第五章 基于纹理映射算法的地形三维显示技术 虚拟现实技术教学课件

北京城市景观（亚运村）
三维分层设色晕渲显示
三维分析之剖面分析
GIS应用于交通
5.4 纹理库的建立
[一]对于不同地区的地形三维显示，在 采用纹理 映射算法时，就必须选择符合实 地状态的纹理图象。因此，为了保证地形三 维可视化软件系统的广泛适用性和较好的逼 真效果，就必须建立一个纹理库，以存储和 管理各种地貌纹理图象。
根据前几节所述的纹理映射算法原理和地 形矢量要素的结构特点，下面介绍二种生成地形 矢量要素三维图的方法：
（1）纹理映射法；
（2）直接绘制法。
[一]纹理映射法
纹理映射法与三维地形图（三维像素地形图） 的生成算法基本相同，只是其纹理图象应该是由 各类地形要素矢量所绘制的矢量要素平面图。
其中，作为纹理图象的地形矢量平面图和景 物空间之间的映射关系可表示为：
光部分的影象，这样在三维显示算法中，经光照 模型处理可以获得较理想的阴影和起伏 ； 4. 可以在一幅纹理图象中按一定格式构成多种纹理 。
透明纹理模拟花草树木
透明纹理模拟地球外层大气效果
纹理映 射
无纹理映射地球模型
纹理映射地球模型
地球表面纹理
5.5 纹理映射算法中的反混淆处理
5.5.1 概述
· S1(u1，v1)
· S(u，v) ·
S2(u2，v1)
O U
图 5－8
纹理分块
白金汉宫建筑三维重建
Байду номын сангаас
依据像素地形图的四个角点即可求解出这8个 变换参数，从而确定其映射关系。
[三]景物空间与三维地形图（屏幕空间）之间的映射关系
映射关系 景物空间与屏幕空间之间的映射关系就是透视投影
变换，由视点、视角以及三维地形图的大小所确定。 具体计算公式见§3.3 节。
[四]光色效应处理
光照模型需做到： （1）基本保持原地形图的色调； （2）映射后的纹理保持清晰；
[二]建立纹理库的方法
纹理库的建立实际上是一系列栅格图象的获 取和管理。主要内容可包括：
1、纹理的分类 2、纹理图象的存放和检索方法 3、纹理图象的压缩 4、纹理图象的处理的相应软件包
[三]纹理图象的获取通常有以下几种途径：
1. 从专业摄影图片中获取； 2. 实地摄影获取纹理图象； 3. 从航天、航空遥感图象中获取纹理； 4. 直接以该地区的地形图或其它专题图经扫描得
x y a b0 0
a1XT b1XT
a2YT b2YT
该算法的实现过程可由下面图5－3描述：
绘制矢量要素平面图 绘制模拟灰度立体图
纹 理
三 维
注 记
输
映 射
地 形
叠 加
出
矢
量
要
素
图
图5—3
[二]直接绘制法
直接绘制法是依据地形矢量的数据结构， 在绘制完成摸拟灰度三维地形图之后，再逐一 对地形矢量数据进行处理，经过坐标投影变换 消隐、取色、绘制等一系列过程，将各矢量要 素的相应的符号绘制在背景三维图上，形成地 形矢量要素三维图。
素的地图符号作为表面纹理的立体地形图。
像素地形图的纹理映射
[二]景物空间与纹理空间之间的映射关系
景物空间与纹理空间之间的映射实际上是实现地形 图与相应地面之间在平面位置上的配准。顾及地形图扫 描时可能产生的平移、旋转和比例尺的变化，其映射关 系是一种仿射变换:
xa0a1XTa2YTa3XTYT yb0b1XTb2YTb3XTYT 式中 （x，y）是任一点在像素地形图中的坐标； （XT YT)是对应地面点的平面位置； （ai，bi；i=0，1，2，3）为8个变换参数。
5.2.1 问题的提出
利用纹理映射算法，可生成真实性好、信息丰 富、现势性强的三维影像（实景）图。然而，从 实际运用的角度来看，仍然有二方面的问题值得 进一步思考： （1）资料的来源问题。 （2）地形图的充分利用问题。
5.2.2 三维地形图的生成算法
[一]绘制三维（立体）地形图的基本思想是：
以扫描数字化地形图（也称“像素地形图”）作为 纹理图像，依据地形图和DEM数据建立纹理空间、景物空 间和图像空间（计算机屏幕空间）这三者之间的映射关 系，根据真实感三维图形绘制的基本理论生成以地形要
地形的纹理图象一般是通过扫描得到的。它的每一个 象素所代表的实际上是一定区域内景物的影像 ，因此当象 素区域内所包含画面各部分的实际光亮度不－致时（事实上 往往如此），仅因象素中心点处的光亮度来代替整个象素的 光亮度，就会产生图形混淆现象，又叫混叠现象 （Aliasing）。
在纹理映射算法中，各种地形图的绘制都包括对纹理图 象的重采样这－过程。这种重采样必然会导致三维图画面上 的细节（如果物轮廓边、光亮度急剧变化区域或细小物体） 的丢失，同样也会产生混淆现象。
其基本处理过程由图5-4表示。
读
逐
入
点 从透
地 物 的 矢 量
DEM
获 得 平 面 坐
视
内 插
变
出换
Zi
数
标
据
可否 见 否
按光照模型 计算灰度
是
按地物和颜色 属性选择符号
绘制和输出
[三]实验结果
叠加矢量图
数字化产品(部分)
DLG
DOM
DEM
DOM+DLG+DEM
DOM+DLG+DEM
电子沙盘
为此采用二种算法实现明暗处理： （l）挂网法 （2）简单光照模型法
5.2.3 实验结果
平面地形图
三维地形图
5.3 基于地形要素矢量数据的 三维地形图的绘制
基于地形要素矢量数据的三维图就是充分地利 用已获取的各类地形矢量要素，将其栅格化和符号 化处理，再结合三维地形图绘制的基本算法，生成 以模拟灰度或颜色为背景，叠加各种地形要素（包 括等高线、居民地、河流、道路、文字注记等）的 地形矢量要素三维图。（3D Vectorial factors image）
[二]纹理图象的预处理
对于一些原始图象并不理想的纹理图象，可采用 一系列滤波算子处理。需要指出的是，对于地形纹 理图象而言，地形特征是最主要的纹理信息，因此 在滤波处理中采取一些保特征的滤波算子（高频滤 波器）。
[三]重采样算法
考虑到计算量和精度，我们采用对采样点相邻 的4个象素进行双线性内插的算法，如图5－8所示， 设（u1，v1），（u1，v2），（u2，v1）和（u2，v2） 是四个包围采样点（u，v）的4个象素，则采样点灰 度S（u，v）由下式求得：
到的数字图象（像素图）作为纹理图象； 5. 将该地区的矢量数据与地貌纹理图象复合，生
成纹理图象。
[四]生成纹理图象过程中的有关问题
1. 纹理图象的大小与所绘制三维图象的大小相适应； 2. 纹理图象中的景物视角、视距应尽量与所要生成
的三维地形图的视角、视距相一致 ； 3. 纹理图象应选择亮度均匀的区域而避免阴影和强
S(u,v)(u(u2 uu11))vv((2v1v)1)[S(u2,v2)S(u1,v1)] [S(u2,v1)S(u1,v1)]((uu2uu11))[S(u2,v1)S(u1,v1) ((vv2vv11))[S(u1,v2)S(u1,v1)]S(u1,v1)
V S4(u1，v2) ·
S3(u2，v2) ·
第五章
基于纹理映射算法的地形三维显示技术
本章要点
• 5.1 概 述 • 5.2 以扫描地形图为纹理图象的地形三维可视化算法 • 5.3 基于地形要素矢量数据的三维地形图的绘制 • 5.4 纹理库的建立 • 5.5 纹理映射算法中的反混淆处理
5.2 以扫描地形图为纹理图象的 地形三维可视化算法
5.5.2 几种反混淆措施
[一]保证纹理图象的较高分辨力
从采样定理上讲，图象分辨力的高低，也就是采 样频率的高低，它直接影响映射图象以及重采样图象 的质量。然而，图象分辨力的提高势必增加图象的存 贮量。因此，兼顾计算机的处理能力和图形质量的要 求，一般映射图象扫描分辨力在200～60ODPI之间选择 为宜。