大規(guī)模三維地形場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制技術(shù)研究

楊秋月 張 侃 王江峰

（上海航空電器有限公司，上海 201101）

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模三維地形場(chǎng)景逐漸進(jìn)入大眾的視野，其清晰直觀的表現(xiàn)形式為用戶(hù)提供了一種身臨其境的感知體驗(yàn)，因此在虛擬座艙、合成視景、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于該技術(shù)所涉及的數(shù)據(jù)量極其龐大，如何在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)兼顧實(shí)時(shí)性依然是一個(gè)技術(shù)瓶頸。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外做了大量的相關(guān)研究，包括如何構(gòu)建大規(guī)模三維地形場(chǎng)景模型，數(shù)據(jù)以何種形式進(jìn)行組織和存儲(chǔ)更利于數(shù)據(jù)的管理、調(diào)度；如何在不影響繪制效果的同時(shí)盡量減少繪制圖元的數(shù)量以提高繪制效率；如何使用真實(shí)的紋理對(duì)地形表面進(jìn)行貼圖；如何設(shè)計(jì)渲染算法使顯示畫(huà)面滿(mǎn)足流暢、實(shí)時(shí)的要求等，文章將對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析與探究。

1 大規(guī)模三維地形場(chǎng)景模型的構(gòu)建流程

如何構(gòu)建大規(guī)模三維地形場(chǎng)景模型是實(shí)時(shí)繪制技術(shù)的基礎(chǔ)，其具體的構(gòu)建環(huán)節(jié)需要通過(guò)以下流程實(shí)現(xiàn)：首先，將海量的地形高程數(shù)據(jù)庫(kù)和影像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分塊、分層預(yù)處理，并把每層數(shù)據(jù)按照一定的組織形式存儲(chǔ)在文件中；然后，采用層次細(xì)節(jié)技術(shù)為目標(biāo)場(chǎng)景建立基于不同精度與距離的幾何模型；在實(shí)際應(yīng)用中，由于地形的大部分區(qū)域都在視域范圍之外，這時(shí)可利用可見(jiàn)性剔除技術(shù)，在數(shù)據(jù)預(yù)取階段剔除掉不可見(jiàn)的繪制元素，進(jìn)而減少繪制的圖元數(shù)量：為了獲得具有高度真實(shí)感的地形場(chǎng)景，一般采用紋理映射技術(shù)將真實(shí)的影像數(shù)據(jù)疊加在相應(yīng)的地形表面上；在場(chǎng)景渲染階段，通常采用CPU/GPU 協(xié)同處理技術(shù)來(lái)提高渲染速率。

2 大規(guī)模三維地形場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制技術(shù)

2.1 地形數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)技術(shù)

大規(guī)模三維地形場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制技術(shù)所涉及的地形數(shù)據(jù)動(dòng)輒以GB 為單位，若不能科學(xué)合理地組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將很難達(dá)到實(shí)時(shí)繪制的水平。

對(duì)于海量三維地形數(shù)據(jù)，包括地形高程和紋理數(shù)據(jù)，目前使用最廣泛的是采用地形分塊結(jié)合多分辨率金字塔模型的處理方式。因?yàn)榈匦螖?shù)據(jù)覆蓋范圍極大，將整塊地形作為調(diào)度單位進(jìn)行處理顯然不現(xiàn)實(shí)，故在數(shù)據(jù)調(diào)度之前首先需要對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊。地形分塊一般將原始數(shù)據(jù)按照經(jīng)緯度從左到右、從下到上進(jìn)行均勻分割，形成大小相等的數(shù)據(jù)子塊。然后每個(gè)數(shù)據(jù)子塊按照不同的分辨率進(jìn)行均勻的分層，即構(gòu)建多分辨率金字塔模型[1]。該模型的構(gòu)建原則是：首先將原始數(shù)據(jù)，即全分辨率的地形數(shù)據(jù)作為金字塔模型的最底層，然后從下到上分辨率逐層降低，但各層所表示的地形范圍大小不變，直至達(dá)到最頂層，此時(shí)分辨率達(dá)到最低，即一個(gè)數(shù)據(jù)代表一整塊地形。分塊建模后的地形數(shù)據(jù)按照一定的命名規(guī)則以文件形式保存，在地形繪制的過(guò)程中，根據(jù)視點(diǎn)的移動(dòng)按需調(diào)取相應(yīng)層級(jí)的地形數(shù)據(jù)塊。

2.2 層次細(xì)節(jié)技術(shù)

三維地形表面的繪制主要是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建三角形面片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于大規(guī)模的地形場(chǎng)景而言，構(gòu)建地形表面的三角形面片數(shù)量以千萬(wàn)計(jì)，這對(duì)于資源有限的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)負(fù)擔(dān)極大，若能在不影響場(chǎng)景畫(huà)面質(zhì)量的前提下減少三角形面片的數(shù)量，將會(huì)極大地減輕計(jì)算機(jī)硬件尤其是GPU 的負(fù)擔(dān)。

層次細(xì)節(jié)技術(shù)也稱(chēng)為L(zhǎng)OD( Level of Detail)，該技術(shù)根據(jù)地形數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與視點(diǎn)的位置關(guān)系，動(dòng)態(tài)地調(diào)取不同細(xì)節(jié)層次的地形數(shù)據(jù)[2]。當(dāng)視點(diǎn)遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，調(diào)用細(xì)節(jié)層次較低的數(shù)據(jù)模型，模型中的三角形面片數(shù)量相對(duì)較少，畫(huà)面細(xì)節(jié)較為粗糙；而當(dāng)視點(diǎn)距離數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)較近時(shí)，調(diào)用細(xì)節(jié)層次較高的數(shù)據(jù)模型，模型中的三角形面片數(shù)量相對(duì)較多，畫(huà)面細(xì)節(jié)較為精細(xì)。

在大規(guī)模三維地形場(chǎng)景的繪制過(guò)程中，應(yīng)用LOD 技術(shù)可提升模型數(shù)據(jù)庫(kù)中三角形的利用效率，在有限的技術(shù)條件下可獲得最佳的視覺(jué)效果，保證地形場(chǎng)景描述的科學(xué)性與有效性。

2.3 可見(jiàn)性剔除技術(shù)

在繪制三維地形場(chǎng)景時(shí)，若把所有繪制元素直接提交給渲染器，將會(huì)極大增加GPU 的負(fù)擔(dān)，極可能達(dá)不到實(shí)時(shí)繪制所需的渲染幀數(shù)，造成顯示畫(huà)面雜亂或卡滯。因此，只將可見(jiàn)范圍內(nèi)的地形塊調(diào)入內(nèi)存進(jìn)行繪制是加快地形渲染速率的有效途徑?？梢?jiàn)性剔除技術(shù)就是通過(guò)評(píng)估一個(gè)繪制元素的可見(jiàn)性來(lái)快速剔除不可見(jiàn)元素，減少進(jìn)入渲染管線的元素?cái)?shù)量，以提高地形場(chǎng)景繪制速率的一種技術(shù)。

可見(jiàn)性剔除算法通常分為三類(lèi)：視域剔除、背面剔除和遮擋剔除[3]。

視域剔除法，其核心思想是判斷繪制目標(biāo)是否位于視域平頭四棱錐之外，倘若在四棱錐之外，則不可見(jiàn)而剔除。實(shí)際應(yīng)用中，為簡(jiǎn)化運(yùn)算通常采用場(chǎng)景繪制元素的包圍體作為替代進(jìn)行可見(jiàn)性評(píng)估。

背面剔除法，其核心思想是判斷繪制目標(biāo)是否位于與視線背離，若與視線背離，則不可見(jiàn)而剔除。在實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)視線方向和繪制元素(主要是三角形)法向量的夾角來(lái)進(jìn)行判斷，若夾角大于90°，則剔除掉該元素，否則進(jìn)行繪制。背面剔除法剔除掉了與視線方向背離的繪制元素，只繪制面向視點(diǎn)的元素，從而減少了繪制量。

遮擋剔除法，其核心思想是判斷繪制元素是否被其他繪制元素遮擋，若被遮擋，則不可見(jiàn)而剔除。在實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)視點(diǎn)的位置和視線的方向從前往后遍歷地形場(chǎng)景中的所有地形，若節(jié)點(diǎn)包圍盒完全在遮擋水平線之下，則認(rèn)為該地形節(jié)點(diǎn)被遮擋而被剔除；否則認(rèn)為可見(jiàn)而進(jìn)行繪制。

2.4 紋理映射技術(shù)

在繪制三維地形場(chǎng)景時(shí)，為了獲得真實(shí)感更強(qiáng)的視覺(jué)效果，一般采用真實(shí)的遙感影像數(shù)據(jù)作為紋理貼圖。如何將平面的二維紋理圖像映射到三維地形場(chǎng)景中是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，解決該問(wèn)題的技術(shù)就是紋理映射技術(shù)。

紋理映射技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是，實(shí)時(shí)地從該模型中選取分辨率與對(duì)應(yīng)高程數(shù)據(jù)層次細(xì)節(jié)程度相匹配的紋理圖像，即在離視點(diǎn)近的區(qū)域采用較高分辨率的紋理，而在離視點(diǎn)遠(yuǎn)的區(qū)域采用較低分辨率的紋理[4]。一般來(lái)說(shuō)，分辨率的選擇是與視點(diǎn)、地形塊的位置大小和紋理的原始分辨率相關(guān)的。如果和LOD 地形簡(jiǎn)化模型中一樣給紋理映射定義一個(gè)紋理誤差，就能有效地實(shí)現(xiàn)紋理層次的選擇。在大規(guī)模場(chǎng)景繪制中采用多分辨率紋理映射技術(shù)，既符合人眼觀察事物的特征，又節(jié)約了資源，提高了繪制速度。

2.5 CPU/GPU 協(xié)同處理技術(shù)

一般情況下，CPU 因其復(fù)雜計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)而用于處理計(jì)算任務(wù)，GPU 則因其強(qiáng)大的圖形處理能力而用于處理圖形繪制與渲染任務(wù)。但對(duì)于大規(guī)模地形場(chǎng)景而言，雖然對(duì)數(shù)據(jù)采取了分層分塊預(yù)處理、可見(jiàn)性剔除及層次細(xì)節(jié)等策略，每一幀的計(jì)算量依然很大，這讓CPU 不堪重負(fù)。隨著GPU 硬件的發(fā)展，其高帶寬和并行處理的優(yōu)勢(shì)使得GPU 參與計(jì)算任務(wù)成為可能[5]。采用GPU/CPU 協(xié)同處理計(jì)算任務(wù)可以大大加速場(chǎng)景繪制效率。具體來(lái)說(shuō)，由CPU 完成將外存中的數(shù)據(jù)塊調(diào)入內(nèi)存的工作，并將該數(shù)據(jù)塊送至GPU 顯存；由GPU 完成多分辨率金字塔模型的構(gòu)建，構(gòu)建完成之后進(jìn)行消除地形突變及裂縫等優(yōu)化處理的工作；最后，由GPU 完成對(duì)地形場(chǎng)景的繪制和渲染。

3 結(jié)論

綜上所述，基于地形數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)技術(shù)、層次細(xì)節(jié)技術(shù)、可見(jiàn)性剔除、紋理映射以及CPU/GPU 協(xié)同處理技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形場(chǎng)景的高質(zhì)量繪制，為研究工作提供可靠參考。相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，為保證地形繪制工作中遠(yuǎn)景與近景具有較高的清晰度，需要對(duì)實(shí)時(shí)繪制技術(shù)進(jìn)行不斷地完善與升級(jí)，這也是滿(mǎn)足大規(guī)模地形場(chǎng)景模型構(gòu)建有效性的關(guān)鍵。