本發(fā)明涉及計算機仿真技術(shù)領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實，地理信息，特別涉及一種對困難場景實時繪制的方法。

背景技術(shù)：

大規(guī)模場景實時繪制，是利用計算機進行三維場景的實時顯示。在飛行仿真、戰(zhàn)場仿真、城市規(guī)劃和三維戶外游戲等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，是計算機圖形學和虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的研究熱點。但是對于大規(guī)模場景，由于三角形數(shù)目巨大，即使是高性能的圖形加速卡，也不能滿足實際的需求。

隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)獲取的數(shù)量正以前所未有的速度增長。從數(shù)字城市到數(shù)字中國再到數(shù)字地球，場景數(shù)據(jù)呈幾何級數(shù)增長，海量場景數(shù)據(jù)的廉價獲取已成為可能。由于計算機內(nèi)存的大小是有限的，海量場景數(shù)據(jù)無法被一次性載入內(nèi)存進行實時渲染。因此，如何開發(fā)數(shù)據(jù)的內(nèi)、外存調(diào)度技術(shù)，減少載入內(nèi)存的場景數(shù)據(jù)，并將調(diào)度技術(shù)與LOD技術(shù)和可見性剔除結(jié)合起來，是三維場景漫游系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)及仿真系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)，其特征在于，該技術(shù)包含以下步驟：

步驟1：場景數(shù)據(jù)的分塊：在離線預處理過程中，對場景數(shù)據(jù)進行分塊和編號；

步驟2：場景數(shù)據(jù)的實時調(diào)度及高速處理；

步驟3：對場景調(diào)度數(shù)據(jù)進行實時的繪制和渲染。

進一步的根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)，其特征在于，場景數(shù)據(jù)的分塊包括：

在離線預處理過程中，首先要對場景數(shù)據(jù)進行分塊和編號；

根據(jù)需要，實時動態(tài)的調(diào)入和釋放相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源，對場景進行分塊處理，減少場景分塊大小對最后渲染速度的影響；控制每次讀取的數(shù)據(jù)塊為4kb或其整數(shù)倍，將每塊場景的大小設(shè)為257×257；將場景進行分塊之后，進行編號，利用每塊場景的坐標來計算場景塊的索引。

進一步的根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)，其特征在于，場景數(shù)據(jù)的實時調(diào)度及高速處理包括：

場景分塊的調(diào)度：采用基于視點的場景數(shù)據(jù)調(diào)度方法，利用視點的位置、方向來判斷所需載入的場景數(shù)據(jù)和釋放的場景數(shù)據(jù)；

場景的LOD簡化：場景載入內(nèi)存后，經(jīng)LOD和視域剔除進行簡化滿足實時渲染的需求；

避免裂縫方法：在預處理階段，事先為每個Patch建立不同LOD級別的三角形索引，在實時渲染時只檢查與每個Patch相鄰的4個Patch，使之LOD級別相差在1之內(nèi)，最后采用相應(yīng)的索引進行渲染；

視域剔除技術(shù)：將場景區(qū)域中大部分對于觀察視點不可見，不需渲染的圖像信息進行裁剪，提高渲染速度。

進一步的根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)，其特征在于，場景的LOD簡化包括：

場景被載入內(nèi)存之后，進行簡化滿足實時渲染的需求：將場景塊分成“Patch”，每個“Patch”水平與垂直方向上各具有個高程點；最高層次分辨率繪制所有的高程點，最低層次的分辨率只繪制Patch角上的四個高程點；在預處理階段，事先建立好場景查找表后，在實時渲染時根據(jù)視點與場景塊的距離d選擇合適的細節(jié)層次；將每塊Patch的大小設(shè)為17×17個點，同時Patch的LOD級別為4級。

進一步的根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)，其特征在于，對場景調(diào)度數(shù)據(jù)進行實時的繪制和渲染時采用視域剔除方法，該方法不考慮視錐體的三個裁剪平面：近裁剪平面和上下裁剪平面，保留視錐體的遠裁剪平面和左、右裁剪平面；將視錐體投影到x-z平面上，可形成投影三角形，以場景分塊為最小單元進行視域剔除。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景仿真系統(tǒng)，其特征在于，該仿真系統(tǒng)包括：

分塊數(shù)據(jù)模型：大規(guī)模場景繪制采取基于九宮格結(jié)構(gòu)，完成原始場景均勻分塊；

多分辨率層次構(gòu)造：在完成原始場景均勻分塊基礎(chǔ)上，為滿足實時繪制的需要，該系統(tǒng)采用自頂向下的九宮格剖分方法生成場景塊的層次模型；

基于視域擴展的數(shù)據(jù)預取及調(diào)度策略：在控制數(shù)據(jù)量同時，減少視點運動趨勢隨機性所帶來影響，包含不同動趨勢下可能顯示范圍；

構(gòu)建場景模型：獲取場景數(shù)據(jù)，加載紋理數(shù)據(jù)，并對紋理進行處理；

將獲得的場景數(shù)據(jù)導入，添加地理信息，生成三維場景模型；將處理好的紋理圖片進行配準處理，最后與生成的三維場景模型進行疊加。

進一步的根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景仿真系統(tǒng)，其特征在于，分塊數(shù)據(jù)模型包括：

場景的初始分辨率為r₀，第l層的分辨率為r₁；在進行場景繪制時，離視點遠的區(qū)域與離視點近的區(qū)域采用不同的分辨率，九宮格的中間一格采用高分辨率，依次向外不斷降低LOD層次視點中心塊與九宮格的中間一格重合，多分辨率的變換都集中在周圍八格。

進一步的根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景仿真系統(tǒng)，其特征在于，基于視域擴展的數(shù)據(jù)預取及調(diào)度策略包括：

在每一幀中將地域覆蓋區(qū)域覆蓋區(qū)域分為視域、視域擴展、可視區(qū)域、調(diào)度區(qū)域以及預加載區(qū)域；視域擴展相交的場景分塊構(gòu)成調(diào)度區(qū)域，用集合N表示調(diào)度區(qū)域包含的分塊集合，其數(shù)據(jù)被載入內(nèi)存中；對應(yīng)的場景分塊集合為預加載區(qū)域，代表當前幀需要預先加載到內(nèi)存的場景數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不需要立即繪制，而是對下一幀的預測，是與當前幀視點的運動速度和方向相關(guān)的可變量，利用的變化實現(xiàn)對視域擴展范圍的動態(tài)調(diào)整；以此得到視域擴展和視域的范圍，與視域擴展不相交的場景塊直接剔除。

有益效果

本發(fā)明基于動態(tài)調(diào)度技術(shù)，提出一種高效的大規(guī)模場景實時組織與調(diào)度技術(shù)及仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)對海量場景數(shù)據(jù)進行分塊，在實時運行時，根據(jù)視點的位置動態(tài)地載入所需的場景塊和釋放無用的場景塊，使得內(nèi)存中的場景數(shù)據(jù)維持在一定范圍內(nèi)。通過LOD(Levels of Detail)技術(shù)和視域，剔除對內(nèi)存中的場景數(shù)據(jù)進行簡化，大量減少送入GPU(Graphic Processing Unit)的三角形數(shù)量，從而達到實時仿真渲染。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為本發(fā)明用于面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)框架；

圖2為本發(fā)明用于面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)場景分塊方法中場景塊的分布示意。

圖3為本發(fā)明用于面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)中裂縫避免技術(shù)中，Patch拼接時幾何裂縫問題的消除示意圖。

圖4為本發(fā)明一種面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景仿真系統(tǒng)中分段式實時繪制場景流程圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

圖1為本發(fā)明一個方面的用于面向?qū)崟r繪制的大規(guī)模場景組織與調(diào)度技術(shù)框架。

其中，本實施例的方法主要通過計算機設(shè)備來實現(xiàn)；所述計算機設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和用戶設(shè)備；所述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括但不限于單個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、多個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成的服務(wù)器組或基于云計算(Cloud Computing)的由大量計算機或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器構(gòu)成的云，云計算是分布式計算的一種，由一群松散耦合的計算機集組成的一個超級虛擬計算機；所述用戶設(shè)備包括但不限于PC機、平板電腦、智能手機、PDA、IPTV等；所述計算機設(shè)備所處的網(wǎng)絡(luò)。

需要說明的是，所述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、用戶設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)僅為舉例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的計算設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)如可適用于本發(fā)明，也應(yīng)包含在本發(fā)明保護范圍以內(nèi)，并以引用方式包含于此。

場景數(shù)據(jù)的分塊。在離線預處理過程中，對場景數(shù)據(jù)進行分塊和編號，以便于動態(tài)調(diào)度。

場景數(shù)據(jù)的分塊包括：

在離線預處理過程中，首先要對場景數(shù)據(jù)進行分塊和編號，以便于動態(tài)調(diào)度。

根據(jù)需要，實時動態(tài)的調(diào)入和釋放相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源。對場景進行分塊處理。減少場景分塊大小對最后渲染速度的影響。該技術(shù)控制每次讀取的數(shù)據(jù)塊為4kb或其整數(shù)倍。將每塊場景的大小設(shè)為257×257。將場景進行分塊之后，進行編號。利用每塊場景的坐標來計算場景塊的索引?？梢匝杆俑鶕?jù)視點的位置計算出所需的場景的索引。

場景數(shù)據(jù)的實時調(diào)度及高速處理包括：

場景分塊的調(diào)度。該技術(shù)采用一種基于視點的場景數(shù)據(jù)調(diào)度方法，利用視點的位置、方向來判斷所需載入的場景數(shù)據(jù)和釋放的場景數(shù)據(jù)。

場景的LOD簡化。場景載入內(nèi)存后，需經(jīng)LOD技術(shù)和視域剔除進行簡化以滿足實時渲染的需求。

避免裂縫技術(shù)。該技術(shù)在預處理階段，事先為每個Patch建立不同LOD級別的三角形索引，在實時渲染時只要檢查與每個Patch相鄰的4個Patch，使之LOD級別相差在1之內(nèi)，最后采用相應(yīng)的索引進行渲染。

視域剔除技術(shù)。該技術(shù)將場景區(qū)域中大部分對于觀察視點不可見，不需渲染的圖像信息進行裁剪，提高渲染速度。

場景分塊的調(diào)度包括：

場景數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度。該技術(shù)采用一種基于視點的場景數(shù)據(jù)調(diào)度方法，利用視點的位置、方向判斷載入的場景數(shù)據(jù)和釋放的場景數(shù)據(jù)，將實際駐留在內(nèi)存中的場景區(qū)域分為可見區(qū)域和可見區(qū)域擴展。

提供一種調(diào)度策略，簡單高效，降低屬于磁盤調(diào)度延遲。程序初始化時，根據(jù)視點的位置讀取以視點為中心的塊場景數(shù)據(jù)，用數(shù)組標記好讀入內(nèi)存的各場景塊的索引。使內(nèi)存中的數(shù)據(jù)具有重用性。隨視點的移動，動態(tài)釋放不可見的子塊和調(diào)入新的子塊。

根據(jù)視點的位置讀取以視點為中心的m×m塊場景數(shù)據(jù)，假設(shè)視點的位置為(x，z)，目前所處的場景塊為(i，j)，其中心坐標為(x_i,z_j)，則當前內(nèi)存中的場景塊所覆蓋的范圍為時，這里以x方向為例來判斷所需載入和釋放的場景數(shù)據(jù)，z方向類似，則調(diào)度過程為：

當視點仍在該場景塊內(nèi)時，不用進行數(shù)據(jù)調(diào)度；

當視點的可視范圍已經(jīng)移動到了場景塊邊界時，需要載入新的場景塊，同時釋放視點身后的場景塊；

當視點已經(jīng)移動到了場景塊外時，需要載入新的場景塊，同時釋放的已載入的全部場景塊。

場景的LOD簡化包括：

場景被載入內(nèi)存之后，進行簡化滿足實時渲染的需求。LOD技術(shù)和視域剔除是簡化場景的主要方法。將場景塊分成“Patch”，每個“Patch”水平與垂直方向上各具有個高程點。最高層次分辨率繪制所有的高程點，最低層次的分辨率只繪制Patch角上的四個高程點。在預處理階段，事先建立好場景查找表后，就可以在實時渲染時根據(jù)視點與場景塊的距離d選擇合適的細節(jié)層次。將每塊Patch的大小設(shè)為17×17個點，同時Patch的LOD級別為4級。

對場景調(diào)度數(shù)據(jù)進行實時的繪制和渲染包括：視域剔除技術(shù)。該技術(shù)不考慮視錐體的三個裁剪平面:近裁剪平面和上下裁剪平面，保留視錐體的遠裁剪平面和左、右裁剪平面。將視錐體投影到x-z平面上，可形成投影三角形，以場景分塊為最小單元進行視域剔除。充分優(yōu)化處理數(shù)據(jù)量巨大時渲染速度緩慢問題。

分塊數(shù)據(jù)模型。大規(guī)模場景繪制本方法基于九宮格結(jié)構(gòu)，完成原始場景均勻分塊。

多分辨率層次構(gòu)造。在完成原始場景均勻分塊的基礎(chǔ)上，為滿足實時繪制的需要，該系統(tǒng)采用自頂向下的九宮格剖分方法生成場景塊的層次模型。

基于視域擴展的數(shù)據(jù)預取及調(diào)度策略。本仿真系統(tǒng)在控制數(shù)據(jù)量的同時，減少視點運動趨勢隨機性所帶來影響，包含不同動趨勢下可能顯示范圍。

構(gòu)建場景模型。獲取場景數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)從外存中加載紋理數(shù)據(jù)，并對紋理進行特殊高效處理。將獲得的場景數(shù)據(jù)導入，添加地理信息，生成三維場景模型。將處理好的紋理圖片進行配準處理，最后與生成的三維場景模型進行疊加。

分塊數(shù)據(jù)模型包括：

當場景的初始分辨率為r₀，第l層的分辨率為r₁，且r₁＝r₀×3。在進行場景繪制時，離視點遠的區(qū)域與離視點近的區(qū)域采用不同的分辨率，虛線圓所在的區(qū)域(即九宮格的中間一格)需要較高分辨率，依次向外不斷降低LOD層次視點中心塊與九宮格的中間一格重合，多分辨率的變換都集中在周圍八格。

多分辨率層次構(gòu)造包括：

根據(jù)視點位置變化情況，實時的分裂以及合并地形三角形網(wǎng)格，用最優(yōu)化的動態(tài)分辨率來描述連續(xù)的地形表面。引入兩個三角形隊列來進行分裂以及合并的工作，一個隊列記錄當前地形中被繪制的所有三角形，另外一個隊列記錄當前繪制地形中全部可以合并的矩形。本系統(tǒng)在繪制每一幀的三角形網(wǎng)格時以前一幀的輸出為基礎(chǔ)，對狀態(tài)改變的三角形才會被重新計算，沒有改變的三角形不會被重復加入繪制三角形的隊列。此繪制方法的運算效率較高，十分適合于場景的實時可視化。

將初始輸入數(shù)據(jù)分割成若干等腰直角三角形，建立一個三角形的二叉樹結(jié)構(gòu)。將地形塊作為一個矩形，從對角線剖開分割成為兩個相同的等腰直角三角形，以兩個等腰直角三角形作為根節(jié)點加入到三角形二叉樹。為根節(jié)點的一個等腰直角三角形，將三角形的直角頂點與斜邊的中點相連，按連接線分割三角形形成兩個小等腰直角三角形，在三角形二叉樹中它們就作為子節(jié)點。對所有的三角形按照上述方法遞歸的分裂下去，直到滿足需要的精度為止，最后就生成了一個完整的三角形二叉樹結(jié)構(gòu)。在三角形被分裂形成了5個細節(jié)層次的地形模型，地形表面表現(xiàn)精細。

在生成等腰直角三角形二叉樹結(jié)構(gòu)的過程中會存在特定的三角形鄰接關(guān)系。三角形是兩個相鄰的三角形，而且他們的鄰接邊是自身的斜邊。因為使用的是規(guī)則網(wǎng)格，所以三角形與—定可以構(gòu)成一個矩形。當三角形與分別進行斜邊二等分后，他們所得到的四個子三角形就可以一起組成一個可以合并的矩形，定義該矩形的作用是進行合并操作。

基于視域擴展的數(shù)據(jù)預取及調(diào)度策略包括：

本系統(tǒng)在每一幀中將地域覆蓋區(qū)域覆蓋區(qū)域分為視域、視域擴展、可視區(qū)域、調(diào)度區(qū)域以及預加載區(qū)域。視域擴展相交的場景分塊構(gòu)成調(diào)度區(qū)域，用一個總集合表示調(diào)度區(qū)域各個包含的分塊集合，集合中數(shù)據(jù)應(yīng)被載入內(nèi)存中；對應(yīng)的場景分塊集合為預加載區(qū)域，代表當前幀需要預先加載到內(nèi)存的場景數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不需要立即繪制，而是對下一幀的預測。是與當前幀視點的運動速度和方向相關(guān)的可變量，利用的變化實現(xiàn)對視域擴展范圍的動態(tài)調(diào)整。以此得到視域擴展和視域的范圍，與視域擴展不相交的場景塊直接剔除。

基于視域擴展的數(shù)據(jù)預取及調(diào)度策略包括：

誤差機制。原始地形模型時會產(chǎn)生幾何誤差，在二維空間中看，這個幾何誤差是非單調(diào)函數(shù)。本系統(tǒng)用誤差邊界體代替了精確的誤差。對于每一個三角形均計算它的誤差邊界體，將其作為一個世界坐標中的包圍盒，囊括了該三角形的所有頂點。將三角形的邊界體投影到平面上會有一個厚度，描述該三角形的幾何誤差，其葉子節(jié)點的邊界體厚度為0。一個父三角形的邊界體厚度取決于它的兩個子三角形的邊界體厚度。

實時場景繪制。本系統(tǒng)控制計算代價，研究更為有效的細裁剪策略能有效提高繪制速度。在場景繪制中，使用高效合理的裂縫修補方法對不同分辨率場景塊處理。

實時場景繪制包括：

預處理階段。本系統(tǒng)對原始高程數(shù)據(jù)進行分塊處理，將其劃分為大小相同的場景子塊；然后為每個場景子塊建立四叉樹結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建出與視點無關(guān)的多分辨率層次結(jié)構(gòu)；采用塊內(nèi)無冗余數(shù)據(jù)存儲方法，有效降低外存中高程數(shù)據(jù)的冗余，生成索引文件，便于繪制時快速獲取相應(yīng)層次中頂點高程數(shù)據(jù)。

實時繪制階段。本系統(tǒng)利用新型多線程機制使數(shù)據(jù)調(diào)度與繪制同時進行，主線程首先利用基于視域擴展的數(shù)據(jù)預取策略確定需要調(diào)度的場景塊，以視錐為基礎(chǔ)采用細裁剪策略為需要繪制的場景數(shù)據(jù)構(gòu)建連續(xù)LOD模型，通過索引文件快速獲取頂點高程數(shù)據(jù)；子線程實現(xiàn)基于外存數(shù)據(jù)調(diào)度以及數(shù)據(jù)卸載。

需要注意的是，本發(fā)明可在軟件和/或軟件與硬件的組合體中被實施，例如，本發(fā)明的各個裝置可采用專用集成電路(ASIC)或任何其他類似硬件設(shè)備來實現(xiàn)。在一個實施例中，本發(fā)明的軟件程序可以通過處理器執(zhí)行以實現(xiàn)上文所述步驟或功能。同樣地，本發(fā)明的軟件程序(包括相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))可以被存儲到計算機可讀記錄介質(zhì)中，例如，RAM存儲器，磁或光驅(qū)動器或軟磁盤及類似設(shè)備。另外，本發(fā)明的一些步驟或功能可采用硬件來實現(xiàn)，例如，作為與處理器配合從而執(zhí)行各個步驟或功能的電路。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。