城市环境下射线追踪加速算法

城市环境下射线追踪加速算法

在三维城市建设的过程中，为了使得城市环境更具有真实感，往往需要为城市环境模拟一太阳光源，实现因为光照而引起的三维场景下的各种表现特征。研究在三维场景下的光线（射线）传播路径具有重要的应用价值，在广播数字电视、城市移动多媒体、移动通讯等领域，信号的传播都是利用电磁波实行的，而光本身也是一种电磁波，它们传播的方式一致。所以研究射线追踪技术，便能够将其引入到上述领域中展开应用。首先通过射线追踪技术找到发出的信号到达信号接收端的路径，然后结合信号在发射、路径传播过程中的电波传播特征，从而得到信号最终到达信号接收端的信号强度，实现基于射线追踪技术的电波传播预测，为广播数字电视、城市移动多媒体、移动通讯等领域的覆盖规划提供决策支持。本文在三维城区环境下，研究射线追踪技术的理论方法，即，某一光源（信号发射源）发出一条光线（射线）后，通过直射、反射、绕射等最终到达地面的光线（射线）传播路径。

1射线追踪介绍

射线跟踪方法的理论基础是几何光学（GeometricalOptics，GO）理论，即，光在空间中以射线的方式实行传播，在遇到障碍物时，遵循光的反射定律会产生反射现象，射线追踪即模拟光在空间中的反射路径。对于空间障碍物边缘发射的绕射，则引入几何绕射理论和一致性绕射理论，模拟信号在遇到障碍物时发生的绕射情况。图1为信号经过直射、反射、衍射（绕射）后到达信号接收端的示意图。因为从一个信号发射端会发出无数条射线，而且当遇到障碍物时，每条射线又会在障碍物表面发生反射、绕射等显现，所以在三维空间中找到所有射线的计算量巨大，甚至是计算机不可承受的。本文在充分研究传统射线追踪算法的基础上，提出基于城市布局分区、降维、加速多镜法的射线追踪技术，提升射线追踪算法的计算效率。

2.1分区加速算法

2.1.1城市布局分区城市的布局特征与自然环境密切联系，例如武汉

市城市总体布局以长江的走势为基础向东西两侧实行延伸。其街道路

网布局方式依据长江的走势布设，形成依托地理环境的独特城市布局。城市的布局特征与人文因素相关，以城市交通为例，交通线路的发展

会对城市布局产生长远影响。以北京市为例，北京市随着人口激增、

经济持续增长，逐渐在二环线的基础上修建三环、四环、五环、六环，而随着每一次环线的建设，北京市都会在此基础实行城市扩张。北京

市城市布局以环线为基本脉络，形成网状规则的布局。城市空间布局

综合考虑地理、人文等因素（如水系、交通等因素），或依据现有地

理因素建设，形成不规则布局形状，或依据人文环境建设相对规则的

布局；城市内部结构布局则根据总体布局成相对规则格局。如武汉市

城区内部布局依据长江的走势而成相对规则的块状布局；北京市城区

内部布局以长安街为中轴线，以道路、河流等组成相对规则块状结构。

此如何快速、高效地索引数据便成为射线追踪实现的关键。本文充分

借鉴地图分幅的原理，对于大范围区域首先采用规则格网的方式对城

市区域实行划分，建立规则格网空间索引。在划分的城市格网的基础上，结合城市因为地理、人文因素所形成的不规则块状结构，对基本

格网进一步划分，采用CELL树结构对规则格网下的空间建立空间索引。如图2所示。图3为北京市海淀区五环内部分区域。从图上能够看出

该区域被五环线、京藏高速、学院路、荷清路、学清路等几条主要道

路划分为块状结构，所以，以这几条路为骨干线，对该区域实行分块

处理，得到分块布局图。图中将区域划分为13个不规则区域，其命名

形如J50E010*******，其中前10位表示方格网编号，最后4位表示在格网中的编号。

2.2降维加速算法降维法是在射线追踪过程中，将三维环境下的建筑

物实行投影，变为二维场景后实行射线计算。该算法适用于信号发射

端高度低于建筑物的情况。如图4所示，信号发射端距离地面高度为h，障碍物1的高度为H1，障碍物2的高度为H2，且图中信号发射端发出

两条射线，射线1和射线2，射线1与水平方向的夹角为a，为仰角，

射线2与水平方向的夹角为b，为俯角。能够看出射线1不能到达地面

接收端，射线2能够到达信号接收端；同时因为障碍物1对位于其后面的障碍物2相对于信号发射端发射的信号来说造成了部分遮挡，而射线可见部分与水平面的夹角均为仰角，即由信号发射端直接到达障碍物2的射线不能通过反射到达信号接收端；位于射线3和射线4之间的射线都能够直接到达障碍物2，但是因为其夹角都为仰角，所以这些射线经过障碍物2的反射后会向海拔高度更高的位置反射，所以信号无法通过反射射线到达信号接收端。因为当信号发射端的高度低于障碍物高度所具有的这种性质，即一旦距离信号发射端较近障碍物对较远障碍物造成了遮挡，则信号不能通过反射射线到达较远障碍物。所以，基于射线传播的这种性质，能够将三维空间的建筑物先投影到二维平面上，在二维平面内对投影的建筑物实行求交运算，求得射线在二维平面内的传播路径，一旦收发点之间的传播路径被找到，则将在二维平面内的传播路径转化到三维空间中。因为在二维平面内的求交运算较三维空间简单得多，所以能够减少运算量，从而提升射线追踪的运算效率。

2.3朝向背向、遮挡测试

2.3.1建筑物朝向、背向测试当一束光线射向建筑物时，建筑物的某些面会因为处在光线的背面而不能实行反射。对于处在背向光线传播方向的面，能够不参与反射计算，这样能够提升计算效率，所以需要实行建筑物朝向、背向测试。在计算中，通过射线向量与面的夹角来判断某面是否背向射线。在实际计算中利用面的法向量与射线之间的夹角来判断面与射线的关系，如果两向量乘积，则建筑物朝向射线；反之，则背向射线。如图5面的法向量，面的法向量，信号发射塔发出一射线R，该射线与形成的夹角为，，因为为钝角，所以N<0，则面对射线R可见。当一束源点向某一方向发出射线时，首先实行建筑物的朝向、背向测试，判断建筑物的侧面与射线的朝向情况。如果面朝向射线，则射线与面之间有可能存有视距路径；如果面背向射线，则射线和面之间不可能存有视距路径。