有針對(duì)性的可視化模式。

本文研究山脈非真實(shí)感可視化系統(tǒng)，針對(duì)于山系、山脈這種區(qū)域很大的地貌進(jìn)行建模。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 圖像分割算法

在針對(duì)山脈的圖像分割中，首先利用圖像全局灰度分布特性實(shí)現(xiàn)初始分割，然后進(jìn)行區(qū)域標(biāo)記，區(qū)域標(biāo)記即在整體灰度圖中，將灰度值相似的區(qū)域劃分成同一類，并標(biāo)定不同的序號(hào)，用以區(qū)分。最后，遍歷所有的區(qū)域，對(duì)相鄰的、灰度值相近的區(qū)域進(jìn)行合并，最后可以得到較合適的分割結(jié)果。

1.2 山谷線和山脊線的提取

山谷和山脊線是地形和地勢(shì)變化的分割線，也是山脈重要的特征線。本文研究通過(guò)DEM數(shù)據(jù)提取特征線并進(jìn)行繪制的方法。

特征線提取可分為幾何分析法和地形表面流水模擬法。在較為稀疏的DEM網(wǎng)格中間，使用地形表面流水模擬法，在四周局部的DEM網(wǎng)格中使用幾何分析法。

幾何分析法思想：在垂直于DEM平面上截取斷面，形成的斷面曲線中極小值點(diǎn)即為山谷點(diǎn)的候選點(diǎn)，而極大值點(diǎn)為山脊點(diǎn)的候選點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一定的篩選時(shí)后，這些山谷、山脊點(diǎn)就是DEM圖中的特征點(diǎn)。

地形表面流水模擬法思想：通過(guò)模擬自然界中水流隨地形高低變化流動(dòng)模型，計(jì)算每一個(gè)地形點(diǎn)的流水量，按照流水量單調(diào)遞增的順序，找到區(qū)域的流水線，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算得到分水線。其中合水線是山谷線，分水線是山脊線。

最后，實(shí)現(xiàn)山脊點(diǎn)和山谷點(diǎn)的提取和篩選，得到的山脊、山谷線并不完全連接，針對(duì)離散的特征點(diǎn)設(shè)計(jì)一種新的連接方法，使得山脊、山谷線更加連接暢通，最后去除山脊、山谷線中一些孤立的短支，使線條看起來(lái)更加清晰，最終得到提取結(jié)果。

本文結(jié)合了圖論的思想?？紤]了DEM圖上每個(gè)點(diǎn)的聯(lián)系。根據(jù)山脊線山谷線的高度特征和連續(xù)性特征設(shè)計(jì)算法，得到特征線的位置。

1.3 非真實(shí)感繪制

本文采用了自動(dòng)非真實(shí)感繪制，突出了山脈的藝術(shù)效果。目的在于將地理的特征信息用計(jì)算機(jī)的方式表達(dá)出來(lái)。利用山脊和山谷等特征線，生成非真實(shí)感紋理。對(duì)于不同海拔、不同地貌的山系區(qū)域，光照產(chǎn)生的陰面陽(yáng)面、采用不同顏色、線條等表現(xiàn)形式。

1.3.1 輪廓線的標(biāo)定與風(fēng)格化繪制

得到所有輪廓線，去除可見(jiàn)性問(wèn)題，即去除事實(shí)上看不見(jiàn)的輪廓線，達(dá)到更逼真的效果。通過(guò)抽象的線條信息很好地表現(xiàn)出山系的形態(tài)特征并繪制紋理。

獲得三維網(wǎng)格模型的特征線，構(gòu)造不同風(fēng)格的藝術(shù)圖案，利用紋理映射的方法對(duì)特征線進(jìn)行風(fēng)格化。

1.3.2 三維模型非真實(shí)感著色

獲取模型，基于高度和曲率繪制脊線和輪廓線，進(jìn)行卡通渲染。構(gòu)造山體的二維紋理貼圖，添加攝像機(jī)，模型最終的渲染效果隨著視點(diǎn)的改變而改變，表現(xiàn)力強(qiáng)。

2 算法實(shí)現(xiàn)

2.1 針對(duì)山系網(wǎng)格提取特征線

在這一步算法中，基于OpenGL處理灰度圖像，建立概略DEM，為了對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和判斷。而且，較為稀疏的DEM數(shù)據(jù)還可以避免噪聲的干擾，減少誤差的產(chǎn)生。在大量數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中還大大減少了計(jì)算量。

對(duì)于將特征點(diǎn)連接成特征線，使用新方法：借助最小生成樹(shù)建立連接。利用比較成熟的Prim算法，求解各特征點(diǎn)之間的最小生成樹(shù)。首先將DEM圖構(gòu)建成鄰接矩陣G，由頂點(diǎn)和連線構(gòu)成，G （V，E）。將所有特征點(diǎn)按照八鄰域方式與周圍的特征點(diǎn)相連接，構(gòu)成原始的圖G。對(duì)于G中的每一條邊，他的端點(diǎn)分別力a、b，H為某點(diǎn)的高度值，則他的權(quán)重為Ei= （Ha+Hb）/2。

使用Prim算法更加適合解決特征點(diǎn)連接成特征線的問(wèn)題，所求解的最小生成樹(shù)就是山脈中的特征線。

2.2 非真實(shí)感繪制

2.2.1 輪廓線的標(biāo)定

基于圖形空間的輪廓檢測(cè)可以分為兩類：一類是基于多邊形網(wǎng)絡(luò)，另一種是基于光滑表面。而其中的算法又有兩類：直接檢測(cè)算法和間接合成算法。本文重點(diǎn)使用了直接檢測(cè)算法，遍歷組成模型的所有邊，然后針對(duì)每一條邊判斷是否符合輪廓線的條件。此算法簡(jiǎn)單而有效。

2.2.2 風(fēng)格化繪制

基于圖像的線條繪制技術(shù)可以具有不同的表現(xiàn)風(fēng)格。其中，以山谷和山脊等特征線為作為繪制的基本元素，根據(jù)三維模型和圖像的具體地理特性來(lái)生成形狀各異的線條元素。最終，利用這些元素構(gòu)成最后的圖像。

采用無(wú)筆劃的繪制技術(shù)，通過(guò)提取的特征線，將特征線進(jìn)行處理，加深和加粗并突出它原有的特性。由于特征線的形狀，粗細(xì)各有不同，可以利用參數(shù)的設(shè)置得到不同的效果。將各種不同特征線條按照地理信息添加到地理空間內(nèi)，就形成了紋理。紋理表示了山脈表面的材質(zhì)，是圖像中重要的一部分。

其中，圖像渲染主要是由CPU的運(yùn)算完成的。為了提升生成圖像的顯示速度，本文對(duì)繪制算法加速和優(yōu)化.利用了GPU加速，從而為用戶帶來(lái)更好的視覺(jué)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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