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大规模三维地形绘制与实时漫游技术研究与实现

作　者: 党舟
导　师: 刘强
学　校: 电子科技大学
专　业: 地图制图学与地理信息工程
关键词: 地形分割 细节层次 可见性判断 GPU编程 地形漫游
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


大规模地形场景的显示是地理信息系统、军事仿真以及三维游戏等系统实现可视化模块的研究难点。近年来卫星技术、遥感技术的飞速发展,三维地形的数字高程数据、纹理数据量与日俱增,依照特定的交互指令以高帧速率进行地形动态绘制已经成为大规模三维地形漫游系统的基本要求。因此,设计一系列合理的场景数据的存储管理、动态调度算法、以及场景管理算法成为关键。本论文针对上述关键问题,实现了一个大规模三维地形场景漫游与交互系统,并实现了基本的三维空间漫游功能,包括键盘漫游、鼠标操控等。主要取得了以下研究成果:1.在分析大规模场景渲染绘制及大规模三维地形数据组织管理方法的基础上,本论文提出组织地形和纹理数据的合理分块结构;将单个地形分块以基于四叉树的金字塔层次结构进行组织来充分发挥GPU的性能,提高绘制效率;2.基于该数据结构和地形数据动态调度思想,实现了一系列地形分块与多级LOD相结合的地形实时绘制算法;3.在剖析了地形粗糙度和观察视点相互关系的基础上,设计并实现了一种科学、合理的地形节点评价系统;实现了基于四叉树结构的三角网剖分算法,消除了不同分辨率节点邻接处的裂缝;4.在研究了目前地形绘制主流方向的前提下,并结合GPU的特性,实现了基于GPU的三维地形绘制算法,并将这种算法应用到实践检验,结果显示基于GPU的地形算法能够充分利用GPU的计算能力,大大降低了在显存和内存之间传输的地形数据量,有效地改善了CPU和GPU之间的并行处理能力,增加了每秒可绘制的三角形总数,提高了渲染效率。通过实验表明,在确保地形真实感的前提下,以上关键技术的应用可以提高三维地形显示的画面质量和显示时的帧速率。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章 绪论  11-16
  1.1 研究背景及意义  11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 三维地形简化与多分辨率显示研究进展  12-13
    1.2.2 海量数据的预处理及动态调度研究现状  13
    1.2.3 地形真实感研究  13-14
    1.2.4 基于GPU 的地形绘制研究  14
    1.2.5 多线程并行技术在地形绘制中的应用  14
  1.3 研究的内容及技术路线  14-16
第二章 三维地形绘制与实时漫游关键技术研究  16-37
  2.1 地形数据的处理  16-21
    2.1.1 地形数据  16-17
    2.1.2 地形三角网构建方法  17
    2.1.3 三维地形纹理映射  17-18
    2.1.4 地形数据分割技术  18-19
    2.1.5 纹理数据分割  19-20
    2.1.6 地形数据预处理  20-21
  2.2 地形层次细节的构建  21-26
    2.2.1 金字塔层次模型构建  21-23
    2.2.2 四叉树LOD 分割  23-26
  2.3 可见性预处理及数据的动态调度  26-29
    2.3.1 地形分块视锥体裁剪  26-27
    2.3.2 背面剔除  27-28
    2.3.3 基于四叉树的单块地形视锥裁剪  28-29
  2.4 真实感三维地形技术  29-32
    2.4.1 地形节点评价系统  29-31
    2.4.2 误差阈值负反馈控制  31-32
    2.4.3 裂缝消除  32
  2.5 基于GPU 的地形绘制研究以及多线程技术的应用  32-36
    2.5.1 GPU 的可编程流水线  33-34
    2.5.2 顶点渲染  34
    2.5.3 像素渲染  34-35
    2.5.4 基于GPU 的三维地形绘制  35
    2.5.5 多线程技术在地形绘制中的应用  35-36
  2.6 本章小结  36-37
第三章 大规模三维地形显示与漫游系统设计  37-42
  3.1 系统需求分析  37-38
    3.1.1 项目需求分析  37
    3.1.2 功能需求分析  37-38
  3.2 系统总体体系结构设计  38
  3.3 系统总体数据结构与调度流程  38-40
  3.4 大规模三维地形漫游系统主要功能设计  40-41
  3.5 本章小结  41-42
第四章 大规模三维地形漫游系统功能实现  42-63
  4.1 系统实现的软硬件环境  42
    4.1.1 硬件环境  42
    4.1.2 软件环境  42
    4.1.3 开发工具的选择  42
  4.2 数据加载模块  42-44
    4.2.1 DEM 数据格式  42-43
    4.2.2 DEM 数据读取  43-44
  4.3 数据组织模块实现  44-51
    4.3.1 DEM 数据分块  44-45
    4.3.2 地形影像纹理分割  45-46
    4.3.3 地形数据金字塔级别构建  46-47
    4.3.4 地形数据入库  47-48
    4.3.5 基于GPU 的地形纹理映射  48-51
  4.4 数据动态调度和地形实时绘制功能实现  51-58
    4.4.1 地形数据的预处理  51-52
    4.4.2 可见性预处理实现  52-53
    4.4.3 单个地形块进行四叉树LOD 分割和视锥体剔除  53-55
    4.4.4 地形数据金字塔调度流程  55
    4.4.5 线程调度模块的实现  55-58
    4.4.6 系统整体数据调度  58
  4.5 GUI 模块的实现  58-59
  4.6 漫游功能实现模块  59-61
  4.7 多媒体模块实现  61-62
  4.8 本章小结  62-63
第五章 系统测试  63-69
  5.1 FPS 测试  63-64
  5.2 基于四叉树的单个地形分块视锥体裁剪测试  64
  5.3 地形节点评价系统测试  64-65
  5.4 误差负反馈控制测试  65
  5.5 裂缝消除测试  65-67
  5.6 地形数据实时加载性能测试  67
  5.7 大规模地形数据处理测试  67-68
  5.8 本章小结  68-69
第六章 结论与展望  69-71
  6.1 研究总结  69
  6.2 前景展望  69-71
致谢  71-72
参考文献  72-75
攻读硕士期间取得的研究成果  75-76

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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