三維可視化中的地形建模與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

　1 引言

　　20世紀(jì)60年代以后，地形可視化的概念隨著地理信息系統(tǒng)的出現(xiàn)而逐漸形成。隨后以地形地貌為研究重點(diǎn)的地形三維可視化技術(shù)在地理信息系統(tǒng)(GIs)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真、娛樂(lè)游戲、地形的穿越飛行({1yin hr0ugh)土地管理與利用、水文氣象數(shù)據(jù)可視化等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。坩形可視化…是一門以研究數(shù)字地形模型 (Digital Terrain M0de1)或數(shù) 字高程域(Di gital Elevati0n Fie1d)的顯示、簡(jiǎn)化、仿真等為內(nèi)容的三維實(shí)體構(gòu)造技術(shù)，是三維場(chǎng)景構(gòu)造中的重要組成部分和研究重點(diǎn)。

　　本文在基于 OpenGL的i維地形實(shí)現(xiàn)技術(shù)基礎(chǔ)之上，針對(duì)不同的三維地形模型方法以及三維叮視化等關(guān)鍵技術(shù)展開了分析，重點(diǎn)研究了基于 3DsMAx和基于 0penGL的兩類一維地形建模和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并依據(jù)多邊形數(shù)目、每秒鐘幀數(shù)、內(nèi)存使用以及 cPu效率等指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行 了性能 比較。最后，根據(jù)其性能對(duì)比的結(jié)果及其各 自的特點(diǎn)，給出了不同方法的適用場(chǎng)合，從而為實(shí)際工程應(yīng)用中的地形建模和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇提供依據(jù)和指導(dǎo)。

　　2 三維地形建模與實(shí)現(xiàn)方法

　　2．1 地形建模

　　當(dāng)前，利用 0penGL技術(shù)構(gòu)造三維實(shí)體的常規(guī)建模方法有如下兩種 ：

　　1)在三維形體構(gòu)造軟件(如 3DsMAx等)中完成形體的構(gòu)造 ，通過(guò)相應(yīng)的方法將 3DSMAx建立的模型轉(zhuǎn)換為 0penGL中的頂點(diǎn)數(shù)組，最后在 0penGL下進(jìn)行顯示；

　　2)0penGL編程實(shí)現(xiàn)三維地形建模 ，目前常用的方法是先根據(jù)特征點(diǎn)高程和地形的特征參數(shù)如平均高程、高程標(biāo)準(zhǔn)差等)構(gòu)筑地形模型，再利用插值生成地形的細(xì)節(jié) ，最后通過(guò)色彩和紋理處理形成完整的三維地形。

　　2．2 三維地形實(shí)現(xiàn)的基本方法

　　在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先得到 DEM H 數(shù)據(jù)(影像數(shù)據(jù))通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型構(gòu)造所需要的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)；并利用變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)造，通過(guò)投影變換、視點(diǎn)變換等一系列的步驟，形成最初的三維地形；最后利用光照消隱以及紋理映射技術(shù)的后期加工和處理，真實(shí)感的三維地形最終成型。

　　基于 OpenGL技術(shù)的三維地形的基本實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖 1所示 ，而本文將重點(diǎn)論述基本過(guò)程中的三維數(shù)字地形模型構(gòu)造的方法。下面將介紹利用 0penGL技術(shù)構(gòu)建三維地形的建模技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法。

　3 基于 3DSMAX的地形建模與實(shí)現(xiàn)

　　首先，利用經(jīng)過(guò)處理后的 DEM數(shù)據(jù) ，在 3DsMAx軟件下建立數(shù)字地形 (3DsMAx建模的具體方法和步驟見(jiàn)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn))。

　　通過(guò) 3DSMAx 建成的數(shù)字地形如圖2所示。當(dāng) 3DsMAx模型建立完成之后 ，就需要將此模型轉(zhuǎn)換為 0pen- GL中的頂點(diǎn)數(shù)組。有三種方法可以實(shí)現(xiàn)上述的轉(zhuǎn)換：

　　1)直接對(duì)3DsMAx模型進(jìn)行讀取，將各個(gè)信息放入對(duì)應(yīng)的數(shù)組中； ’

　　2)利用工具軟件如 Deep Exploration等，可 以將3DSMAX模型轉(zhuǎn)換為 C語(yǔ)言文件，并且在c語(yǔ)言文件中將模型信息存儲(chǔ)在數(shù)組中 ；

　　3)利用已經(jīng)封裝好了的 3DsMAx文件讀取類進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換。如使用比較廣泛的 cIJoad3Ds類 J，它由專業(yè)的人員編寫并封裝好，通過(guò)包含它的頭文件和執(zhí)行文件，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)即可完成．3d模型的轉(zhuǎn)換。

　　這三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。第一種方法優(yōu)點(diǎn)是可以選擇對(duì)自己有用的信息進(jìn)行存儲(chǔ) ，將不關(guān)心的信息進(jìn)行濾除，提高程序效率，缺點(diǎn)是使用者需要對(duì)．3d文件結(jié)構(gòu)有較深的了解，并且需要進(jìn)行大量的程序編寫 ，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力；第二種方法優(yōu)點(diǎn)是不需要具備專業(yè)的．3d文件結(jié)構(gòu)知識(shí)，直接通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換，省時(shí)省力，缺點(diǎn)是大部分軟件只能將 3DsMAx中的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)組保存 ，但是將丟失紋理信息，如圖3所示 ；第三種方法較好的解決了前兩種方法的缺點(diǎn)，它既可以方便的對(duì) 3DsMAx模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，又不會(huì)丟失紋理信息，如圖4所示。但是缺點(diǎn)是它將所有的信息完全的保存下來(lái)，這樣在 OpenGL渲染 的時(shí)候會(huì)增加系統(tǒng)的運(yùn)算量，降低程序效率。

　　利用第一種方法和第三種方法從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上是一致的，都是通過(guò)對(duì)．3d文件的信息分類進(jìn)行讀取，不同的是第一種方法需要自己編程，第三種方法利用已有的程序。而第二種與第三種方法相比，第二種方法雖然也將所有的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)保存下來(lái)，但是可以有選擇的在 OpenGL中繪制有用 的頂點(diǎn)。為了比較了該兩種方法對(duì)同一個(gè)．3d三維地形模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)的效率，特選擇多邊形數(shù)目、每秒鐘幀數(shù)(Fps)、內(nèi)存使用、cPu使用等指標(biāo)來(lái)衡量 ，其對(duì)比結(jié)果如表 1所示 (其中用來(lái)測(cè)試的電腦配置如下：Pentium(R)M 1．4G處理器、內(nèi)存為 512M，操作系統(tǒng)為 wind0ws xP)。

　　綜上所述，對(duì)于．3d三維地形轉(zhuǎn)換的第二種方法不太適合對(duì)紋理要求較高的模型轉(zhuǎn)換中。對(duì)于使用第一種方法還是第三種方法應(yīng)視不同情況來(lái)選擇：

　　1)當(dāng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高而且地形大，并且開發(fā)時(shí)間寬裕時(shí)，選擇第一種方法 ；

　　2)當(dāng)系統(tǒng)注重開發(fā)時(shí)問(wèn)，并且可以容忍一定效率損失時(shí)，選擇第三種方法。[

4 基于 openGL技術(shù)的地形建模與實(shí)現(xiàn)

　?、?基本地形建模

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的所有光滑曲面最終都是由多邊形(主要是三角形)無(wú)限逼近得到的，因此建立三維地形模型叫的實(shí)質(zhì)是構(gòu)造用來(lái)逼近該曲面的空間三角網(wǎng)。利用準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù) Delaunay三角網(wǎng)的構(gòu)網(wǎng)規(guī)則生成三角網(wǎng)，如圖5所示。

　　在生成三角網(wǎng)后，還需要注意組成三角網(wǎng)的各個(gè)三角面法向量的標(biāo)注。因?yàn)樯傻匦蔚拿髁脸潭瘸Q于光源和明暗處理方式外，還受到三角面點(diǎn)與面的法向量的影響。一般點(diǎn)的法向量取值為其周圍面法向量的均值。在圖 6中 P點(diǎn)的法向量即可表示為與其相鄰的四個(gè)面法 向量 N1、N2、N3、N4的和的平均值。

　?、?LOD(Level 0f Defajls)技術(shù)地形建模

　　L0D技術(shù)是指為了更好地實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜模型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示 ，將三維物體用多種不同的精度表示，并根據(jù)觀察點(diǎn)位置的變換而選擇不同精度的模型予以成像的技術(shù)。 一般來(lái)說(shuō)，地形的數(shù)據(jù)量是很大的，利用一般的方法構(gòu)建大型的地形需要消耗大量的內(nèi)存并且也會(huì)嚴(yán)重的影響渲染速度。然而，并不是系統(tǒng)每次都必須耗費(fèi)大量的內(nèi)存和CPu來(lái)渲染大數(shù)據(jù)量的地形，因?yàn)楫?dāng)觀察點(diǎn)距離地面很遠(yuǎn)時(shí)，地形的圖像在屏幕上占據(jù)很少的象素點(diǎn) ，在這種情況下，用大量的多邊形面片去精確表示地形是不必要的。所以，系統(tǒng)只需要在觀察點(diǎn)離地面很近，需要精細(xì)的描述地貌的時(shí)候 ，才需要渲染大量的多邊形來(lái)逼近真實(shí)地形；而在觀察點(diǎn)遠(yuǎn)離地面時(shí)，則可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)量來(lái)達(dá)到提高渲染效率和減少內(nèi)存消耗的目的，也就是利用 IJ0D技術(shù)。利用 L0D技術(shù)進(jìn)行地形建模的效果見(jiàn)圖7、圖8、圖9所示。

　　圖7、圖8、圖9分別是不同的細(xì)節(jié)層次下對(duì)同一組地形數(shù)據(jù)進(jìn)行的地形建模，左圖是網(wǎng)格圖，右圖是實(shí)體圖。由左圖可以看出渲染的多邊形面片數(shù)明顯減少，而右圖的實(shí)體效果當(dāng)視點(diǎn)離地面很遠(yuǎn)的時(shí)候不會(huì)有明顯的變化。

　　為了具體的說(shuō)明LOD技術(shù)帶來(lái)的效率提高，表2對(duì)比了不同的細(xì)節(jié)層次下渲染的多邊形數(shù)目、每秒鐘幀數(shù)(Fps)、內(nèi)存使用、cpu使用的情況(測(cè)試條件同上)。通過(guò)表 2的性能對(duì)比可以得出，使用較低的細(xì)節(jié)層次在渲染效率的提高以及系統(tǒng)消耗的減少上都有優(yōu)異的表現(xiàn)。這說(shuō)明利用 L0D技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模三維地形具有實(shí)際的工程價(jià)值。

　所以，在不同的觀察高度下對(duì)三維地形使用不同的細(xì)節(jié)層次，可以很 好的在不損 失視覺(jué) 效果的前提下提高程序效率。

　　5 性能對(duì)比

　　以上論述了兩類三維地形建模和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，對(duì)這兩種不同的實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)劣仍需對(duì)比研究。鑒于此，本文通過(guò)對(duì)這兩種方法渲染相同數(shù)量多邊形的 Fps、消耗內(nèi)存以及 cPu效率等指標(biāo)進(jìn)行 比較 ，其中使用封裝好的 cLoad3D類來(lái)轉(zhuǎn)換3DsMAx文件。用來(lái)測(cè)試的電腦配置和上面的測(cè)試配置相同。性能對(duì)比的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

　　由表 3可以得出，渲染相同數(shù)量多邊形，OpenGL編程建模比3DsMAx建模使用更少的內(nèi)存消耗并且有更高的 Fps。所以程序如果偏向于追求程序執(zhí)行效率，則使用 OpenGL編程建模為好。

　　然而，3DsMAx建模優(yōu)點(diǎn)也是明顯的．使用 0penGL程序所構(gòu)建的三維模型外觀上 比較粗糙，而且建模的直觀性較差、修改模型時(shí)的效率也較低，同時(shí)建模過(guò)程比較繁瑣，編程量較大，而3DsMAx是專業(yè)的三維建模軟件，利用它可以方便的建立物體模型，且不需要編程便可很直觀地構(gòu)建模型，模型外觀更精細(xì)，可以保留很多細(xì)節(jié)。當(dāng)程序要求三維地形具有復(fù)雜精 細(xì)的外觀效果，應(yīng) 當(dāng)考慮使用 3DsMAx建模實(shí)現(xiàn)。

　　6 結(jié)論

　　本文從三維地形實(shí)現(xiàn)過(guò)程的角度出發(fā)，圍繞三維地形建模的實(shí)現(xiàn)方法展開研究，重點(diǎn)研究了 0penGL支持下的兩類三維地形 建模 和實(shí)現(xiàn)技術(shù) ，并對(duì)其性能和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。

　　通過(guò)對(duì)兩種方法的性能和優(yōu)缺點(diǎn)的比較和分析，得出不同方法的適用場(chǎng)合，從而為實(shí)際工程應(yīng)用 中的地形建模和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇提供依據(jù)和指導(dǎo)：

　　1)系統(tǒng)在性能和效果上更傾向于性能，并且需要占用更小的內(nèi)存和cPu，則適用 OpenGL編程實(shí)現(xiàn)；

　　2)系統(tǒng)在性能和效果上更傾向于效果，并且對(duì)細(xì)節(jié)方面有較高要求，紋理貼圖復(fù)雜多變 ，則適用 3DSMAx建模實(shí)現(xiàn)