施松波

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，虛擬戰(zhàn)場的提出和應(yīng)用推動(dòng)了軍事仿真演練的發(fā)展，為推動(dòng)軍事仿真訓(xùn)練和演練技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑。虛擬戰(zhàn)場是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成虛擬作戰(zhàn)自然環(huán)境，并在保證其一致性的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將分布在不同地域的虛擬武器仿真平臺聯(lián)入該自然環(huán)境中，進(jìn)行戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)等想定演練的分布式交互仿真應(yīng)用環(huán)境［1］。虛擬戰(zhàn)場環(huán)境建立在數(shù)字地圖的基礎(chǔ)上，在大區(qū)域虛擬戰(zhàn)場環(huán)境研究中，需要大規(guī)模的地理數(shù)據(jù)源作為基礎(chǔ)，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查詢、分發(fā)等操作，因此三維地形數(shù)據(jù)模型和可視化是虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中最核心和最關(guān)鍵的技術(shù)。目前，這方面的研究己經(jīng)成為數(shù)字地球、地理信息系統(tǒng)（GIS），數(shù)字?jǐn)z影測量、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等領(lǐng)域的核心內(nèi)容。本論文的研究目標(biāo)就是通過高效地組織地形數(shù)據(jù)，保證在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形的無縫漫游和場景的高度真實(shí)感顯示［2］。

2 技術(shù)架構(gòu)

Google Earth、World Wind、SkylineGlobe、EV－Globe、GeoGlobe是國內(nèi)外技術(shù)成熟的地形數(shù)據(jù)處理商業(yè)軟件，雖然提供了簡單的二次開發(fā)函數(shù)接口或部分開源代碼，支持用戶將本地?cái)?shù)據(jù)和模型加載到數(shù)字地球模型等簡單的應(yīng)用開發(fā)中。但也存在許多不足之處，比如只能使用單一的軟件默認(rèn)的數(shù)字地球數(shù)據(jù)，無法集成不同格式數(shù)字地球數(shù)據(jù)；開發(fā)模式簡單，無法滿足用戶多方面需求，不夠靈活；渲染效率低、傳輸效率低［3］。

本文選擇開源數(shù)字地球軟件osgEarth進(jìn)行大規(guī)模場景數(shù)據(jù)的組織管理與可視化。OpenScene－Graph（OSG）是一個(gè)高性能的開源三維圖形引擎，它以O(shè)penGL為底層平臺，使用C＋＋編寫而成，可以運(yùn)行于各種主流操作系統(tǒng)，其功能特性涵蓋了大規(guī)模場景的分頁支持，多線程、多顯示的渲染，粒子系統(tǒng)與陰影，各種文件格式的支持，以及對Java、Perl、Python等語言的封裝［4］。OSG 廣泛應(yīng)用于虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和工程可視化等領(lǐng)域。osgEarth［1］是一個(gè)基于OSG開發(fā)的實(shí)時(shí)地形模型加載和渲染工具，它可以直接從網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器端讀取數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地進(jìn)行處理和顯示［5］。它支持WMS、WCS、TMS等多種地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器端，自己則作為一個(gè)不斷獲取和解析數(shù)據(jù)的客戶端，它還可以和Google map、Yahoo map、ArcGIS Online等數(shù)字地球服務(wù)器建立連接并從中獲取所需要的數(shù)據(jù)。

大規(guī)模場景數(shù)據(jù)的組織管理與可視化可以分為四個(gè)層次：osgEarth讀取數(shù)據(jù)、創(chuàng)建數(shù)字地球虛擬場景、動(dòng)態(tài)調(diào)度和虛擬場景漫游，大規(guī)模場景可視化流程圖如圖1所示。

圖1 大規(guī)模場景可視化流程圖

osgEarth讀取數(shù)據(jù)：osgEarth本身包含了獲取多種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的各種插件，通過這些插件，osgEarth可以直接從網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，包括WMS，WCS，TMS等多種地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器，各種數(shù)字地球數(shù)據(jù)如Google Earth、World Wind、ArcGIS Online、MapServer和ESRI ArcGIS Server發(fā)布的GIS數(shù)據(jù)等，作為虛擬場景的建模數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建數(shù)字地球虛擬場景：處理本地影像數(shù)據(jù)和三維模型，以加快后續(xù)的數(shù)據(jù)讀取和渲染速度。然后在底圖上疊加本地?cái)?shù)據(jù)以增加虛擬場景的細(xì)節(jié)和層次。并進(jìn)行一定的交互開發(fā)，比如漫游、查詢、標(biāo)繪、量測等功能。

· 動(dòng)態(tài)調(diào)度：利用磁盤緩存技術(shù)對本地磁盤存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，利用內(nèi)存緩存技術(shù)管理場景數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)緩存，負(fù)責(zé)緩存數(shù)據(jù)的管理和調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)場景圖的動(dòng)態(tài)管理和場景數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)加載和卸載。

· 場景漫游：用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)獲取建設(shè)好的虛擬場景數(shù)據(jù)，從而可以漫游虛擬場景并進(jìn)行一些交互來獲取一定的信息。

3 關(guān)鍵技術(shù)

由于三維對象的渲染要消耗很多的系統(tǒng)資源，所以對大量精細(xì)三維對象的渲染速度會(huì)比較慢［6］，為了解決這一困難，采用細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)，即對三維對象進(jìn)行分層管理，在遠(yuǎn)端觀察地球時(shí)對象較多采用顆粒度較大的粗糙模型，在近端觀察地球時(shí)對象較少采用顆粒度較小的精細(xì)模型，這樣既能滿足從遠(yuǎn)至近從模糊到清晰的視覺效果，又能極大地提高系統(tǒng)的效率。當(dāng)用戶視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，視點(diǎn)范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)就應(yīng)該加載，距離視點(diǎn)很遠(yuǎn)或在視域范圍之外的數(shù)據(jù)就可以暫時(shí)卸載。

3.1 地形數(shù)據(jù)組織

osgEarth采用動(dòng)態(tài)四叉樹LOD方式進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的組織［7］如圖2所示，圖中每一個(gè)正方形為四叉樹的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存了中心點(diǎn)的高度及瓦片寬度。地形數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)地劃分為不同LOD層次瓦片序列，基于視點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分頁、調(diào)度和渲染。整個(gè)地形場景是一棵瓦片化地四叉樹，四叉樹低層次（低經(jīng)度）的影像是從高層次（高精度）的影像上實(shí)時(shí)重采樣獲取的。

圖2 多分辨率地形四叉樹表示示意圖

瓦片的大?。洪L與寬是2的N此冪，DOM通常采用128×128（pixel）或256×256（pixel）；DEM通常采用16×16（pixel）或32×32（pixel）。瓦片的格式：DOM一般采用png、jpg格式；DEM一般采用tiff格式。瓦片代理的地理范圍：每一層中的各個(gè)瓦片所表示的地理范圍相同，不同層的瓦片所表示的地理范圍不同。第0層中瓦片表示的地理范圍為180°×180°，第1層中瓦片表示的地理范圍為90°×90°，第2層中瓦片表示的地理范圍為45°×45°，依次類推。瓦片標(biāo)志：每一層中的瓦片是以行、列坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)志。瓦片文件組織：針對某個(gè)DOM（或DEM），其瓦片文件以分級的一系列文件夾來組織，文件夾結(jié)構(gòu)為：頂層目錄＼層目錄＼列目錄＼tiles文件。瓦片索引：由于每一個(gè)瓦片都有對應(yīng)的地理范圍，并且都有相應(yīng)的索引號（層、行、列），在三維場景中進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽時(shí)，可以根據(jù)視點(diǎn)的可視范圍確定需要調(diào)用的瓦片。

osgEarth提供了一系列插件，用于實(shí)時(shí)地進(jìn)行全球數(shù)據(jù)的剖分。GDAL／OGR插件支持多種格式的柵格和高程數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)地從網(wǎng)絡(luò)上或本地讀取GeoTIFF、ECW、MrSID等類型的地理空間數(shù)據(jù)。AGGLite、Feature Stencil等插件讀取多種矢量數(shù)據(jù)，還具有把矢量數(shù)據(jù)柵格化為小圖片塊，把數(shù)據(jù)覆蓋在地形圖上等功能。插件在讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)按照全球網(wǎng)絡(luò)剖分原理對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分塊，同時(shí)把剖分結(jié)果緩存到本地，以后直接調(diào)度，提高效率。

osgEarth使用簡單，一個(gè)簡單的XML配置文件可以組織基于球面的全球地理數(shù)據(jù)，并調(diào)用osg－Viewer顯示出來。osgEarth支持有多個(gè)圖像源的地圖，允許用戶創(chuàng)建地圖時(shí)，在基礎(chǔ)層上覆蓋高分辨率的地圖。

上述地圖使用本地?cái)?shù)據(jù)源（使用GDAL插件）提供的兩個(gè)圖像。osgEarth使用各種方法來渲染圖像層，所以可以渲染多少圖像層的限制取決于用戶的硬件。順序是很重要的，定義多個(gè)圖像源時(shí)，它們在該earth文件中指定的順序是從在底部到頂部的。

添加高程數(shù)據(jù)到地球的文件與添加圖像非常相似。高程數(shù)據(jù)可以通過將高程元素加入到XML從而添加到地球文件中去。定義多個(gè)高程數(shù)據(jù)順序也很重要，它們在該earth文件中指定的順序是從在底部（高分辨率）到頂部（高分辨率）的。

3.2 地形數(shù)據(jù)調(diào)度

在地形場景實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示中，每一幀場景的渲染數(shù)據(jù)對應(yīng)于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的幾片連續(xù)分布的地形數(shù)據(jù)頁面［8］。隨著視點(diǎn)的移動(dòng)，在地形場景動(dòng)態(tài)渲染過程中，需要即時(shí)更新計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的地形數(shù)據(jù)頁面。每次從計(jì)算機(jī)硬盤中讀入新的地形數(shù)據(jù)到內(nèi)存中會(huì)耗費(fèi)一定時(shí)間，引起視覺上的“延遲”效果。為了提高實(shí)時(shí)渲染的效率，本文采用兩級緩存的結(jié)構(gòu)，設(shè)置磁盤緩存和內(nèi)存緩存。場景圖只與內(nèi)存緩存發(fā)生直接聯(lián)系，當(dāng)場景圖需要卸載數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存緩存，當(dāng)內(nèi)存數(shù)據(jù)過多時(shí)，內(nèi)存緩存將部分?jǐn)?shù)據(jù)寫入硬盤緩存，當(dāng)場景圖請求某個(gè)內(nèi)存緩存中沒有的數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)存緩存從磁盤緩存加載數(shù)據(jù)。內(nèi)存緩存盡量讓經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)常駐內(nèi)存。

在實(shí)現(xiàn)對場景圖的緩存策略中，為了減少程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，采用智能指針注冊的方法。OSG中，大部分對象都繼承自osg：：Referenced類，該類記錄了智能指針引用的次數(shù)，智能指針引用某osg：：Referenced指針時(shí)，該指針的引用次數(shù)會(huì)增加，智能指針銷毀時(shí)，引用次數(shù)會(huì)減少。本文采用數(shù)據(jù)項(xiàng)注冊的方法來管理緩存。每當(dāng)新加載一個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)，都要在內(nèi)存緩存中以智能指針的方式注冊。當(dāng)場景圖發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)存緩存遍歷所有的注冊項(xiàng)，檢查其引用數(shù)，一旦引用數(shù)為1，說明該數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被場景圖卸載，因此可以將其寫入緩存。

如圖3所示，視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，可視范圍也發(fā)生變化，可視范圍相對應(yīng)的頁面也發(fā)生變化。視點(diǎn)在地形場景漫游過程中是連續(xù)運(yùn)動(dòng)的，所以前后兩幀之間顯示的內(nèi)容也是連續(xù)的，不會(huì)發(fā)生跳躍性變化，因此內(nèi)存中的部分?jǐn)?shù)據(jù)是可重用的，必須刪除己經(jīng)離開可視范圍的地形頁面數(shù)據(jù)，調(diào)入新的進(jìn)入到可視范圍的地形頁面數(shù)據(jù)。

圖3 地形場景漫游示意圖

動(dòng)態(tài)調(diào)度地形數(shù)據(jù)的過程如圖3所示：視點(diǎn)t＋1時(shí)刻向正北方向移動(dòng)，視點(diǎn)移動(dòng)的距離超過某一閾值（Y方向上閾值為DY／2），更新后臺數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)，將其最南邊的一行數(shù)據(jù)塊刪去；視點(diǎn)t＋2時(shí)刻繼續(xù)向正北方向移動(dòng)再超過一定閾值（Y方向上閾值為DY），新加入最北邊的一行數(shù)據(jù)，同時(shí)開始交換內(nèi)存緩存和磁盤緩存中的數(shù)據(jù)，從而可以保證視點(diǎn)的可視范圍大小總是不變。視點(diǎn)在其它方向上發(fā)生變化時(shí)，處理方式與此類似。

利用以上方法，每次僅僅顯示可視范圍內(nèi)數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)，而與原始數(shù)據(jù)的范圍、大小無關(guān)，就實(shí)現(xiàn)了任意范圍的地形景觀模型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)渲染。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文的DEM地形數(shù)據(jù)直接采用GTOPO30作為數(shù)字高程數(shù)據(jù)。GTOPO30是一個(gè)全球的數(shù)字高程模型，它覆蓋西經(jīng)180°至東經(jīng)180°，南緯90°至北緯90°的所有區(qū)域。它的分別率為30s（即0.00833333°）由于該DEM數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)，小于一個(gè)柵格的點(diǎn)被忽略（即面積小于1km2的小島）。為了便于數(shù)據(jù)的分發(fā)，GTOPO30被劃分為33個(gè)小的區(qū)域（Tiles）。

本文的紋理數(shù)據(jù)采用美國宇航局NASA提供的全球衛(wèi)星圖world topo bathy（分辨率為21600×21600×8）作為紋理數(shù)據(jù)。

由于全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，不可能一次性讀入內(nèi)存并顯示。本文根據(jù)實(shí)際需求引用與GTOPO30數(shù)字高程圖覆蓋范圍相同的低分辨地形數(shù)據(jù)作為全球數(shù)據(jù)顯示。然后在全球數(shù)據(jù)上創(chuàng)建視點(diǎn)的可視范圍，即是圖4中的局部數(shù)據(jù)，作為戰(zhàn)術(shù)地圖進(jìn)行顯示。通過可視范圍四個(gè)角在世界坐標(biāo)系中的地理坐標(biāo)可以計(jì)算該視點(diǎn)的可視范圍覆蓋了哪些地形頁面數(shù)據(jù)，并進(jìn)行合理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)在低分辨率全球地形圖上顯示局部高分辨率DEM數(shù)據(jù)［9］。

圖4 局部多分辨率地形顯示示意圖

5 結(jié)語

隨著軍隊(duì)信息化程度的不斷提高，軍用數(shù)字地球的應(yīng)用日益廣泛。指揮員可以快速、完整、形象地了解戰(zhàn)場上敵我雙方各種宏觀的和微觀的情況，并能借助和充分發(fā)揮這些數(shù)據(jù)的作用，進(jìn)行正確、有效的決策［10］。大規(guī)模場景地理數(shù)據(jù)可視化方法將地理數(shù)據(jù)形象、直觀展現(xiàn)為戰(zhàn)場信息，既體現(xiàn)出這些數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，又便于檢索利用，指揮員可以根據(jù)戰(zhàn)場信息情況及時(shí)調(diào)整作戰(zhàn)計(jì)劃并為模擬訓(xùn)練與戰(zhàn)況評估提供可視化的支持。

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