三维可视化中的地形建模与实现技术研究

第25卷 第12期计 算 机 仿 真2008年12月 文章编号:1006-9348(2008)12-0212-04三维可视化中的地形建模与实现技术研究丁 斌1,祖家奎2(1.中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏南京210007;2.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)摘要:三维真实感是科学可视化、计算机动画和虚拟现实的技术核心,也是时空一体化地理信息系统的关键技术;而地形建模和可视化则是三维场景构造中的重要内容。

简述三维地形实现过程和地形建模常规方法的基础之上,重点对OpenGL支持下的两类三维地形建模和实现技术进行了详细地论述,并对两类建模技术和不同的实现方法进行了分析和对比研究;最后,根据其性能对比及其各自的特点,给出了不同方法的适用场合,从而为地形建模和实现方法的选择提供依据和指导。

关键词:地形建模;虚拟现实;可视化技术中图分类号:TP391 9 文献标识码:BM odeli ng and Realizationof3D V isualization T errai n TechnologyD ING B i n1,Z U Jia-kui2(1.The28th Instit u te,Ch i na E l ec tron i cs T echno l ogy G roup,N anji ng Ji ang su210007,Ch i na;2.D epa rt m en t of A uto m ation Eng i neeri ng,N an ji ng U nivers it y of A eronauti cs and A stronauti cs,N an jing Ji angsu210016,Ch i na)AB STRACT:A3D rea listic i m age is the co re techn i que o f sc i entifi c v is ua liza ti on,com puter an i m ati on,and v i rtua lrea li ty,a lso i s an i m portant techn i que of spati o-te m po ra l G IS.A nd m ode li ng o f terra i n and v isua liza ti on a re i m portan t parts of creati ng3D scene.T his article pu ts e m phasi s on t w o m ethods of te rra i n m ode li ng and realization w it hO penGL based on i ntroduc i ng the rea li zing process of3D terra i n and m ode li ng o f terrai n.A lso t h is artic l e contrastsand analyses d iffe rent ways of modeli ng techno l og i es and rea li zing process.In t he end,t he article g i ves s u itable app licati on o ccasions for differentm e t hods,thus prov i ding f oundati on and guidance f o r3d terra i n m odeli ng and rea lizati on.K EY W ORDS:3D terra i n;V irt ua l realit y;Scien tific v i sua lization1 引言20世纪60年代以后,地形可视化的概念随着地理信息系统的出现而逐渐形成。

随后以地形地貌为研究重点的地形三维可视化技术在地理信息系统(G IS)、虚拟现实(VR)、战场环境仿真、娱乐游戏、地形的穿越飞行(fl y i ngthrough)、土地管理与利用、水文气象数据可视化等多个领域得到了广泛的应用,越来越受到人们的关注。

地形可视化[1]是一门以研究数字地形模型(D i g ital T erra i n M odel)或数字高程域(D i g ita lE levati on F i e l d)的显示、简化、仿真等为内容的三维实体构造技术,是三维场景构造中的重要组成部分和研究重点。

本文在基于Open GL的三维地形实现技术基础之上,针对不同的三维地形模型方法以及三维可视化等关键技术展开了分析,重点研究了基于3D S M AX和基于Open GL的两类三维地形建模和实现技术,并依据多边形数目、每秒钟帧数、内存使用以及CPU效率等指标对其进行了性能比较。

最后,根据其性能对比的结果及其各自的特点,给出了不同方法的适用场合,从而为实际工程应用中的地形建模和实现技术的选择提供依据和指导。

2 三维地形建模与实现方法2.1 地形建模当前,利用O penGL技术构造三维实体的常规建模方法收稿日期:2007-09-24 修回日期:2008-04-02有如下两种[2]:1)在三维形体构造软件(如3DS M AX 等)中完成形体的构造,通过相应的方法将3D S M AX 建立的模型转换为O pen GL 中的顶点数组,最后在O penGL 下进行显示;2)O pen G L 编程实现三维地形建模。

目前常用的方法是先根据特征点高程和地形的特征参数(如平均高程、高程标准差等)构筑地形模型,再利用插值生成地形的细节,最后通过色彩和纹理处理形成完整的三维地形。

2.2 三维地形实现的基本方法在实现过程中,首先得到DE M [3][4][5]数据(影像数据),通过相应的数据处理,将原始数据转化为三维模型构造所需要的顶点数据;并利用变换后的数据进行模型构造,通过投影变换、视点变换等一系列的步骤,形成最初的三维地形;最后利用光照消隐以及纹理映射技术的后期加工和处理,真实感的三维地形最终成型。

基于OpenGL 技术的三维地形的基本实现过程如图1所示,而本文将重点论述基本过程中的三维数字地形模型构造的方法。

下面将介绍利用O penGL 技术构建三维地形的建模技术和实现方法。

图1 利用OpenGL 实现三维地形的流程图3 基于3D S MAX 的地形建模与实现首先,利用经过处理后的DE M 数据,在3DS M AX 软件下建立数字地形[6][7](3DS M AX 建模的具体方法和步骤见相关技术文献)。

图2 3DS MAX 下的三维地形通过3DS M AX 建成的数字地形如图2所示。

当3DS M AX 模型建立完成之后,就需要将此模型转换为O penGL 中的顶点数组。

有三种方法可以实现上述的转换:1)直接对3D S M AX 模型进行读取,将各个信息放入对应的数组中;2)利用工具软件如D eep Exp l o ration 等,可以将3DS M AX 模型转换为C 语言文件,并且在C 语言文件中将模型信息存储在数组中;3)利用已经封装好了的3DS M AX 文件读取类进行模型转换。

如使用比较广泛的CLoad3DS 类[8],它由专业的人员编写并封装好,通过包含它的头文件和执行文件,并调用相应的函数即可完成.3d 模型的转换。

这三种方法各有优缺点。

第一种方法优点是可以选择对自己有用的信息进行存储,将不关心的信息进行滤除,提高程序效率,缺点是使用者需要对.3d 文件结构有较深的了解,并且需要进行大量的程序编写,比较费时费力;第二种方法优点是不需要具备专业的.3d 文件结构知识,直接通过软件转换,省时省力,缺点是大部分软件只能将3D S M AX 中的顶点数据转换成数组保存,但是将丢失纹理信息,如图3所示;第三种方法较好的解决了前两种方法的缺点,它既可以方便的对3D S M AX 模型进行转换,又不会丢失纹理信息,如图4所示。

但是缺点是它将所有的信息完全的保存下来,这样在OpenGL 渲染的时候会增加系统的运算量,降低程序效率。

表1 两种.3d 模型转换方法的比较多边形数Fps 内存消耗CP U 占用方法2345172899204K 99%方法3345174630360K56%利用第一种方法和第三种方法从实现技术上是一致的,都是通过对.3d 文件的信息分类进行读取,不同的是第一种方法需要自己编程,第三种方法利用已有的程序。

而第二种与第三种方法相比,第二种方法虽然也将所有的顶点数据保存下来,但是可以有选择的在O penGL 中绘制有用的顶点。

为了比较了该两种方法对同一个.3d 三维地形模型进行转换时的效率,特选择多边形数目、每秒钟帧数(F ps)、内存使用、CPU 使用等指标来衡量,其对比结果如表1所示(其中用来测试的电脑配置如下:P enti um (R )M 1 4G 处理器、内存为512M,操作系统为W indo w s X P)。

综上所述,对于.3d 三维地形转换的第二种方法不太适合对纹理要求较高的模型转换中。

对于使用第一种方法还是第三种方法应视不同情况来选择:1)当系统对实时性要求高而且地形大,并且开发时间宽裕时,选择第一种方法;2)当系统注重开发时间,并且可以容忍一定效率损失时,选择第三种方法。

4 基于OpenGL 技术的地形建模与实现基本地形建模计算机图形学中的所有光滑曲面最终都是由多边形(主要是三角形)无限逼近得到的,因此建立三维地形模型[9][10]的实质是构造用来逼近该曲面的空间三角网。

利用准备好的数据点根据D elaunay 三角网的构网规则生成三角网,如图5所示。

图5 三角网构造三维地形在生成三角网后,还需要注意组成三角网的各个三角面法向量的标注。

因为生成地形的明亮程度除取决于光源和明暗处理方式外,还受到三角面点与面的法向量的影响。

一般点的法向量取值为其周围面法向量的均值。

在图6中P 点的法向量即可表示为与其相邻的四个面法向量N 1、N 2、N 3、N 4的和的平均值。

图6 面与点的法向量计算!LOD (Leve l of D eta ils)技术地形建模LOD 技术是指为了更好地实现三维复杂模型的实时动态显示,将三维物体用多种不同的精度表示,并根据观察点位置的变换而选择不同精度的模型予以成像的技术。

一般来说,地形的数据量是很大的,利用一般的方法构建大型的地形需要消耗大量的内存并且也会严重的影响渲染速度。

然而,并不是系统每次都必须耗费大量的内存和CPU 来渲染大数据量的地形,因为当观察点距离地面很远时,地形的图像在屏幕上占据很少的象素点,在这种情况下,用大量的多边形面片去精确表示地形是不必要的。