[发明专利]一种多分辨率动态地形可视化方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种新的多分辨率动态地形可视化方法和系统，属于计算机图形学领域中虚拟现实与仿真学科分支。

背景技术

地形可视化是一门研究数字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)或数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的表示、简化和显示等内容的学科，属于计算机图形学的一个分支。动态地形可视化是指对地形表面在动态地形可视化系统运行时所发生的动态变化(如弹坑、车辙等由于地形场景中物体与地面相互作用而产生的地表的动态形变以及纹理等属性的变化)进行仿真建模，从而真实地表现地形场景。目前，动态地形可视化技术在地理信息系统、游戏、模拟军事训练、飞行训练等很多领域都有广泛的应用。

与普通三维物体相比，地形建模需要处理数量庞大的输入数据；另一方面，为了表现真实的地形场景，地形不同部分对绘制的精度要求也存在很大差别。因此，从1976年James Clark提出离散的细节层次(Level of Detail，简称LOD)模型以后，针对地形数据的多分辨率LOD建模一直是研究的热点。根据多分辨率地形可视化算法所处理的数据集的不同，可以将地形可视化算法分为两大类：

1.非规则三角形网格结构(Triangulated Irregular Networks，简称TINs)

基于非规则三角形网格结构的地形可视化算法利用层次化结构的三角形剖分表示多分辨率地形。适合非规则三角形网格结构的地形模型简化方法主要有：

a)顶点聚合(Vertex Clustering)

b)面元聚合

c)顶点消去

d)边收缩(Edge Collapse)

e)顶点对收缩(Vertex Pair Contraction)

基于非规则三角形网格结构的地形建模方法可以用较少的三角形表现比较逼真的绘制效果，还可以较方便地优化网格形状，实现对原始地形数据的压缩。

但是以上基于非规则三角形网格结构的方法与连续LOD建模较难融和，处理时所用数据结构消耗内存较大，而且计算量较大，灵活性差，效率较低。由于需要存储顶点的位置坐标，所以在进行碰撞检测计算时比较困难，而且不适于进行动态地形可视化方向的扩展。

2.规则网格结构(Regular Square Grid，简称RSG)

基于规则网格结构的多分辨率地形可视化算法多采用二叉树或四叉树表示地形的层次结构。适合规则网格结构的地形简化算法主要有：

a)多边形金字塔建模法

b)基于四叉树的地形简化算法

c)基于二叉树的地形简化算法

d)聚类三角化方法(基于GPU的地形建模法)

基于规则网格结构的多分辨率地形可视化方法易于剪裁和自顶向下简化，方便碰撞检测计算，处理速度快，可以用简单紧凑的结构表示地形数据，方便处理动态地形。

但是，在相同的渲染精度下，基于规则网格结构的地形表示方法中所需顶点数、三角形数目比TINs方法多。

动态地形的可视化方法面临的挑战除了上面提到的大规模的输入数据集与地形的多分辨率表示之外，对方法的实时性也有很高的要求。但是，目前流行的多分辨率地形可视化方法由于大多采用指针操作表示地形网格中的顶点以及四叉树或二叉树的节点，在处理大规模的动态改变的地形数据集时很难达到令用户满意的实时性的交互要求。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种新的基于绘制标记数组的隐式限制四叉树方法实现对大规模动态地形的仿真建模，并提供了一种用于实现该方法的系统。

为了实现本发明的目的之一，采用的技术方案如下：

一种多分辨率地形可视化方法，其步骤包括：

1)预处理原始地形数据，将原始地形数据存入地形顶点数组；

2)建立四叉树标记数组，其大小与地形顶点数组相同；并根据地形块误差为标记数组中的元素赋值，从而生成隐式四叉树；表示隐式限制四叉树的标记数组中每个元素有三种标记，分别为Node_Flag，Leaf_Flag和Unknown，其中，Node_Flag表示其在四叉树中所对应的节点是非叶子节点；Leaf_Flag表示其在四叉树中所对应的节点是叶子节点；Unknown是标记数组元素的初始值；

3)检查并修改隐式限制四叉树标记数组中会出现裂缝的标记值，消除地形模型中出现的裂缝；

4)根据标记数组中的元素的标记值渲染地形块，生成表示地形的多分辨率三角形网格模型；

5)对生成的三角形网格进行纹理贴图，生成可视化地形。