大規(guī)模城市場景圖形圖像混合建模與視覺無損渲染技術(shù).pdf

1、城市是人類從事生產(chǎn)、生活的重要場所,城市場景的高真實(shí)感三維可視化仿真是構(gòu)建數(shù)字城市、智慧城市的核心技術(shù),并且已經(jīng)滲透和廣泛應(yīng)用于虛擬地理信息系統(tǒng)、城市規(guī)劃、智能交通等與人們?nèi)粘；顒酉⑾⑾嚓P(guān)的行業(yè)領(lǐng)域中。大規(guī)模城市三維可視化仿真涉及三維表示建模、海量數(shù)據(jù)處理、三維可視化渲染等理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)的研究,需要綜合考慮計算機(jī)的硬件與軟件資源,實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的建模存儲、傳輸調(diào)度、分析計算以及可視化輸出。
　　本文通過分析城市三維可視化

2、仿真的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,以數(shù)據(jù)組織管理和可視化方法為兩個切入點(diǎn),提出了現(xiàn)階段需要解決的瓶頸與關(guān)鍵問題:第一,如何進(jìn)行有效的場景建模,處理海量的城市三維數(shù)據(jù),在保證模型視覺精度的同時盡可能地降低數(shù)據(jù)量,在CPU、GPU混合構(gòu)架下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸調(diào)度,為可視化系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持;第二,如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、城市級三維場景的視覺無損渲染,一方面保證模型的視覺精度與質(zhì)量,另一方面對城市級大場景進(jìn)行完整地展現(xiàn),并且在性能上滿足交互式乃至實(shí)時可視化的要求。

3、
　　針對以上問題,本文主要進(jìn)行了四個方面工作。首先,從城市三維場景的構(gòu)建入手,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種交互式的圖像逆過程式建模( Inverse Procedural Modeling,IPM)方法和基于GPU的過程式重構(gòu)算法。通過構(gòu)造紋理圖像的過程式語義表示并與幾何建模進(jìn)行無縫的融合,形成一種圖形圖像混合建模的虛擬城市三維表示方法,降低模型的空間復(fù)雜度,提高渲染性能。其次,在三維場景的渲染算法研究方面,針對城市三維場景的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和視覺

4、特征,提出一種基于混合圖元的層次細(xì)節(jié)(Level-of-detail, LOD)模型。使用多重抖動和藍(lán)噪聲采樣創(chuàng)建由點(diǎn)、線、多邊形等離散圖元構(gòu)成的三維模型近似表示并編碼存儲,構(gòu)造支持漸進(jìn)LOD切換的多分辨率模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并進(jìn)一步地提出混合模型的渲染算法,實(shí)現(xiàn)高性能的城市級大場景可視化輸出。然后,在可視化數(shù)據(jù)管理方面,通過設(shè)計面向虛擬城市的空間數(shù)據(jù)引擎,實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)在外存、內(nèi)存、顯存之間的高效調(diào)度,優(yōu)化大規(guī)模可視化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問性能。

5、最后,建立了完善的可視化算法視覺質(zhì)量評價模型,綜合了感知心理學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、模式識別、計算機(jī)圖形學(xué)等多個學(xué)科的理論,設(shè)計了結(jié)合主觀的用戶感知調(diào)查與客觀的自動化算法的視覺質(zhì)量評價方法,驗(yàn)證了本文構(gòu)建的城市三維場景可視化系統(tǒng)的視覺無損性。
　　本文的創(chuàng)新性工作和貢獻(xiàn)主要有以下幾點(diǎn):
　　1)在數(shù)據(jù)表示與建模方面,提出了一種逆過程式的城市三維場景圖形圖像混合建模與表示方法。通過提取城市建筑紋理圖像中的重復(fù)和對稱特征,構(gòu)建基于語義的過程

6、式語法,實(shí)現(xiàn)對紋理圖像的建模與數(shù)據(jù)壓縮。用戶可以直接控制過程式語法的生成,并且可以快速、有效地去除原始圖像中的行人、樹木等遮擋噪聲數(shù)據(jù)。在渲染算法方面,逆過程式建模的結(jié)果可以直接在GPU中進(jìn)行過程式重構(gòu),無需引入額外的渲染循環(huán)或幾何圖元。與傳統(tǒng)的三角面片加紋理的建模方式相比,該方法在保證模型幾何和紋理視覺精度的情況下可以對建筑立面紋理實(shí)現(xiàn)約70％的數(shù)據(jù)壓縮,大幅降低了城市級三維場景的數(shù)據(jù)空間復(fù)雜度,并且可以將模型的渲染性能提高20%左右

7、。
　　2)在渲染理論方面,提出了一種面向大規(guī)模城市場景的混合圖元渲染方法。與原始模型相比,混合圖元模型不需要紋理貼圖,并且建立了模型復(fù)雜度與屏幕空間像素面積的直接關(guān)系,相對于原始模型和幾何 LOD模型分別實(shí)現(xiàn)了約10倍和4倍的渲染加速,可以實(shí)時渲染城市級大場景,并且在可視化效果方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的幾何層次細(xì)節(jié)模型渲染方法。通過對可視化算法的視覺質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)地建模與分析,提出了可視化算法的視覺質(zhì)量評價方法,實(shí)現(xiàn)了視覺質(zhì)量的指標(biāo)化,完

8、善了可視化算法的評價體系,使視覺質(zhì)量有了定量和定性的評價方法。并且,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文渲染算法的視覺質(zhì)量與原始模型相比無顯著差異,是一種視覺無損渲染方法。
　　3)在海量數(shù)據(jù)傳輸與調(diào)度方面,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了CPU、GPU異構(gòu)體系下的空間數(shù)據(jù)引擎系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)引擎相比,通過Cell-Rtree空間索引結(jié)構(gòu)和 Hilbert空間填充曲線優(yōu)化空間數(shù)據(jù)的檢索和存儲性能,可以實(shí)現(xiàn)高效的三維空間數(shù)據(jù)查詢與數(shù)據(jù)訪問。提出了適用于大規(guī)?？梢暬?/p>