三維可視化中的地形建模與實(shí)現技術(shù)研究

　1 引言

　　20世紀60年代以后，地形可視化的概念隨著(zhù)地理信息系統的出現而逐漸形成。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(GIs)、虛擬現實(shí)(VR)戰場(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、水文氣象數據可視化等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。坩形可視化…是一門(mén)以研究數字地形模型 (Digital Terrain M0de1)或數 字高程域(Di gital Elevati0n Fie1d)的顯示、簡(jiǎn)化、仿真等為內容的三維實(shí)體構造技術(shù)，是三維場(chǎng)景構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)現技術(shù)基礎之上，針對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(kāi)了分析，重點(diǎn)研究了基于 3DsMAx和基于 0penGL的兩類(lèi)一維地形建模和實(shí)現技術(shù)，并依據多邊形數目、每秒鐘幀數、內存使用以及 cPu效率等指標對其進(jìn)行 了性能 比較。最后，根據其性能對比的結果及其各 自的特點(diǎn)，給出了不同方法的適用場(chǎng)合，從而為實(shí)際工程應用中的地形建模和實(shí)現技術(shù)的選擇提供依據和指導。

　　2 三維地形建模與實(shí)現方法

　　2．1 地形建模

　　當前，利用 0penGL技術(shù)構造三維實(shí)體的常規建模方法有如下兩種 ：

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

　　2)0penGL編程實(shí)現三維地形建模 ，目前常用的方法是先根據特征點(diǎn)高程和地形的特征參數如平均高程、高程標準差等)構筑地形模型，再利用插值生成地形的細節 ，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)現的基本方法

　　在實(shí)現過(guò)程中，首先得到 DEM H 數據(影像數據)通過(guò)相應的數據處理，將原始數據轉化為三維模型構造所需要的頂點(diǎn)數據；并利用變換后的數據進(jìn)行模型構造，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)程中的三維數字地形模型構造的方法。下面將介紹利用 0penGL技術(shù)構建三維地形的建模技術(shù)和實(shí)現方法。

　3 基于 3DSMAX的地形建模與實(shí)現

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

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

　　1)直接對3DsMAx模型進(jìn)行讀取，將各個(gè)信息放入對應的數組中； ’

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

　　3)利用已經(jīng)封裝好了的 3DsMAx文件讀取類(lèi)進(jìn)行模型轉換。如使用比較廣泛的 cIJoad3Ds類(lèi) J，它由專(zhuān)業(yè)的人員編寫(xiě)并封裝好，通過(guò)包含它的頭文件和執行文件，并調用相應的函數即可完成．3d模型的轉換。

　　這三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。第一種方法優(yōu)點(diǎn)是可以選擇對自己有用的信息進(jìn)行存儲 ，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．3d文件結構有較深的了解，并且需要進(jìn)行大量的程序編寫(xiě) ，比較費時(shí)費力；第二種方法優(yōu)點(diǎn)是不需要具備專(zhuān)業(yè)的．3d文件結構知識，直接通過(guò)軟件轉換，省時(shí)省力，缺點(diǎn)是大部分軟件只能將 3DsMAx中的頂點(diǎn)數據轉換成數組保存 ，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 3DsMAx模型進(jìn)行轉換，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 )增加系統的運算量，降低程序效率。

　　利用第一種方法和第三種方法從實(shí)現技術(shù)上是一致的，都是通過(guò)對．3d文件的信息分類(lèi)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)數據保存下來(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同一個(gè)．3d三維地形模型進(jìn)行轉換時(shí)的效率，特選擇多邊形數目、每秒鐘幀數(Fps)、內存使用、cPu使用等指標來(lái)衡量 ，其對比結果如表 1所示 (其中用來(lái)測試的電腦配置如下：Pentium(R)M 1．4G處理器、內存為 512M，操作系統為 wind0ws xP)。

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

　　1)當系統對實(shí)時(shí)性要求高而且地形大，并且開(kāi)發(fā)時(shí)間寬裕時(shí)，選擇第一種方法 ；

　　2)當系統注重開(kāi)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

　?、?基本地形建模

　　計算機圖形學(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)是構造用來(lái)逼近該曲面的空間三角網(wǎng)。利用準備好的數據點(diǎn)根據 Delaunay三角網(wǎng)的構網(wǎng)規則生成三角網(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)三角面法向量的標注。因為生成地形的明亮程度除取決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?chē)娣ㄏ蛄康木?。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)現三維復雜模型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示 ，將三維物體用多種不同的精度表示，并根據觀(guān)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)，地形的數據量是很大的，利用一般的方法構建大型的地形需要消耗大量的內存并且也會(huì )嚴重的影響渲染速度。然而，并不是系統每次都必須耗費大量的內存和CPu來(lái)渲染大數據量的地形，因為當觀(guān)察點(diǎn)距離地面很遠時(shí)，地形的圖像在屏幕上占據很少的象素點(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，系統只需要在觀(guān)察點(diǎn)離地面很近，需要精細的描述地貌的時(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(guān)察點(diǎn)遠離地面時(shí)，則可以簡(jiǎn)化數據量來(lái)達到提高渲染效率和減少內存消耗的目的，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分別是不同的細節層次下對同一組地形數據進(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明顯減少，而右圖的實(shí)體效果當視點(diǎn)離地面很遠的時(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對比了不同的細節層次下渲染的多邊形數目、每秒鐘幀數(Fps)、內存使用、cpu使用的情況(測試條件同上)。通過(guò)表 2的性能對比可以得出，使用較低的細節層次在渲染效率的提高以及系統消耗的減少上都有優(yōu)異的表現。這說(shuō)明利用 L0D技術(shù)實(shí)現大規模三維地形具有實(shí)際的工程價(jià)值。

　所以，在不同的觀(guān)察高度下對三維地形使用不同的細節層次，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 性能對比

　　以上論述了兩類(lèi)三維地形建模和實(shí)現技術(shù)，對這兩種不同的實(shí)現方法的優(yōu)劣仍需對比研究。鑒于此，本文通過(guò)對這兩種方法渲染相同數量多邊形的 Fps、消耗內存以及 cPu效率等指標進(jìn)行 比較 ，其中使用封裝好的 cLoad3D類(lèi)來(lái)轉換3DsMAx文件。用來(lái)測試的電腦配置和上面的測試配置相同。性能對比的測試結果如表3所示。

　　由表 3可以得出，渲染相同數量多邊形，OpenGL編程建模比3DsMAx建模使用更少的內存消耗并且有更高的 Fps。所以程序如果偏向于追求程序執行效率，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程序所構建的三維模型外觀(guān)上 比較粗糙，而且建模的直觀(guān)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(zhuān)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(guān)地構建模型，模型外觀(guān)更精細，可以保留很多細節。當程序要求三維地形具有復雜精 細的外觀(guān)效果，應 當考慮使用 3DsMAx建模實(shí)現。

　　6 結論

　　本文從三維地形實(shí)現過(guò)程的角度出發(fā)，圍繞三維地形建模的實(shí)現方法展開(kāi)研究，重點(diǎn)研究了 0penGL支持下的兩類(lèi)三維地形 建模 和實(shí)現技術(shù) ，并對其性能和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。

　　通過(guò)對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)際工程應用 中的地形建模和實(shí)現技術(shù)的選擇提供依據和指導：

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

　　2)系統在性能和效果上更傾向于效果，并且對細節方面有較高要求，紋理貼圖復雜多變 ，則適用 3DSMAx建模實(shí)現