[发明专利]一种基于3D Tiles的工程三维模型LOD输出方法

说明书

本发明涉及图像数据处理技术领域，本发明公开了一种基于3DTiles的工程三维模型LOD输出方法，基于HLOD技术对工程三维模型建立多分辨率层次结构进行输出，在不影响视觉效果的前提下减少特定视图下需要显示的模型的几何复杂度，其中对工程三维模型建立多分辨率层次结构包括：树节点的字段构成设计、基于Morton码的树节点编码、数据分割、基于MeshID的HLOD层次结构建立以及基于Hausdorff距离的几何误差计算。本发明基于HLOD技术对工程三维模型建立多分辨率层次结构进行输出，可减少特定场景中模型的几何复杂度，这对于渲染大规模、复杂场景时具有重大意义的。

技术领域

本发明涉及图像数据处理技术领域，尤其涉及一种基于3D Tiles的工程三维模型LOD输出方法。

背景技术

3D Tiles是一种可以用于流式传输大规模异构三维地理空间数据集的开放数据规范。为了扩展Cesium的地形和图像流，3D Tiles将用于流式传输的三维内容，包括摄影测量模型、建筑模型、实体模型、点云和矢量数据。Cesium是一个三维可视化平台，拥有数字地球连接世界地理空间的愿景。

3D Tiles的主要目的是提高大规模异构数据集的流式传输和渲染性能。3D Tiles的基础是一种支持多分辨率细节层次(HLOD)的空间数据结构，因此只有那些在给定的三维视图下可见的场景图块才会被传输和渲染，并且根据图块的重要程度调用不同分辨率的图块，能够最大限度的减轻客户端的处理压力和减少WebGL对绘图命令的调用。

LOD(Level of Detail，细节层次)技术的主要作用是减少在特定场景中贡献度较少的几何体的复杂度。例如，当一个几何对象距离观察者较远时应该用具有较少几何细节和较低分辨率纹理信息的模型进行渲染，而当其距离观察者交近时则应该用更多几何细节和更高分辨率的版本进行渲染。LOD技术被广泛应用于大规模场景可视化领域，如虚拟地球的地形可视化领域等。

大规模三维数据的实时漫游是GIS、虚拟现实、游戏等领域的关键技术与难点。尽管现如今个人计算机的硬件性能已经有了显著的提升和发展，但其发展还是无法满足大型、复杂数据模型的实时显示和动态交互的需求，这就需要对各种加速绘制的算法进行研究。加速算法的核心是在不影响视觉效果的前提下，通过一系技术方法减少三维场景的几何复杂度和减少系统需要实时处理的图形数量，来提高图形的实时显示速率。

可见性裁剪是一种十分重要的加速技术，可以通过不同的算法选取场景中可见的物体进行绘制，来降低需要绘制的场景的复杂度。这类算法有通过将非可视区域的多边形去除可的视域裁剪算法；有通过视线方向和法向量判断多边形正反面，将看不见的背面剔除的背面多边形去除算法；还有通过判断某些多边形是否被遮挡进行剔除的遮挡去除算法。以上几种算法都是在尽可能地在减少需要被绘制的多边形的数量，这类算法确实能在一定程度上加速三维模型实时绘制的速度，但是当面临大规模地形数据时，仍不能满足绘制要求。而基于Clark在1976提出的层次结构模型思想的LOD算法，依据视点的位置决定模型的复杂度，对那些距离视点比较远的几何图像用低分辨率的模型来渲染，在视觉上不会造成明显的区别，但却可以减轻系统渲染压力，满足大规模地形数据绘制要求。

工程实体模型具有数据量大，场景构成比较复杂的特点，仅仅是减少几何模型的复杂度可能还远远不够，由于个人计算机性能有限，对于需要绘制的三维场景无法到一次性读取渲染，因此需要对其进行空间分割，实现分块调度来弥补计算机硬件性能的不足。但是对模型的分割后产生的图块数量和图块的大小又会影响三维引擎的渲染性能，因此研究如何对特定的三维场景实现均匀、合理的分割和组织输出，即基于3D Tiles的工程三维模型LOD输出方法，对实际的工程领域有着重大意义。

发明内容