[发明专利]一种可扩展通用三维地景仿真系统

说明书

技术领域

 本发明涉及地景仿真，尤其涉及一种可扩展的通用三维地景仿真系统，属于数字化地球、三维地理信息显示与虚拟现实交叉技术领域。

背景技术

 实时地景仿真在数字地球，虚拟现实、3D GIS、计算机游戏等系统中有非常重要的应用。在已经公开的技术中对于单个较小规模的地形绘制与显示有较多成熟的技术。Lindstrom在1996年首次提出了连续层次细节的地形多重分辨率绘制方法(P．Lindstrom，David Koller，William Ribarsky，Larry Hodges，Nick Faust，and Gregory Turner．Real-Time，Continuous Level of Detail Rendering of Height Fields．ACM SIGGRAPH 96Proceedings，pp．109-118，August 1996．)，该算法使用四叉树来组织描述地形场景。其自底向上的从最精细模型开始简化的模式会耗费大量的CPU计算时间，而且其顶点依赖关系利用显式数据结构保存也需要大量的存储开销，这样的缺陷使其很难应用到规模较大的地形场景之中。

约束四叉树算法(Restricted Quadtree)是Pajarola在Lindstrom算法基础之上的延伸和改进(Renato Pajarola．Large scale Terrain Visualization using the Restricted QuadtreeTriangulation．Proceedings IEEE Visualization  ’98，pp．19-26&515，1998．)。他使用四叉树阵列数据结构支持大规模场景的数据的载入。该方法只需要记录顶点的高度值和顶点所代表结点所在区域的误差值，而且不需要显式建立各个顶点之间的依赖关系，但是该方法会产生许多的退化三角形。

Lindstrom针对0ut-of-core的大规模地形数据设计了一种压缩数据结构，该结构具有很高的相关和一致性，利于从外存或者远程网络快速载入所需数据流(P.Lindstrom，ValerioPascucci．Terrain Simplification Simplified:A General Framework for View-DependentOut-of-Core Visualization．IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 8(3):239-254(2002)．)。

ROAM地形绘制算法是属于一种规则方格类型方(M．Duchaineau，Murrav Wolinsky，David E．Sigeti，Mark C.Mi l ler，Charles  A1drich，and Mark B.MineevWeinstein．ROAMingterrain:Real-time optimally adapting meshes．IEEE Visualization 97 Conference Proceedings,pp.81-88，October 1997．)。该算法引入三角形二叉树结构，同时还有双优先级队列结构的层次细节更新机制以满足LOD约束的地形绘制。

针对图形硬件GPU的特殊结构，Lasasso等提出一种在GPU上实现的GeometryClipmaps地形绘制技术(Lasasso F,Hoppe H.Geometry Cl ipmaps：Terrain Rendering UsingNested Regular Grids．ACM Transactions on Graphics 23(3)：769-776，2004)，该方法将数据存储在GPU的高速顶点缓存中，并动态构建以视点为中心的嵌套规则网格。

以上方法的探讨基本上都局限于三维地形网格的构建与绘制算法，其中数据与数据结构和算法的紧密耦合，算法对于数据结构的依赖度非常高，且处理的数据集都是规模不大的本地地形数据，而且难以与地理信息系统相结合。而当今的全球三维地理信息系统和虚拟现实环境所需要处理的是全球海量(TB级以上)的各种类型的数据，且数据的存储分布是基于网络环境的。因此对于每个客户端来说，瓶颈往往不仅仅限于地形表面绘制算法，还在于如何组织和管理各种超大规模海量数据(如地形数据，纹理数据，三维GIS矢量数据等)，以及如何使得数据的获取和传递能够和实时渲染协同而高效的进行。