[发明专利]一种应用在大规模地形渲染中的视锥体投影裁剪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用在大规模地形渲染中的视锥体投影裁剪方法，属于虚拟现实、计算机仿真领域。

背景技术

视锥体裁剪是计算机图形学中许多问题的基础，视锥体裁剪的目的在于从几何数据中抽取所需要的信息，其在布尔运算、隐藏线和隐藏面的剔除、阴影生成等算法中也是十分有用的工具。视锥体裁剪的最典型应用是从一幅大画面中截取局部视图。在地形的三维可视化中，由于地形涉及的范围一般都十分广阔，地形模型的数据量很大，往往包含数以百万计的三角形，如对它们一一进行相应的变换和裁剪，对图形系统是一个很大的负担。如果能在实时地形绘制中，事先剔除用户不可见的部分，则无疑可以有效的提高地形实时绘制的速度。

视锥体(View Frustum)是指场景中摄像机可见的一个金字塔状平截头的锥体范围，是由上(Top)下(Bottom)左(Left)右(Right)近(Near)远(Far)六个截面组成，如图1所示。当人眼观察一个场景时，在视锥体之外的物体是看不见的，因此可以在显示前，将不可见的场景剔除掉，且不会对场景渲染造成影响。这样，渲染场景过程中，在视锥体中的所有顶点数据都是可见的，而在视锥体之外的场景数据是不可见的。视锥体裁剪就是在顶点数据送至渲染管线之前，将这些不可见的场景数据剔除掉。

在大规模地形数据调度与渲染过程中，最基础的视锥体裁剪方法为确定视锥体六个裁剪平面的方程，然后计算物体和各个裁剪平面之间的距离，按这些距离来进行判断一个物体和视锥体的关系，即确定该物体是否在当前视区内，如图2所示，图2中的a、b和c表示三个不同物体，分别在视锥体内、与视锥体相交、在视锥体外。

对点的裁剪过程如下：

如果己知六个裁剪平面的方程，

A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0(i＝1.....6)

其中，(x,y,z)为空间坐标，A_i,B_i,C_i和D_i为第i个裁剪平面的方程系数。

计算点P(x_p,y_p,z_p)关于第i个裁剪平面的值d_i，

d_i＝A_ix_p+B_iy_p+C_iz_p+D_i

平面的法向量都指向视锥体外，若计算的点P关于各裁剪平面的值d_i都小于零时，说明点P在视锥体内，否则点P在视锥体外部。

对物体的裁剪过程如下：

每个物体都是由多边形构成的，假如它有N个边界顶点，那么对它的裁剪就必须按点的裁剪方式计算N个顶点中的每一个顶点与裁剪面的六个距离来判断该物体在视锥体内，还是在视锥体外，还是和视锥体相交，这样做是很费时的。在计算机仿真中，常采用物体包围盒的方式。利用长方体作包围盒时，在裁剪时，需要判断长方体的八个顶点和视锥体的关系。如果它们全在视锥体内，则该物体在视锥体内；如果这八个顶点都不在视锥体里，则该物体在视锥体外，否则该物体和视锥体相交。利用包围球时，则需要计算球体的中心和六个裁剪平面的距离，在这种情况下，视区裁剪测试就更加简单有效，若要判断两个球体是否相交只要进行一次测试，即计算两个球体的中心之间的距离，如果这个距离小于两个球体的半径之和，则它们相交，否则不相交。但由于将视锥体简化为包围球进行计算时会将视锥体的范围扩大，即得出的结果会有原本不应该显示的地形块也被送进渲染管线进行渲染，无形中增加了渲染的压力。在大规模地形数据调度与渲染过程中，传统的视锥体裁剪方法都没有简便和快速地解决实际问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决有大量不该被显示的地形块被渲染，增加渲染压力的问题，提出了一种应用在大规模地形渲染中的视锥体投影裁剪方法。本发明的一种应用在大规模地形渲染中的视锥体投影裁剪方法，包括以下几个步骤：

步骤一：确定视锥体投影的等效形状，具体是：设视锥体垂直方向的视场角为β，视线与垂直向下的法向量之间的夹角为γ，当γ大于等于β/2时，确定视锥体在水平面的投影等效形状为类扇形；当γ小于β/2时，确定视锥体在水平面的投影等效形状为圆形；

步骤二：确定视锥体投影等效形状的相关几何信息；