楊秋月 張 侃 王江峰

（上海航空電器有限公司，上海 201101）

近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模三維地形場景逐漸進入大眾的視野，其清晰直觀的表現(xiàn)形式為用戶提供了一種身臨其境的感知體驗，因此在虛擬座艙、合成視景、戰(zhàn)場環(huán)境仿真等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于該技術(shù)所涉及的數(shù)據(jù)量極其龐大，如何在保證圖像質(zhì)量的同時兼顧實時性依然是一個技術(shù)瓶頸。對此，國內(nèi)外做了大量的相關(guān)研究，包括如何構(gòu)建大規(guī)模三維地形場景模型，數(shù)據(jù)以何種形式進行組織和存儲更利于數(shù)據(jù)的管理、調(diào)度；如何在不影響繪制效果的同時盡量減少繪制圖元的數(shù)量以提高繪制效率；如何使用真實的紋理對地形表面進行貼圖；如何設(shè)計渲染算法使顯示畫面滿足流暢、實時的要求等，文章將對這些關(guān)鍵技術(shù)進行重點分析與探究。

1 大規(guī)模三維地形場景模型的構(gòu)建流程

如何構(gòu)建大規(guī)模三維地形場景模型是實時繪制技術(shù)的基礎(chǔ)，其具體的構(gòu)建環(huán)節(jié)需要通過以下流程實現(xiàn)：首先，將海量的地形高程數(shù)據(jù)庫和影像數(shù)據(jù)庫進行分塊、分層預(yù)處理，并把每層數(shù)據(jù)按照一定的組織形式存儲在文件中；然后，采用層次細節(jié)技術(shù)為目標場景建立基于不同精度與距離的幾何模型；在實際應(yīng)用中，由于地形的大部分區(qū)域都在視域范圍之外，這時可利用可見性剔除技術(shù)，在數(shù)據(jù)預(yù)取階段剔除掉不可見的繪制元素，進而減少繪制的圖元數(shù)量：為了獲得具有高度真實感的地形場景，一般采用紋理映射技術(shù)將真實的影像數(shù)據(jù)疊加在相應(yīng)的地形表面上；在場景渲染階段，通常采用CPU/GPU 協(xié)同處理技術(shù)來提高渲染速率。

2 大規(guī)模三維地形場景實時繪制技術(shù)

2.1 地形數(shù)據(jù)的組織與存儲技術(shù)

大規(guī)模三維地形場景實時繪制技術(shù)所涉及的地形數(shù)據(jù)動輒以GB 為單位，若不能科學合理地組織和存儲數(shù)據(jù)，將很難達到實時繪制的水平。

對于海量三維地形數(shù)據(jù)，包括地形高程和紋理數(shù)據(jù)，目前使用最廣泛的是采用地形分塊結(jié)合多分辨率金字塔模型的處理方式。因為地形數(shù)據(jù)覆蓋范圍極大，將整塊地形作為調(diào)度單位進行處理顯然不現(xiàn)實，故在數(shù)據(jù)調(diào)度之前首先需要對地形數(shù)據(jù)進行分塊。地形分塊一般將原始數(shù)據(jù)按照經(jīng)緯度從左到右、從下到上進行均勻分割，形成大小相等的數(shù)據(jù)子塊。然后每個數(shù)據(jù)子塊按照不同的分辨率進行均勻的分層，即構(gòu)建多分辨率金字塔模型[1]。該模型的構(gòu)建原則是：首先將原始數(shù)據(jù)，即全分辨率的地形數(shù)據(jù)作為金字塔模型的最底層，然后從下到上分辨率逐層降低，但各層所表示的地形范圍大小不變，直至達到最頂層，此時分辨率達到最低，即一個數(shù)據(jù)代表一整塊地形。分塊建模后的地形數(shù)據(jù)按照一定的命名規(guī)則以文件形式保存，在地形繪制的過程中，根據(jù)視點的移動按需調(diào)取相應(yīng)層級的地形數(shù)據(jù)塊。

2.2 層次細節(jié)技術(shù)

三維地形表面的繪制主要是通過對數(shù)據(jù)節(jié)點構(gòu)建三角形面片來實現(xiàn)的，對于大規(guī)模的地形場景而言，構(gòu)建地形表面的三角形面片數(shù)量以千萬計，這對于資源有限的計算機來說負擔極大，若能在不影響場景畫面質(zhì)量的前提下減少三角形面片的數(shù)量，將會極大地減輕計算機硬件尤其是GPU 的負擔。

層次細節(jié)技術(shù)也稱為LOD( Level of Detail)，該技術(shù)根據(jù)地形數(shù)據(jù)節(jié)點與視點的位置關(guān)系，動態(tài)地調(diào)取不同細節(jié)層次的地形數(shù)據(jù)[2]。當視點遠離數(shù)據(jù)節(jié)點時，調(diào)用細節(jié)層次較低的數(shù)據(jù)模型，模型中的三角形面片數(shù)量相對較少，畫面細節(jié)較為粗糙；而當視點距離數(shù)據(jù)節(jié)點較近時，調(diào)用細節(jié)層次較高的數(shù)據(jù)模型，模型中的三角形面片數(shù)量相對較多，畫面細節(jié)較為精細。

在大規(guī)模三維地形場景的繪制過程中，應(yīng)用LOD 技術(shù)可提升模型數(shù)據(jù)庫中三角形的利用效率，在有限的技術(shù)條件下可獲得最佳的視覺效果，保證地形場景描述的科學性與有效性。

2.3 可見性剔除技術(shù)

在繪制三維地形場景時，若把所有繪制元素直接提交給渲染器，將會極大增加GPU 的負擔，極可能達不到實時繪制所需的渲染幀數(shù)，造成顯示畫面雜亂或卡滯。因此，只將可見范圍內(nèi)的地形塊調(diào)入內(nèi)存進行繪制是加快地形渲染速率的有效途徑?？梢娦蕴蕹夹g(shù)就是通過評估一個繪制元素的可見性來快速剔除不可見元素，減少進入渲染管線的元素數(shù)量，以提高地形場景繪制速率的一種技術(shù)。

可見性剔除算法通常分為三類：視域剔除、背面剔除和遮擋剔除[3]。

視域剔除法，其核心思想是判斷繪制目標是否位于視域平頭四棱錐之外，倘若在四棱錐之外，則不可見而剔除。實際應(yīng)用中，為簡化運算通常采用場景繪制元素的包圍體作為替代進行可見性評估。

背面剔除法，其核心思想是判斷繪制目標是否位于與視線背離，若與視線背離，則不可見而剔除。在實際應(yīng)用中，一般根據(jù)視線方向和繪制元素(主要是三角形)法向量的夾角來進行判斷，若夾角大于90°，則剔除掉該元素，否則進行繪制。背面剔除法剔除掉了與視線方向背離的繪制元素，只繪制面向視點的元素，從而減少了繪制量。

遮擋剔除法，其核心思想是判斷繪制元素是否被其他繪制元素遮擋，若被遮擋，則不可見而剔除。在實際應(yīng)用中，一般根據(jù)視點的位置和視線的方向從前往后遍歷地形場景中的所有地形，若節(jié)點包圍盒完全在遮擋水平線之下，則認為該地形節(jié)點被遮擋而被剔除；否則認為可見而進行繪制。

2.4 紋理映射技術(shù)

在繪制三維地形場景時，為了獲得真實感更強的視覺效果，一般采用真實的遙感影像數(shù)據(jù)作為紋理貼圖。如何將平面的二維紋理圖像映射到三維地形場景中是一個關(guān)鍵性的問題，解決該問題的技術(shù)就是紋理映射技術(shù)。

紋理映射技術(shù)的實質(zhì)就是，實時地從該模型中選取分辨率與對應(yīng)高程數(shù)據(jù)層次細節(jié)程度相匹配的紋理圖像，即在離視點近的區(qū)域采用較高分辨率的紋理，而在離視點遠的區(qū)域采用較低分辨率的紋理[4]。一般來說，分辨率的選擇是與視點、地形塊的位置大小和紋理的原始分辨率相關(guān)的。如果和LOD 地形簡化模型中一樣給紋理映射定義一個紋理誤差，就能有效地實現(xiàn)紋理層次的選擇。在大規(guī)模場景繪制中采用多分辨率紋理映射技術(shù)，既符合人眼觀察事物的特征，又節(jié)約了資源，提高了繪制速度。

2.5 CPU/GPU 協(xié)同處理技術(shù)

一般情況下，CPU 因其復(fù)雜計算方面的優(yōu)勢而用于處理計算任務(wù)，GPU 則因其強大的圖形處理能力而用于處理圖形繪制與渲染任務(wù)。但對于大規(guī)模地形場景而言，雖然對數(shù)據(jù)采取了分層分塊預(yù)處理、可見性剔除及層次細節(jié)等策略，每一幀的計算量依然很大，這讓CPU 不堪重負。隨著GPU 硬件的發(fā)展，其高帶寬和并行處理的優(yōu)勢使得GPU 參與計算任務(wù)成為可能[5]。采用GPU/CPU 協(xié)同處理計算任務(wù)可以大大加速場景繪制效率。具體來說，由CPU 完成將外存中的數(shù)據(jù)塊調(diào)入內(nèi)存的工作，并將該數(shù)據(jù)塊送至GPU 顯存；由GPU 完成多分辨率金字塔模型的構(gòu)建，構(gòu)建完成之后進行消除地形突變及裂縫等優(yōu)化處理的工作；最后，由GPU 完成對地形場景的繪制和渲染。

3 結(jié)論

綜上所述，基于地形數(shù)據(jù)的組織與存儲技術(shù)、層次細節(jié)技術(shù)、可見性剔除、紋理映射以及CPU/GPU 協(xié)同處理技術(shù)的應(yīng)用，可實現(xiàn)大規(guī)模地形場景的高質(zhì)量繪制，為研究工作提供可靠參考。相關(guān)實踐經(jīng)驗表明，為保證地形繪制工作中遠景與近景具有較高的清晰度，需要對實時繪制技術(shù)進行不斷地完善與升級，這也是滿足大規(guī)模地形場景模型構(gòu)建有效性的關(guān)鍵。