[发明专利]面向虚拟现实的空间数据引擎方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机领域的虚拟现实技术，尤其涉及到一种虚拟现实技术的空间数据引擎。

背景技术

1995年ESRI推出了SDE 1.0，使得空间数据和表格数据可以同时存储在商业的关系型数据库管理系统中，首次提出了空间数据引擎(spatialdata engine)的概念形成了第一代空间数据引擎原型。随后，由Skyline公司推出的空间数据引擎系统SFS(Streaming Feature Server)能够读取多种空间数据源，可通过网络高效传输各种复杂的特征层数据(矢量数据)。

空间数据(Spatial Data)是数据的一种特殊类型，它是指凡是带有空间坐标的数据。现在，空间数据已广泛应用于社会各行业、各部门，如城市规划、交通、水利、航空航天等。随着科学和社会的发展，人们已经越来越认识到空间数据对于社会经济的发展、人们生活水平提高的重要性，这也加快了人们获取和应用空间数据的步伐。

空间数据内容主要包括：三维模型数据、数字高程模型数据、地形影像数据，其中数字高程数据、地形影像数据的组织、调度、渲染研究已经比较成熟。传统的空间数据库，如Oracle Spatial等往往对栅格、矢量数据有较好的支持，而不能很好的支持三维模型数据。

虚拟现实仿真中涉及大量的精细三维模型可视化，需要保存大量的相关数据，城市或区域级的三维场景数据总量可能达到几十G甚至上百G，从而超过了系统的内存、显存储器配置，如此庞大的数据量和现有的硬件条件产生了很大矛盾，海量空间数据无法全部容于内存、显存之中，这就需要在场景绘制过程中动态地在外存、内存、显存之间进行数据交换。虚拟现实系统对渲染的实时性有很高的要求，内外存交换的效率高低直接影响到场景的视觉效果，对三维模型数据的组织与调度比其他类型的仿真系统有着更高的要求，采用当前的商业空间数据库或空间索引技术尚不能满足工程应用的需求。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种面向虚拟现实的空间数据引擎方法，其实现了基于外存的空间数据引擎，提供对空间数据的高效存储与访问服务。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括以下步骤：

(1)在空间数据库中建立数据索引，存储三维模型数据；

(2)基于out-of-core的海量空间数据实时并发访问高吞吐量传输方法；

(3)外存-内存-显存自适应调度算法。

虚拟现实场景中实时计算的空间范围和内容都是有限的，因此在可视化处理时，对于可见范围以外的空间数据并不需要调入内存并加以计算，而是可以根据当前视点的变化，将所需要的空间数据动态地调入内存。本发明对空间数据进行分层组织、存取、调度，建立高效的数据索引；利用多线程及IOCP机制，实时调度三维模型数据；采用缓存(Cache)机制实现空间数据的高速传输和高效的可扩放性；利用内存池及LRU缓存算法，结合空间数据特点，建立三维空间数据缓冲区，提高缓存请求命中率；实现了基于外存的空间数据引擎，提供对空间数据的高效存储与访问服务。

空间数据库包括外存、内存、显存数据。

所述步骤(1)中包括三维模型数据网格索引组织，步骤如下：

(a)对三维模型进行多分辨率预处理，利用Progressive meshe s算法或手动建模的方法建立多级LOD模型，其它类型数据保持源格式；

(b)确定单个网格的大小区间[m，M]，其中m通常可等于该层空间数据包围盒半径的均值，而M由系统的内存量确定；建立网格对模型的索引，单个网格区域内包含或有相交的模型，都将被该网格索引；

(c)场景漫游过程中，以视点为中心的9个网格为最精细的LOD数据，外面一层为次级LOD，再向外一层为更次级LOD，如此规则分布下去需要载入到内存的数据量均值，高级LOD与低级LOD有一个网格的重叠区域；

(d)在保证不超出内存及显存的前提下，取数据冗余最小的网格大小，进行网络索引，用于组织，调度外存到内存间模型数据。

三维模型数据支持常规的数字高程模型数据、影像数据、矢量数据。

所述步骤(2)中，采用异步I/O读取机制，并用IOCP实现了一个基于外存的空间数据调度设计，使用线程池处理异步I/O请求，依据视点的位置动态装卸载空间数据。