[发明专利]基于自适应R-树的大数据量铁路三维设计模型渲染方法

摘要

本发明公开一种基于自适应R-树的大数据量铁路三维设计模型渲染方法，按下列步骤进行：在铁路三维设计软件中生成铁路线路、站场、路基、桥梁和隧道等专业的设计方案；生成铁路各专业设计方案对应的三维模型，统称为铁路三维设计模型；实现适应设计方案频繁调整并匹配三维设计模型空间分布形态的自适应R-树；使用自适应R-树存储铁路三维设计模型；在铁路各专业设计方案优化调整过程中更新自适应R-树；在铁路三维设计软件的场景渲染过程中使用基于自适应R-树和缓冲区的模型滤除方法。有益效果是：在普通显卡条件下大幅度提高了大数据量铁路三维设计模型的渲染速度，使得铁路三维设计软件能够在广大铁路设计人员的普通PC中流畅运行，摆脱了对高性能图形工作站的依赖。

主权项

一种基于自适应R‑树的大数据量铁路三维设计模型渲染方法，该方法在铁路三维设计软件的实现过程中使用，运行于配备普通显卡的PC机的内存之中，包括以下步骤： （1）在所述铁路三维设计软件中生成铁路线路、站场、路基、桥梁和隧道专业的设计方案； （2）生成上述铁路各专业设计方案对应的三维模型，统称为铁路三维设计模型； （3）实现适应设计方案频繁调整并匹配三维设计模型空间分布形态的自适应R‑树： 3‑1）自适应R‑树数据结构： 3‑1‑a）将自适应R‑树的数据结构派生于Guttman R‑树数据结构，继承Guttman R‑树的所有特征； 3‑1‑b）将自适应R‑树的叶子节点中存储的空间对象分为有效对象和无效对象； 3‑1‑c）在自适应R‑树的数据结构内设一个有效对象数组，用于存储所有叶子节点中的有效对象；同时内设一个计数变量统计叶子节点中存储的无效对象的个数； 3‑2）自适应R‑树的插入方法： 3‑2‑a）使用Guttman选择叶子节点方法，在自适应R‑树中选中待插入的有效对象应该存入的叶子节点； 3‑2‑b）在步骤3‑2‑a）选中的叶子节点中查找第一个无效对象，如果找到，则将待插入的有效对象存储到第一个无效对象所占用的存储位置，然后自底向上更新自适应R‑树的各层节点的包围盒，从而避免触发费时的自适应R‑树的节点分裂操作；如果没有找到，则执行步骤3‑2‑c）； 3‑2‑c）使用与Guttman插入方法插入当前处理的有效对象；插入成功之后，判断自适应R‑树的深度是否超过单个叶子节点的最大存储空间对象个数M；如果超过，则销毁自适应R‑树的所有节点，计算合适的M值，然后对有效对象数组中的空间对象使用Guttman插入方法重新生成各层节点，从而优化R‑树的深度和广度比例； 3‑2‑d）M值通过枚举逼近法求解以下方程得到： M(M+1)<=N， 式中：M为单个叶子节点的最大存储空间对象个数，N为有效对象数组中的元素个数； 3‑3）自适应R‑树的删除方法： 3‑3‑a）使用与Guttman查找叶子节点方法，找到当前处理的有效对象所在的叶子节点； 3‑3‑b）在步骤3‑3‑a）中找到的叶子节点中，将待删除的有效对象所在的存储位置用无效对象代替，并从有效对象数组中删除待删除的有效对象，从而避免触发费时的R‑树的结构紧凑操作，同时无效对象计数增加1； 3‑3‑c）判断无效对象个数是否超过有效对象的个数，如果超过，则销毁自适应R‑树的所有节点，计算合适的M值，然后对有效对象数组中的空间对象使用Guttman插入方法重新生成各层节点，优化自适应R‑树的深度和广度比例； 3‑3‑d）M值通过枚举逼近法求解以下方程得到： M(M+1)<=N， 式中：M为单个叶子节点的最大存储空间对象个数，N为有效对象数组中的元素个数； （4）使用自适应R‑树存储铁路三维设计模型： 4‑1）将铁路三维设计模型类派生于步骤3‑1‑a）的有效对象类，从而保证自适应R‑树的叶子节点能够存储铁路三维设计模型； 4‑2）使用步骤3‑2）的自适应R‑树的插入方法将铁路线路、站场、路基、桥梁和隧道专业的三维设计模型插入到自适应R‑树中； （5）在铁路各专业设计方案优化调整过程中更新自适应R‑树： 5‑1）优化调整铁路线路、站场、路基、桥梁和隧道专业的某一个设计方案，形成新的设计方案； 5‑2）使用步骤3‑3）的自适应R‑树的删除方法将步骤5‑1）中优化调整的设计方案对应的三维设计模型删除，然后将上述三维设计模型从计算机内存中删除； 5‑3）对步骤5‑1）中新的设计方案，生成新的三维设计模型，然后使用步骤3‑2）的自适应R‑树的插入方法将上述新的三维设计模型插入到自适应R‑树中； （6）在铁路三维设计软件的场景渲染过程中使用基于自适应R‑树和缓冲区的模型滤除方法： 6‑1）提供输入接口，允许用户在输入两个缓冲区参数阀值，分别为可视空间范围包围盒在X轴和Y轴方向的变化值，目的在于避免不必要的重复检索自适应R‑树； 6‑2）进行第一次场景渲染时，以当前可视空间范围的包围盒在X和Y轴方向外扩给定阀值后的包围盒为输入条件，检索自适应R‑树，获得树中所有与上述外扩后的包围盒存在空间范围重叠的铁路三维设计模型，送达显卡进行渲染，从而不重叠的三维设计模型被滤除，减少了显卡的绘图数据量； 6‑3）实时监测当前可视空间范围是否发生变化；如果当前可视空间范围没有发生变化，则不断执行步骤6‑3）；如果当前可视空间范围发生变化，则判断当前可视空间范围的包围盒相对上一次场景渲染时可视空间范围的 包围盒的变化幅度是否超出给定的阀值，并按以下步骤处理： 6‑3‑a）如果X轴和Y轴两个方向都未超出阀值，则显卡仍然绘制将上一次场景渲染时的数据，从而避免了不必要的重复检索自适应R‑树； 6‑3‑b）如果X轴和Y轴任意一个方向超出阀值，则执行与步骤6‑2）中第一次场景渲染时相同的处理，然后执行步骤6‑3）。