專利名稱：：一種基于導(dǎo)航的交互式無遮擋三維地形圖的生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于導(dǎo)航的交互式無遮擋三維地形圖的生成方法，屬于空間信息
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：基于三維地形的虛擬空間環(huán)境已經(jīng)在各種商業(yè)系統(tǒng)和科學(xué)研究等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。在導(dǎo)航應(yīng)用中，基于三維空間環(huán)境導(dǎo)航的平臺(tái)較傳統(tǒng)的提供二維導(dǎo)航地圖的平臺(tái)具有較大的優(yōu)勢。因?yàn)槿S環(huán)境能使得用戶更為方便判讀，它幾乎不需要用戶具有地圖的判讀能力，從而使得用戶能更加方便、快速的了解其當(dāng)前位置、周邊環(huán)境以及感興趣區(qū)域位置等地理信息，將更多的精力投入到路徑查找、駕駛或旅行決策等任務(wù)中去。目前大都通過透視投影構(gòu)造三維地形空間環(huán)境。這種投影是基于人眼和相機(jī)對客觀世界的觀察模式，它能在虛擬空間環(huán)境中反映客觀世界。然而，這種投影卻會(huì)產(chǎn)生地形遮擋問題用戶感興趣區(qū)域常被較更靠近視點(diǎn)的物體所遮擋，在地形起伏較大的山區(qū)和建筑林立的城市中尤為普遍。盡管在三維視圖系統(tǒng)中嵌入二維導(dǎo)航圖能夠彌補(bǔ)被遮擋的感興趣區(qū)域信息，但是，會(huì)造成三維場景漫游時(shí)，用戶不斷的判讀二維地圖，并占用了有限的屏幕空間。而對于導(dǎo)航平臺(tái)(GPS，PDA)，一個(gè)重要的需求是在較小的屏幕上盡可能傳達(dá)更多的地理信息。因此，在三維導(dǎo)航中，現(xiàn)有的方法難以用于交互可視化的需求，有些使全景圖產(chǎn)生了較大的形變。在山區(qū)復(fù)雜地形導(dǎo)航時(shí)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)生成無遮擋三維地形圖的方法，以滿足導(dǎo)航交互可視化的要求。
發(fā)明內(nèi)容1、目的本發(fā)明的目的是提供一種基于導(dǎo)航的交互式無遮擋三維地形圖的生成方法，它克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，在復(fù)雜地形導(dǎo)航時(shí)，它能夠?qū)崟r(shí)生成無遮擋三維地形圖以滿足導(dǎo)航交互可視化的要求。本發(fā)明所解決的問題為給定地形T，任意處于地形之上的視點(diǎn)Pv，觀察方向Dv以及處于T上的一組用戶感興趣地形特征F(點(diǎn)狀、線狀或面狀)，若在Pv處朝Dv觀察所得到的視圖為Vtl，如何快速自動(dòng)生成與Vtl相似的視圖V，盡可能使得在V中F可見？這個(gè)問題的解決，可使得用戶無遮擋的實(shí)時(shí)漫游三維環(huán)境。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種基于導(dǎo)航的交互式無遮擋三維地形圖的生成方法，目前的PC機(jī)或移動(dòng)式終端設(shè)備(如PDA等)能夠支持該方法，該方法的具體步驟如下步驟一按地貌特征對地形分塊，設(shè)定用戶感興趣特征上的參考點(diǎn)(1)地形的分割方法——采用Morse理論分割地形。Morse理論是對標(biāo)量場進(jìn)行拓?fù)浞治龅挠行Чぞ摺＜俣╢(x，y)在區(qū)域D上連續(xù)可導(dǎo)，對任意點(diǎn)P，若f在X和y方向上導(dǎo)數(shù)為0，則P為關(guān)鍵點(diǎn)，即P為極大值點(diǎn)、極小值點(diǎn)或鞍點(diǎn)，對地形而言，分別對應(yīng)于頂峰、山谷或山口。如果函數(shù)f所有關(guān)鍵點(diǎn)處的Hessian矩陣的行列式都不為0，則f為Morse函數(shù)。定義f的一條積分線為一條處處與最陡上升(下降)梯度方向相切的曲線。積分線一般起于極大值點(diǎn)、D的邊界或鞍點(diǎn)，收斂于極小值點(diǎn)、D的邊界或鞍點(diǎn)。對于收斂于極小值的積分線所覆蓋的區(qū)域，稱作穩(wěn)定單元(stablecell)。對于極大值發(fā)出的積分線所覆蓋的區(qū)域，稱之為不穩(wěn)定單元(unstablecell)。由stablecell或unstablecell,可生成一種對標(biāo)量場f對區(qū)域D的分割，稱為Morse-Smale分割。在一定的視點(diǎn)條件下，對視線構(gòu)成遮擋的實(shí)體一般是地形的凸起部分(如山峰、山丘等)。若要消除這類遮擋，首先找出這類遮擋物。例如對一段被遮擋的道路而言(如圖1)，要消除其遮擋，可以先提取出其遮擋物(如圖1(a)中的山丘)，然后再將該山丘垂直收縮一定比例，從而消除遮擋(如圖1(b))。因此，預(yù)先按地形的地貌特征提取出這些凸部分，即按凸部分對地形分塊。地形可視為平面域D上的一個(gè)標(biāo)量場f(x，y)=z，我們采用Morse理論對地形進(jìn)行分割。(2)分割計(jì)算——采用分水嶺分割算法近似計(jì)算Morse-Smale分割。對地形而言，可采用分水嶺分割算法近似計(jì)算Morse分割。該算法的思想是，以極小值點(diǎn)為注水點(diǎn)，以此從低處向高處泛洪，來自不同注水點(diǎn)的洪水相遇的邊界即為分水嶺。它計(jì)算的是各積水盆地。為了求凸部分，以地形的相反值作為算法的輸入，以極大值點(diǎn)為起點(diǎn)，從高處向低處擴(kuò)展，得到地形凸部分作為地形Morse-Smale分割的近似。在實(shí)際計(jì)算過程中，由于地形上存在高頻噪聲，噪聲中微小的凸起都將作為注水點(diǎn)，所以直接對地形進(jìn)行分水嶺分割會(huì)造成分割過度。本發(fā)明采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開濾波來實(shí)現(xiàn)。如果濾波結(jié)構(gòu)元素為圓盤，將圓盤半徑設(shè)定為線特征平均線段長度的1/4。(3)參考點(diǎn)的確定——在當(dāng)前視點(diǎn)處，通過視線追蹤確定特征被遮擋的部分以及造成特征被遮擋的障礙物。為了消除遮擋的變形，需要確定在當(dāng)前視點(diǎn)處，特征被遮擋的部分以及造成特征被遮擋的障礙物，可通過視線追蹤來解決；而對于用戶感興趣的點(diǎn)狀、線狀或面狀特征的可視性及其遮擋物的確定，也可通過視線追蹤來解決。通過指定特征上的參考點(diǎn)，對參考點(diǎn)做視線追蹤，從而確定特征的可視性。直接用視線追蹤確定點(diǎn)狀特征，而對多邊形狀特征只需判定其邊界的可見性。對于線特征，為了令參考點(diǎn)具有代表性，先將線段的端點(diǎn)設(shè)為參考點(diǎn)，再根據(jù)線段長度對道路分段，以分段的端點(diǎn)作為控制點(diǎn)。在實(shí)際工作中，可將大于某閾值長度ο的道路作遞歸二分，以保證分段的長度不大于σ。本發(fā)明中σ=Τ^/2，其中S為地形分割后各塊的平均面積。步驟二從特征到視點(diǎn)的視線追蹤，獲取并更新變形參數(shù)視線追蹤的目的有兩個(gè)，一是確定參考點(diǎn)的可視性；二是在視線追蹤過程中對遮擋物進(jìn)行標(biāo)記。在視線追蹤時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)參考點(diǎn)被遮擋，可以根據(jù)當(dāng)前光線位置，產(chǎn)生或更新變形控制點(diǎn)和變形參數(shù)。如果在當(dāng)前追蹤位置發(fā)現(xiàn)了遮擋，則對遮擋處所在的塊進(jìn)行變形，而忽略不造成遮擋的塊。為了控制各個(gè)塊的變形，其變形由一組變形參數(shù)來決定，包括控制點(diǎn)，垂直收縮比例等。(1)視線追蹤設(shè)參考點(diǎn)為P(xp，yp，zp)，視點(diǎn)為V(xv，yv,zv)，若視線上存在任意點(diǎn)Q(X(1，yq,zq)，使得<f(xq,y,)，則參考點(diǎn)被遮擋，否則參考點(diǎn)可見。其中Q=(xp,yp，zp)+tX(χν-χρ,yv-yp,zv-zp),0^t^1。令視線追蹤從t=0開始，每進(jìn)行一步，令t=t+At，若發(fā)現(xiàn)參考點(diǎn)被遮擋，則Q所在的分塊S為遮擋物，這時(shí)根據(jù)當(dāng)前Q的高度來更新S的變形參數(shù)，直到t=1結(jié)束。對所有參考點(diǎn)都做上述視線追蹤。追蹤完成后，可獲知哪些分塊需變形以及相應(yīng)的變形參數(shù)。本專利采用從遠(yuǎn)到近的順序?qū)Ω鲄⒖键c(diǎn)做視線追蹤，使得地形壓低是從遠(yuǎn)處到近處確定的，從而避免了重復(fù)變形造成的遮擋。由于遠(yuǎn)處的參考點(diǎn)受到遮擋的可能性較近處參考點(diǎn)更大，則先基于遠(yuǎn)處參考點(diǎn)做光線追蹤，減少了變形之后的地形遮擋數(shù)量，節(jié)省了變形的計(jì)算量。(2)計(jì)算變形為了消除遮擋，本發(fā)明是將造成遮擋的地形做垂直收縮，令其在視線之下。對于地形T來說，用參考點(diǎn)C和垂直收縮比例k兩個(gè)參數(shù)定義分塊的變形。對參考點(diǎn)不可見的情形，主要有兩種類型(1)參考點(diǎn)處于地形的背面，(2)參考點(diǎn)被地形所遮擋?；谝陨献冃尾呗裕覀兿愋?1)和類型(2)的遮擋(如圖2所示)。每個(gè)分塊代表的是一個(gè)可能成為潛在障礙物的凸部分。如果視線追蹤在某點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了遮擋，該點(diǎn)所在的分塊需要變形。對于分塊的變形，存在參考點(diǎn)與遮擋物是否處同一分塊的情況。若參考點(diǎn)與遮擋物在同一分塊上，因?yàn)橹恍枳冃卧斐烧趽醯膮^(qū)域，所以變形只針對深度小于參考點(diǎn)的部分，我們將該類變形稱為變形I。而對于參考點(diǎn)與遮擋物在不同分塊的情形，可以對整個(gè)分塊做變形，稱其為變形II。在變形I中，一個(gè)分塊中可能有多個(gè)不同的變形，變形的個(gè)數(shù)等于分塊內(nèi)在光線追蹤時(shí)發(fā)現(xiàn)被遮擋的參考點(diǎn)個(gè)數(shù)。在圖3(a)中，分塊I中存在參考點(diǎn)A和B，其中AKB遠(yuǎn)。按照從遠(yuǎn)到近對參考點(diǎn)做視線追蹤的原則，先對A做視線追蹤，若發(fā)現(xiàn)其被遮擋，則計(jì)算分塊I中深度小于A部分gA的變形gAA=Ω[A](gA)，(如圖3(b))。接著從gAA⑶開始視線追蹤，若發(fā)現(xiàn)其被遮擋，則產(chǎn)生分塊I中深度小于B部分gB的變形在一個(gè)分塊內(nèi)，若存在η個(gè)參考點(diǎn)在視線追蹤時(shí)被遮擋，會(huì)產(chǎn)生η種變形，其中的第k個(gè)參考點(diǎn)Rk所產(chǎn)生的變形可表達(dá)為=(Rk)]。對分塊內(nèi)，處于變形部分上的點(diǎn)P(χ，y，ζ)，其變形后為0(χ,y,γι(/2))，其中，為深度值大于P，且深度方向上距離P最近參考點(diǎn)，而，Yj(h)=h+k0{h-hd)(1)與公式(3)類似，、zminl^-r,,"、))/—-]"從)-ε,1·0丨(2)其中Zq為當(dāng)前視線的高度，ΓU1為變形I和變形II同時(shí)變形的結(jié)果，其值在下文中給出。對于變形II，類似于變形I，若變形前地形上某點(diǎn)高程為h，其遮擋物所在分塊的變形可表達(dá)為，yn(h)=h+k2(h-hE)(3)其中，hK為當(dāng)前視線追蹤參考點(diǎn)的高度，如果同時(shí)存在變形I和變形II，先令變形I維持不變，有7w、_Jh，如果不需變形如果需要變形()對于變形I后有變形II的情形，由公式⑴和公式(3)有，Yπ(h)=YJ(h)+k2(Yn(h)-hE)(5)綜合變形I和變形II，分塊的最終變形可表達(dá)為rh，如果不需變形lA)z=\ruXh),如果需要變形()在實(shí)現(xiàn)時(shí)，記錄變形I和變形II的參數(shù)，分別為控制點(diǎn)^及其收縮比例、的集合，以及參考點(diǎn)高程hK及其所對應(yīng)的收縮比例k2。在視線追蹤時(shí)被遮擋，則更新變形參數(shù)。步驟三根據(jù)變形參數(shù)，重建變形后的地形對造成遮擋的分塊，ΓU1所產(chǎn)生的結(jié)果便是消除遮擋后的變形。本發(fā)明的變形不必加入新的頂點(diǎn)，因此，對多細(xì)節(jié)層次地形模型中的頂點(diǎn)進(jìn)行變形，就可達(dá)到預(yù)期的變形結(jié)果。為了加速可視化的過程，在GPU頂點(diǎn)程序中實(shí)現(xiàn)這種頂點(diǎn)變形的計(jì)算。繪制頂點(diǎn)時(shí)，如果其所在分塊需要變形，將該分塊的變形參數(shù)傳給GPU頂點(diǎn)程序。因變形是基于分塊的，為了增強(qiáng)分塊之間的連續(xù)性，我們對多細(xì)節(jié)層次地形模型中跨分塊的三角面片，采取細(xì)化(refinement)方法以平滑分塊之間的邊界。加入新頂點(diǎn)和頂點(diǎn)位移的過程都在GPU中完成。首先建立用于細(xì)化的三角網(wǎng)，并在渲染前傳入頂點(diǎn)緩存。為了平滑細(xì)化的三角網(wǎng)，在頂點(diǎn)著色器中采用B6zier多項(xiàng)式計(jì)算頂點(diǎn)格網(wǎng)進(jìn)行位移操作?？筛鶕?jù)要細(xì)化的三角面片的頂點(diǎn)坐標(biāo)和頂點(diǎn)法向量，在CPU中計(jì)算獲得B6zier多項(xiàng)式，并在渲染細(xì)化的三角面片時(shí)傳給頂點(diǎn)著色器。對于本發(fā)明工作，只需細(xì)化和平滑跨分塊的三角面片。為了平行渲染跨分塊和不跨分塊的三角面片，首先以非細(xì)化的方式渲染，遍歷多細(xì)節(jié)層次地形模型，判斷三角面片是否跨分塊，如果跨分塊，便存入一個(gè)數(shù)組中，否則直接渲染三角面片。遍歷完成后，令頂點(diǎn)著色器采用細(xì)化平滑的方式進(jìn)行渲染數(shù)組中的三角面片。但是，細(xì)化和平滑后的三角形會(huì)與無上述操作的三角形之間產(chǎn)生裂縫。我們強(qiáng)制細(xì)化和平滑后的三角形頂點(diǎn)不進(jìn)行位移操作，而只對細(xì)化格網(wǎng)內(nèi)部的頂點(diǎn)做位移操作，達(dá)到消除裂縫的目的。圖4給出了跨分塊三角面片細(xì)化和平滑前后的渲染結(jié)果。圖5是截取一段場景中的原視圖與本發(fā)明生成的結(jié)果視圖。3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明一種基于導(dǎo)航的交互式無遮擋三維地形圖的生成方法，它與現(xiàn)有技術(shù)比，其主要優(yōu)點(diǎn)是在預(yù)處理時(shí)將地形分塊；在導(dǎo)航時(shí)，通過視線追蹤獲得每幀的變形參數(shù)，并借助GPU著色器的可編程功能有效的構(gòu)建、處理并渲染變形后地形；在保證視圖可讀性的前提下，交互式自動(dòng)產(chǎn)生用戶感興趣特性不被遮擋的視圖，以滿足在山區(qū)導(dǎo)航時(shí)以全景圖模式交互可視化的需要。四圖1.消除遮擋的例子圖1(a)—段道路被山丘遮擋圖1(b)道路的遮擋被消除圖2.變形結(jié)果圖2(a)遮擋類型1圖2(b)遮擋類型2圖3.遮擋的兩種類型圖3(a)對參考點(diǎn)A，分塊I和分塊II都造成了類型II的遮擋圖3(b)對參考點(diǎn)B，分塊I造成了類型I的遮擋，而分塊II造成了類型II的遮擋圖4.對跨分塊三角面片做細(xì)化和平滑前、后的渲染結(jié)果比較圖4(a)對跨分塊三角面片做細(xì)化和平滑前的渲染結(jié)果圖4(b)對跨分塊三角面片做細(xì)化和平滑后的渲染結(jié)果圖5.從地形南端向北觀察時(shí)，地形在變形前、后的視圖比較圖5(a)從地形南端向北觀察時(shí)，地形在變形前的視5(b)從地形南端向北觀察時(shí)，地形在變形后的視6本發(fā)明的流程框圖五具體實(shí)施例方式請見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示，本發(fā)明一種基于導(dǎo)航的交互式無遮擋三維地形圖的生成方法，該方法具體步驟實(shí)施如下步驟一按地貌特征對地形分塊，設(shè)定用戶感興趣特征上的參考點(diǎn)(1)地形的分割方法——采用Morse理論分割地形。Morse理論是對標(biāo)量場進(jìn)行拓?fù)浞治龅挠行Чぞ?。假定f(x，y)在區(qū)域D上連續(xù)可導(dǎo)，對任意點(diǎn)P，若f在X和y方向上導(dǎo)數(shù)為0，則P為關(guān)鍵點(diǎn)，即P為極大值點(diǎn)、極小值點(diǎn)或鞍點(diǎn)，對地形而言，分別對應(yīng)于頂峰、山谷或山口。如果函數(shù)f所有關(guān)鍵點(diǎn)處的Hessian矩陣的行列式都不為0，則f為Morse函數(shù)。定義f的一條積分線為一條處處與最陡上升(下降)梯度方向相切的曲線。積分線一般起于極大值點(diǎn)、D的邊界或鞍點(diǎn)，收斂于極小值點(diǎn)、D的邊界或鞍點(diǎn)。對于收斂于極小值的積分線所覆蓋的區(qū)域，稱作穩(wěn)定單元(stablecell)。對于極大值發(fā)出的積分線所覆蓋的區(qū)域，稱之為不穩(wěn)定單元(unstablecell)。由stablecell或unstablecell,可生成一種對標(biāo)量場f對區(qū)域D的分割，稱為Morse-Smale分割。在一定的視點(diǎn)條件下，對視線構(gòu)成遮擋的實(shí)體一般是地形的凸起部分(如山峰、山丘等)。若要消除這類遮擋，首先找出這類遮擋物。例如對一段被遮擋的道路而言(如圖1)，要消除其遮擋，可以先提取出其遮擋物(如圖1(a)中的山丘)，然后再將該山丘垂直收縮一定比例，從而消除遮擋(如圖1(b))。因此，預(yù)先按地形的地貌特征提取出這些凸部分，即按凸部分對地形分塊。地形可視為平面域D上的一個(gè)標(biāo)量場f(x，y)=z，我們采用Morse理論對地形進(jìn)行分割。(2)分割計(jì)算——采用分水嶺分割算法近似計(jì)算Morse-Smale分割。對地形而言，可采用分水嶺分割算法近似計(jì)算Morse分割。該算法的思想是，以極小值點(diǎn)為注水點(diǎn)，以此從低處向高處泛洪，來自不同注水點(diǎn)的洪水相遇的邊界即為分水嶺。它計(jì)算的是各積水盆地。為了求凸部分，以地形的相反值作為算法的輸入，以極大值點(diǎn)為起點(diǎn)，從高處向低處擴(kuò)展，得到地形凸部分作為地形Morse-Smale分割的近似。在實(shí)際計(jì)算過程中，由于地形上存在高頻噪聲，噪聲中微小的凸起都將作為注水點(diǎn)，所以直接對地形進(jìn)行分水嶺分割會(huì)造成分割過度。本發(fā)明采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開濾波來實(shí)現(xiàn)。如果濾波結(jié)構(gòu)元素為圓盤，將圓盤半徑設(shè)定為線特征平均線段長度的1/4。(3)參考點(diǎn)的確定為了消除遮擋的變形，需要確定在當(dāng)前視點(diǎn)處，特征被遮擋的部分以及造成特征被遮擋的障礙物，可通過視線追蹤來解決；而對于用戶感興趣的點(diǎn)狀、線狀或面狀特征的可視性及其遮擋物的確定，也可通過視線追蹤來解決。通過指定特征上的參考點(diǎn)，對參考點(diǎn)做視線追蹤，從而確定特征的可視性。直接用視線追蹤確定點(diǎn)狀特征，而對多邊形狀特征只需判定其邊界的可見性。對于線特征，為了令參考點(diǎn)具有代表性，先將線段的端點(diǎn)設(shè)為參考點(diǎn)，再根據(jù)線段長度對道路分段，以分段的端點(diǎn)作為控制點(diǎn)。在實(shí)際工作中，可將大于某閾值長度ο的道路作遞歸二分，以保證分段的長度不大于σ。本發(fā)明中a=V^/2，其中S為地形分割后各塊的平均面積。步驟二從特征到視點(diǎn)的視線追蹤，并獲取并更新變形參數(shù)視線追蹤的目的有兩個(gè)，一是確定參考點(diǎn)的可視性；二是在視線追蹤過程中對遮擋物進(jìn)行標(biāo)記。此外，在視線追蹤時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)參考點(diǎn)被遮擋，可以根據(jù)當(dāng)前光線位置，產(chǎn)生或更新變形控制點(diǎn)和變形參數(shù)。如果在當(dāng)前追蹤位置發(fā)現(xiàn)了遮擋，則對遮擋處所在的塊進(jìn)行變形，而忽略不造成遮擋的塊。為了控制各個(gè)塊的變形，其變形是由一組變形參數(shù)來決定，包括控制點(diǎn)，垂直收縮比例等。(1)視線追蹤設(shè)參考點(diǎn)為P(xp，yp，zp)，視點(diǎn)為V(xv，yv,zv)，若視線上存在任意點(diǎn)Q(X(1，yq,zq)，使得ζ,<f(xq,y,)，則參考點(diǎn)被遮擋，否則參考點(diǎn)可見。其中Q=(xp,yp，zp)+tX(χν-χρ,yv-yp,zv-zp),0^t^1。令視線追蹤從t=0開始，每進(jìn)行一步，令t=t+At，若發(fā)現(xiàn)參考點(diǎn)被遮擋，則Q所在的分塊S為遮擋物，這時(shí)根據(jù)當(dāng)前Q的高度來更新S的變形參數(shù)，直到t=1結(jié)束。對所有參考點(diǎn)都做上述視線追蹤。追蹤完成后，可獲知哪些分塊需變形以及相應(yīng)的變形參數(shù)。本發(fā)明采用從遠(yuǎn)到近的順序?qū)Ω鲄⒖键c(diǎn)做視線追蹤，使得地形壓低是從遠(yuǎn)處到近處確定的，從而避免了重復(fù)變形造成的遮擋。由于遠(yuǎn)處的參考點(diǎn)受到遮擋的可能性較近處參考點(diǎn)更大，則先基于遠(yuǎn)處參考點(diǎn)做光線，最終能找出更多的遮擋，便可及早定義變形，減少了變形之后的地形遮擋數(shù)量，節(jié)省了變形的計(jì)算量。(2)計(jì)算變形為了消除遮擋，本發(fā)明是將造成遮擋的地形做垂直收縮，令其在視線之下(如圖5)。對于地形T來說，用控制點(diǎn)C和垂直收縮比例k兩個(gè)參數(shù)定義分塊的變形，其變形γ(h)可被定義為y(h)=h+k(h-hc)(1)假設(shè)對參考點(diǎn)R做視線追蹤而產(chǎn)生的地形Tk上，R的位置不變，hK為R的高程，需兩足hE=γ(hE)=hE+k(hE-hc)(2)為了滿足以上關(guān)系，令控制點(diǎn)C為參考點(diǎn)R。因此，需要確定垂直收縮比例k。要確定k，可根據(jù)視線來更新地形位置以消除遮擋。從參考點(diǎn)R引出的視線上存在某點(diǎn)QO^yq,zq)，Q所對應(yīng)于地形上的點(diǎn)為P(χΡ，yP，hP)，其中hP=f(xP,yP)，若hP>ζ,，要保證R不被P遮擋，需將P變形為P’(xq,yq,Y(hP))，從而γ(hp)<v由公式(1)可得到，權(quán)利要求一種基于導(dǎo)航的交互式無遮擋三維地形圖的生成方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一按地貌特征對地形分塊，設(shè)定用戶感興趣特征上的參考點(diǎn)(1)地形的分割方法——采用Morse理論分割地形Morse理論是對標(biāo)量場進(jìn)行拓?fù)浞治龅挠行Чぞ?，設(shè)定f(x，y)在區(qū)域D上連續(xù)可導(dǎo)，對任意點(diǎn)p，若f在x和y方向上導(dǎo)數(shù)為0，則p為關(guān)鍵點(diǎn)，即p為極大值點(diǎn)、極小值點(diǎn)或鞍點(diǎn)，對地形而言，分別對應(yīng)于頂峰、山谷、山口；如果函數(shù)f所有關(guān)鍵點(diǎn)處的Hessian矩陣的行列式都不為0，則f為Morse函數(shù)；定義f的一條積分線為一條處處與最陡上升或下降梯度方向相切的曲線，積分線一般起于極大值點(diǎn)、D的邊界或鞍點(diǎn)，收斂于極小值點(diǎn)、D的邊界或鞍點(diǎn)；對于收斂于極小值的積分線所覆蓋的區(qū)域，稱作穩(wěn)定單元即stablecell；對于極大值發(fā)出的積分線所覆蓋的區(qū)域，稱之為不穩(wěn)定單元即unstablecell；由stablecell或unstablecell，可生成一種對標(biāo)量場f對區(qū)域D的分割，稱為MorseSmale分割；在一定的視點(diǎn)條件下，對視線構(gòu)成遮擋的實(shí)體一般是地形的凸起部分即山峰、山丘，若要消除這類遮擋，首先找出這類遮擋物；對一段被遮擋的道路而言，要消除其遮擋，可以先提取出其遮擋物，然后再將該山丘垂直收縮一定比例，從而消除遮擋；因此，預(yù)先按地形的地貌特征提取出這些凸部分，即按凸部分對地形分塊，地形可視為平面域D上的一個(gè)標(biāo)量場f(x，y)＝z，我們采用Morse理論對地形進(jìn)行分割；(2)分割計(jì)算——采用分水嶺分割算法近似計(jì)算MorseSmale分割對地形而言，可采用分水嶺分割算法近似計(jì)算Morse分割；該算法的思想是，以極小值點(diǎn)為注水點(diǎn)，以此從低處向高處泛洪，來自不同注水點(diǎn)的洪水相遇的邊界即為分水嶺，它計(jì)算的是各積水盆地；為了求凸部分，以地形的相反值作為算法的輸入，以極大值點(diǎn)為起點(diǎn)，從高處向低處擴(kuò)展，得到地形凸部分作為地形MorseSmale分割的近似；在實(shí)際計(jì)算過程中，由于地形上存在高頻噪聲，噪聲中微小的凸起都將作為注水點(diǎn)，所以直接對地形進(jìn)行分水嶺分割會(huì)造成分割過度；這里采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開濾波來實(shí)現(xiàn)；如果濾波結(jié)構(gòu)元素為圓盤，將圓盤半徑設(shè)定為線特征平均線段長度的1/4；(3)參考點(diǎn)的確定為了消除遮擋的變形，需要確定在當(dāng)前視點(diǎn)處，特征被遮擋的部分以及造成特征被遮擋的障礙物，可通過視線追蹤來解決；而對于用戶感興趣的點(diǎn)狀、線狀、面狀特征的可視性及其遮擋物的確定，也可通過視線追蹤來解決；通過指定特征上的參考點(diǎn)，對參考點(diǎn)做視線追蹤，從而確定特征的可視性；直接用視線追蹤確定點(diǎn)狀特征，而對多邊形狀特征只需判定其邊界的可見性；對于線特征，為了令參考點(diǎn)具有代表性，先將線段的端點(diǎn)設(shè)為參考點(diǎn)，再根據(jù)線段長度對道路分段，以分段的端點(diǎn)作為控制點(diǎn)；在實(shí)際工作中，可將大于某閾值長度σ的道路作遞歸二分，以保證分段的長度不大于σ；而其中S為地形分割后各塊的平均面積；步驟二從特征到視點(diǎn)的視線追蹤，獲取并更新變形參數(shù)視線追蹤的目的有兩個(gè)，一是確定參考點(diǎn)的可視性；二是在視線追蹤過程中對遮擋物進(jìn)行標(biāo)記；此外，在視線追蹤時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)參考點(diǎn)被遮擋，可以根據(jù)當(dāng)前光線位置，產(chǎn)生、更新變形控制點(diǎn)和變形參數(shù)；如果在當(dāng)前追蹤位置發(fā)現(xiàn)了遮擋，則對遮擋處所在的塊進(jìn)行變形，而忽略不造成遮擋的塊；為了控制各個(gè)塊的變形，其變形是由一組變形參數(shù)來決定，包括控制點(diǎn)，垂直收縮比例；(1)視線追蹤設(shè)參考點(diǎn)為P(xp，yp，zp)，視點(diǎn)為V(xv，yv，zv)，若視線上存在任意點(diǎn)Q(xq，yq，zq)，使得zq＜f(xq，yq)，則參考點(diǎn)被遮擋，否則參考點(diǎn)可見；其中Q＝(xp，yp，zp)+t×(xvxp，yvyp，zvzp)，0≤t≤1。令視線追蹤從t＝0開始，每進(jìn)行一步，令t＝t+Δt，若發(fā)現(xiàn)參考點(diǎn)被遮擋，則Q所在的分塊S為遮擋物，這時(shí)根據(jù)當(dāng)前Q的高度來更新S的變形參數(shù)，直到t＝1結(jié)束；對所有參考點(diǎn)都做上述視線追蹤，追蹤完成后，可獲知哪些分塊需變形以及相應(yīng)的變形參數(shù)；這里采用從遠(yuǎn)到近的順序?qū)Ω鲄⒖键c(diǎn)做視線追蹤，使得地形壓低是從遠(yuǎn)處到近處確定的，從而避免了重復(fù)變形造成的遮擋；由于遠(yuǎn)處的參考點(diǎn)受到遮擋的可能性較近處參考點(diǎn)更大，則先基于遠(yuǎn)處參考點(diǎn)做光線，最終能找出更多的遮擋，便可及早定義變形，減少了變形之后的地形遮擋數(shù)量，節(jié)省了變形的計(jì)算量；(2)計(jì)算變形為了消除遮擋，將造成遮擋的地形做垂直收縮，令其在視線之下；對于地形T來說，用控制點(diǎn)C和垂直收縮比例k兩個(gè)參數(shù)定義分塊的變形，其變形γ(h)可被定義為γ(h)＝h+k(hhC)(1)假設(shè)對參考點(diǎn)R做視線追蹤而產(chǎn)生的地形TR上，R的位置不變，hR為R的高程，需滿足hR＝γ(hR)＝hR+k(hRhC)(2)為了滿足以上關(guān)系，令控制點(diǎn)C為參考點(diǎn)R；因此，需要確定垂直收縮比例k；要確定k，可根據(jù)視線來更新地形位置以消除遮擋；從參考點(diǎn)R引出的視線上存在某點(diǎn)Q(xq，yq，zq)，Q所對應(yīng)于地形上的點(diǎn)為P(xP，yP，hP)，其中hP＝f(xP，yP)，若hP＞zq，要保證R不被P遮擋，需將P變形為P’(xq，yq，γ(hP))，從而γ(hP)＜zq；由公式(1)可得到，k＝min{(zqhR)/|hPhR|ε，1.0}(3)其中，ε為一個(gè)極小的偏移量，以保證地形在視線的下方；對參考點(diǎn)不可見的情形，有兩種類型(1)參考點(diǎn)處于地形的背面，(2)參考點(diǎn)被地形所遮擋；基于以上變形策略，我們消除類型(1)和類型(2)的遮擋；每個(gè)分塊代表的是一個(gè)可能成為潛在障礙物的凸部分，如果視線追蹤在某點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了遮擋，該點(diǎn)所在的分塊需要變形；對于分塊的變形，存在參考點(diǎn)與遮擋物是否處同一分塊的情況；若參考點(diǎn)與遮擋物在同一分塊上，因?yàn)橹恍枳冃卧斐烧趽醯膮^(qū)域，所以變形只針對深度小于參考點(diǎn)的部分，將該類變形稱為變形I；而對于參考點(diǎn)與遮擋物在不同分塊的情形，可以對整個(gè)分塊做變形，稱其為變形II；在變形I中，一個(gè)分塊中可能有多個(gè)不同的變形，變形的個(gè)數(shù)等于分塊內(nèi)在光線追蹤時(shí)發(fā)現(xiàn)被遮擋的參考點(diǎn)個(gè)數(shù)；分塊I中存在參考點(diǎn)A和B，其中A比B遠(yuǎn)；按照從遠(yuǎn)到近對參考點(diǎn)做視線追蹤的原則，先對A做視線追蹤，若發(fā)現(xiàn)其被遮擋，則計(jì)算分塊I中深度小于A部分gA的變形gAA＝Ω[A](gA)，接著從gAA(B)開始視線追蹤，若發(fā)現(xiàn)其被遮擋，則產(chǎn)生分塊I中深度小于B部分gB的變形在一個(gè)分塊內(nèi)，若存在n個(gè)參考點(diǎn)在視線追蹤時(shí)被遮擋，會(huì)產(chǎn)生n種變形，其中的第k個(gè)參考點(diǎn)RK所產(chǎn)生的變形可表達(dá)為對分塊內(nèi)，處于變形部分上的點(diǎn)P(x，y，z)，其變形后為其中，為深度值大于P，且深度方向上距離P最近參考點(diǎn)，而，<mrow><msub><mi>γ</mi><mi>I</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>h</mi><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mover><mi>C</mi><mo>^</mo></mover></msub><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>-</mo><msub><mi>h</mi><mover><mi>C</mi><mo>^</mo></mover></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>與公式(3)類似，<mrow><msub><mi>k</mi><mover><mi>C</mi><mo>^</mo></mover></msub><mo>=</mo><mi>min</mi><mo>{</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>z</mi><mi>q</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>Γ</mi><mrow><mi>I</mi><mo>,</mo><mi>II</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>h</mi><mover><mi>C</mi><mo>^</mo></mover></msub><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mo>|</mo><mi>h</mi><mo>-</mo><msub><mi>Γ</mi><mrow><mi>I</mi><mo>,</mo><mi>II</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>h</mi><mover><mi>C</mi><mo>^</mo></mover></msub><mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo>-</mo><mi>ϵ</mi><mo>,</mo><mn>1.0</mn><mo>}</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>其中zq為當(dāng)前視線的高度，ΓI，II為變形I和變形II同時(shí)變形的結(jié)果，其值在下面給出；對于變形II，類似于變形I，若變形前地形上某點(diǎn)高程為h，其遮擋物所在分塊的變形可表達(dá)為，γII(h)＝h+k2(hhR)(6)其中，hR為當(dāng)前視線追蹤參考點(diǎn)的高度，如果同時(shí)存在變形I和變形II，先令變形I維持不變，有對于變形I后有變形II的情形，由公式(4)和公式(6)有，γI，II(h)＝γI(h)+k2(γII(h)hR)(8)綜合變形I和變形II，分塊的最終變形可表達(dá)為在實(shí)現(xiàn)時(shí)，記錄變形I和變形II的參數(shù)，分別為控制點(diǎn)及其收縮比例的集合，以及參考點(diǎn)高程hR及其所對應(yīng)的收縮比例k2；在視線追蹤時(shí)被遮擋，則更新變形參數(shù)；步驟三根據(jù)變形參數(shù)，重建變形后的地形對造成遮擋的分塊，ΓI，II所產(chǎn)生的結(jié)果便是消除遮擋后的變形；變形不必加入新的頂點(diǎn)，因此，對多細(xì)節(jié)層次地形模型中的頂點(diǎn)進(jìn)行變形，就可達(dá)到預(yù)期的變形結(jié)果；為了加速可視化的過程，在GPU頂點(diǎn)程序中實(shí)現(xiàn)這種頂點(diǎn)變形的計(jì)算；繪制頂點(diǎn)時(shí)，如果其所在分塊需要變形，將該分塊的變形參數(shù)傳給GPU頂點(diǎn)程序；因變形是基于分塊的，為了增強(qiáng)分塊之間的連續(xù)性，我們對多細(xì)節(jié)層次地形模型中跨分塊的三角面片，采取細(xì)化方法以平滑分塊之間的邊界，加入新頂點(diǎn)和頂點(diǎn)位移的過程都在GPU中完成；首先建立用于細(xì)化的三角網(wǎng)，并在渲染前傳入頂點(diǎn)緩存；為了平滑細(xì)化的三角網(wǎng)，在頂點(diǎn)著色器中采用Bézier多項(xiàng)式計(jì)算頂點(diǎn)格網(wǎng)進(jìn)行位移操作；根據(jù)要細(xì)化的三角面片的頂點(diǎn)坐標(biāo)和頂點(diǎn)法向量，在CPU中計(jì)算獲得Bézier多項(xiàng)式，并在渲染細(xì)化的三角面片時(shí)傳給頂點(diǎn)著色器；為了平行渲染跨分塊和不跨分塊的三角面片，首先以非細(xì)化的方式渲染，遍歷多細(xì)節(jié)層次地形模型，判斷三角面片是否跨分塊，如果跨分塊，便存入一個(gè)數(shù)組中，否則直接渲染三角面片；遍歷完成后，令頂點(diǎn)著色器采用細(xì)化平滑的方式進(jìn)行渲染數(shù)組中的三角面片；但是，細(xì)化和平滑后的三角形會(huì)與無上述操作的三角形之間產(chǎn)生裂縫，我們強(qiáng)制細(xì)化和平滑后的三角形頂點(diǎn)不進(jìn)行位移操作，而只對細(xì)化格網(wǎng)內(nèi)部的頂點(diǎn)做位移操作，達(dá)到消除裂縫的目的。FSA00000286269300021.tif,FSA00000286269300031.tif,FSA00000286269300032.tif,FSA00000286269300033.tif,FSA00000286269300034.tif,FSA00000286269300037.tif,FSA00000286269300041.tif,FSA00000286269300042.tif,FSA00000286269300043.tif全文摘要一種基于導(dǎo)航的交互式無遮擋三維地形圖的生成方法，它有三大步驟步驟一按地貌特征(如凸起的山體)對地形進(jìn)行分塊，設(shè)定用戶感興趣特征上的參考點(diǎn)；步驟二實(shí)現(xiàn)從特征到視點(diǎn)的視線追蹤，在視線追蹤過程中獲取并實(shí)時(shí)計(jì)算和更新變形參數(shù)；步驟三根據(jù)變形參數(shù)，重建變形后的地形。該方法產(chǎn)生的無遮擋三維地形圖可有效的消除復(fù)雜地形所造成的用戶感興趣特征的遮擋。它以視點(diǎn)、觀察方向、地形以及用戶感興趣特征為輸入，直接對地形模型變形生成無遮擋三維地形圖。它在空間信息
技術(shù)領(lǐng)域：
里具有較好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。文檔編號(hào)G06T17/05GK101950435SQ201010294149公開日2011年1月19日申請日期2010年9月27日優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日發(fā)明者張立強(qiáng),鄧浩申請人:北京師范大學(xué)