虚拟现实中三维地形建模和可视化技术及算法研究

地表模型在虚拟现实中有着广泛而重要的应用，大范围的三维地形建模及其可视化是一个极富挑战性的课题。目前，对于具有海量数据特征的地形来说，既要保持视觉效果，又要提供较高的刷新频率，基于当前计算机硬件的发展现状，仍是一大难题。所以和一般虚拟场景中提高视景显示速度的方法一样，基于软件着手，从建模的角度来解决海量数据地形的实时显示问题，是目前解决这个问题的唯一方法。其中，建立地形模型的多分辨率模型(对地形模型进行多分辨率表示)是一个非常重要的手段。正因为如此，对地形的多分辨率表示的研究是近年来三维地理环境仿真领域中研究的热点。 本文首先介绍了虚拟现实技术，指出图形生成速度是虚拟现实的关键问题并综述了图形生成的加速技术；随后回顾了地形生成及实时显示技术和方法。在此基础上，本论文围绕着基于真实数据的三维地形生成和实时显示问题进行了广泛的探索，其中以建立地形的多分辨率模型为重点内容，研究了各种地形多分辨率表示的方法，以生成具有高度真实感的三维地形。主要分以下几个部分： 1) 探讨基于地形不规则三角网模型的模型简化方法，大大减少模型的数据量，获取各种多分辨率的三角网模型。 2) 建立不规则三角网模型的层次结构，生成三角网模型的连续多分辨率模型，实现动态实时显示。 3) 探讨基于规则格网的地形层次模型的表达方法，实现与视点有关的地形实时构网和动态显示。 4) 对于地形可视化中视区裁剪方法进行了深入地探讨。 数字高程模型是目前地形的主要表达方式，本文以数字高程模型所表示的地形模型为研究对象，讨论了虚拟现实中地形模型的多分辨率表示和可视化技术及算法。在对国内外这方面工作进行总结分析的基础上，本文提出了一些新的方法和对现有方法的一些改进，并通过实验证明，这些方法是有效的和实用的。主要工作如下： 1) 提出了一种基于顶点组删除的地形三角网模型简化方法，并设计了相应的数据结构和简化算法。在此基础上本文提出一种新的渐进网格生成方法和表示形式。该算法记录下整个模型简化过程中顶点删除的信息，并利用顶点删除与模型面片个数的对应关系，建立起渐进网格的表示形式。实现了基于地形TIN模型的实时连续多分辨率表示。 2)利川数据分块的思想，提出J’首先对TIN地形分块、建、)LOO模烈阵，然J.亏根 据川声”标准，自适)、访地确定所需川的模J亏哆层次进行‘实时地形显示的分步可视化扮汀:，‘实 现J’毕J几地形’「IN十纯代lJ的‘，视点相关、实时连续的l()D模烈的构建和沉染) 引提出了种堵J几局部能缎函数的地形误差估计方法，使得在地形模听。多分辨率 丧示「1，既能保持地形的逼真性，义有比较好的实时计算能力。利用J一贞点’。j一负点之间的依 倾关系采川项点i吴斧传输的方法，有效地解决了树刑结构构网中的裂缝问题。在此从础 l_提出J’种新的草于四义树的白适应性多分辨率表示算法，实现了地形尺S(;模刑的’J 视点相关的名分辨率表示和可视化。 4)把纹理映射技术用于地形可视化中，提出了一种基上Mipmaps的快速地形演染 算法，分析J’细}生层次选择标准;设计了一种有效的方法解决地形片基边界卜的的裂缝 现象:同!!寸提出J’4种不同LOO模刑之间平滑过渡的算法，’灾现了人规模地形的多分 脚率农，J;和实日寸连续绘制。 5)对地形可视化中的视区裁剪技术和方法进行仔细的研究，讨论J’儿种改善和加 速视{火裁必的技术和算法。提出了基于层次包围球的快速视区裁剪算法，人人加快J’地 )形叮视化的速度.