結(jié)合gpu技術(shù)實(shí)時(shí)流暢繪制出三維地形模型的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于影像處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天科技和遙感技術(shù)的日益成熟，環(huán)繞在近地軌道的偵察衛(wèi)星以及各種 飛行器上所攜帶傳感器的空間分辨率在不斷提高，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)也越來(lái)越精細(xì)準(zhǔn)確。 多種遙感數(shù)據(jù)所匯聚而成的數(shù)據(jù)集是地理空間情報(bào)的重要信息來(lái)源，而其中的遙感影像和 數(shù)字高程則是整個(gè)空間數(shù)據(jù)框架的基礎(chǔ)和根基。在對(duì)這種基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求急速增 長(zhǎng)的前提下，衛(wèi)星遙感影像和數(shù)字高程的數(shù)據(jù)量也跟著日益龐大起來(lái)，如何對(duì)之進(jìn)行有效 管理和利用，成為了遙感數(shù)據(jù)處理和地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域里迫切需要解決的問(wèn)題，特別是發(fā) 布管理和組織調(diào)度海量的遙感信息，在為國(guó)土規(guī)劃、測(cè)繪遙感、軍事交通、水利電力、農(nóng)林環(huán) 保等各種應(yīng)用需求提供地理信息服務(wù)上具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003] 現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展，正在不斷把戰(zhàn)場(chǎng)空間向著多維度、多要素的方向推進(jìn)。面對(duì) 復(fù)雜交錯(cuò)、瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和態(tài)勢(shì)，如何協(xié)助指揮員全面地部署作戰(zhàn)行動(dòng)、準(zhǔn)確地掌握 戰(zhàn)場(chǎng)信息就成了軍事情報(bào)的重要目標(biāo)和內(nèi)容。與此同時(shí)，我們的作戰(zhàn)空間在不斷擴(kuò)展，而地 理空間情報(bào)的發(fā)展卻略顯滯后，早期由于傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展限制，數(shù)據(jù) 的獲取和可視化能力難以達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的要求，二維平面的處理方式可以簡(jiǎn)化空間信息理 解和表達(dá)的過(guò)程，但卻是以犧牲空間信息的真實(shí)性和完整性，尤其是高程信息和三維空間 的拓?fù)潢P(guān)系為代價(jià)的。然而當(dāng)遙感科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的日新月異，使獲取高分辨率 的高程和影像，高效逼真的三維顯示不再是難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)，學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展也都促 使軍事情報(bào)必須彌補(bǔ)其三維表達(dá)能力不足的技術(shù)缺陷。
[0004] 在軍事領(lǐng)域，戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的發(fā)展要求指揮員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的掌握不能再局限于某一固 定區(qū)域或某種特定形式的情報(bào)信息上，想要獲取現(xiàn)代信息化條件下局部戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利，就必 須及時(shí)靈活、全方位地掌控戰(zhàn)場(chǎng)，而能否實(shí)時(shí)準(zhǔn)確清晰全面地展現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的諸多要素，為 指戰(zhàn)員進(jìn)行輔助決策，是軍事情報(bào)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是以全球數(shù)字高程模型為數(shù)據(jù)源，基于當(dāng)前熱門的可編程GPU技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多次繪制時(shí)的緩存復(fù)用，有效地減小了計(jì)算空間負(fù)載的結(jié)合GPU技術(shù)實(shí)時(shí)流暢 繪制出三維地形模型的方法。
[0006] 本發(fā)明的步驟是： 三維地形模型的多分辨率金字塔模型構(gòu)建： ①地形數(shù)據(jù)的預(yù)處理流程：對(duì)原始影像進(jìn)行濾波得到無(wú)噪聲的影像，并構(gòu)建多分辨率 金字塔； I、影像噪點(diǎn)的消除： 噪聲模型符合加性噪聲的特征：
其中，__誠(chéng)為位于影像處的灰度值，為未受噪聲污染的灰度值， 截1_1是獨(dú)立于外^)的隨機(jī)噪聲值，粟為受到噪聲污染的概率； 對(duì)影像進(jìn)行濾波的步驟流程如下： (i)、計(jì)算出整幅圖像的均勻度image_HSV，然后對(duì)整幅圖像的像素進(jìn)行遍歷； 均勻度是衡量影像中噪聲信號(hào)對(duì)比度的參數(shù)，影像窗口^u的均勻度分別定義 如下：
假設(shè)圖像坎小為i/X水影像中任一點(diǎn)1??的灰度值為.!"__，整幅圖像的平均灰 度值average(4^)的計(jì)算公式為：
滑動(dòng)窗口的大小為rXc若窗口中心像素的坐標(biāo)為，灰度值為，則該窗 口內(nèi)的像素平均值average的計(jì)算公式為：
(ii)、統(tǒng)計(jì)當(dāng)前窗口內(nèi)的極大值點(diǎn)像素值iMax，及其個(gè)數(shù)nMax，窗口內(nèi)的像素個(gè)數(shù)sumPixel，以及窗口的塊均勾度wnd_HSV; (m)、判斷當(dāng)前窗口中心像素點(diǎn)鱗痛，的灰度值屬馬_::是否等于窗口內(nèi)像素極大值 iMax，或者窗口均勾度wnd_HSV是否大于影像均勾度image_HSV; (iv)、對(duì)判定為噪聲點(diǎn)的四個(gè)方向進(jìn)行拉格朗日插值；拉格朗日的插值方法為：
其中，ji:表示丨出的函數(shù)值；此處，插值算法是針對(duì)一維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)拓展到 二維影像上時(shí)，取插值像素點(diǎn)(X, 水平、垂直、兩個(gè)對(duì)角線方向共四個(gè)方向上的臨近像 素點(diǎn)進(jìn)行插值，并取其平均值作為最后的插值結(jié)果； ②通過(guò)上述清除噪點(diǎn)后的數(shù)據(jù)構(gòu)建多分辨率金字塔： 金字塔結(jié)構(gòu)是一種多分辨率層次模型，采用倍率方法構(gòu)建，即對(duì)同一地區(qū)，采用一系列 的網(wǎng)格表示，上下相鄰網(wǎng)格的采樣間隔相差相同的比例系數(shù)?，這樣從金字塔自底向上，分 辨率逐層降低，網(wǎng)格尺寸也相應(yīng)減小； 設(shè)原始網(wǎng)格的尺寸為'分辨率為沉，所構(gòu)建的金字塔共有7層，金字塔頂端為第〇層， 那么第々層的網(wǎng)格尺寸s和分辨率r可以表示為：
對(duì)平面投影后的地球按照等經(jīng)煒度進(jìn)行分塊，同時(shí)按照自頂向下的方式，構(gòu)建不同層 次級(jí)別的金字塔層，構(gòu)建的方案如下： (I)地球的煒度跨度為-90°到90°，經(jīng)度跨度為-180°到180°，在投影平面上的寬 高之比恰為2:1，因此四叉樹(shù)在第0級(jí)時(shí)即分為8個(gè)根節(jié)點(diǎn)，橫向縱向跨度均90°，以滿足 等經(jīng)煒度劃分的要求，除此范圍以外的坐標(biāo)值均視為無(wú)效； (II)每層LOD的分辨率之比為2,即子塊的分辨率是其父塊的二倍，相同的地理空間， 子塊的像素尺寸是上一級(jí)的2倍，而在相同的屏幕分辨率下，父塊覆蓋的地理空間面積是 子塊的4倍； (III) 每層的塊序列采用簡(jiǎn)單的行列編碼，下一層與上一層之間的塊數(shù)之比、每層橫向 與縱向的塊數(shù)之比均為2:1，按照計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系的習(xí)慣，起點(diǎn)定義在左上角，行編號(hào)由 上至下，列編號(hào)從左到右；第〇層的分塊數(shù)是4X2,第k-Ι層的分塊數(shù)是2Wx2fc ; (IV) 每個(gè)分塊中包含了對(duì)應(yīng)地理位置的DEM數(shù)據(jù)，其分辨率尺寸必須是奇數(shù)，即
(V) 金字塔的底層為最高分辨率，直接從原始數(shù)據(jù)中獲得，其所在的LOD層級(jí)由其自身 分辨率與所屬范圍決定；每個(gè)地形塊對(duì)應(yīng)的紋理數(shù)據(jù)和法向數(shù)據(jù)分辨率必須要高于DEM的 分辨率，以保證插值平滑，避免渲染失真；假設(shè)某一層DEM分辨率為r，這里把它們的分辨率 定義為
；得到了全球規(guī)模的金字塔模型。
[0007] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合GPU技術(shù)實(shí)時(shí)流暢繪制出三維地形模型的方法，其特 征在于：基于GPU的流水線繪制增強(qiáng)技術(shù)，上述全球規(guī)模的金字塔模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制： 利用著色器語(yǔ)言將高程的頂點(diǎn)信息和索引信息分開(kāi)存儲(chǔ)，并作為紋理數(shù)據(jù)一次性傳入 顯存； a、 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與組織： 采用ChunkedL0D算法構(gòu)建了塊狀四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)，即不再以單個(gè)頂點(diǎn)或三角形為處理單 元，而是以包括紋理貼圖在內(nèi)的網(wǎng)格模型，將三角形打包成條帶一次性完成渲染，充分利用 GHJ的批處理能力； b、 緩存的復(fù)用：采用Geo-Clipmap所使用的方法，同一層中的頂點(diǎn)坐標(biāo)（w)均進(jìn)行 同樣的變換； c、 金字塔模型的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制：分為兩類，一種是靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，另一種是動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)； I、靜態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)渲染：即在預(yù)處理過(guò)程中通過(guò)采樣獲取同一區(qū)域不同分辨率節(jié)點(diǎn)，在 渲染時(shí)，通過(guò)將對(duì)應(yīng)分辨率的節(jié)點(diǎn)調(diào)入顯存中直接進(jìn)行渲染； ① 環(huán)狀取址的位運(yùn)算： 使用一個(gè)固定大小的網(wǎng)格緩存獲取四叉樹(shù)中任意節(jié)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)定偏移 地址和地理空間跨度，渲染整個(gè)地形空間；在加入視椎裁剪之前，取視點(diǎn)垂直向下，視點(diǎn) 的可視范圍是一個(gè)λΧλ固定大小的像素網(wǎng)格，根據(jù)視點(diǎn)所在的金字塔層級(jí)Λ得到該 層中每個(gè)像素所代表的地理空間分辨率zj=:2^xiirxi?，其中^示地球半徑，用
表示視點(diǎn)投影在地形平面上的位移，那么視點(diǎn)在平面上移動(dòng)的像素 距離表示為
視場(chǎng)所覆蓋的像素范圍由
表亦； 移出視場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)被第一次進(jìn)入視場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)代替，其余節(jié)點(diǎn)不動(dòng)，這樣就完成了增量更 新，對(duì)于視場(chǎng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)(X, 7)，其在節(jié)點(diǎn)數(shù)組中存儲(chǔ)的位置為
:，其中"mod"表示求模運(yùn)算； ② 誤差度量的確定： 采用ChunkedL0D的誤差度量計(jì)算方式，S卩從葉子節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，沿著四叉樹(shù)向上逐層計(jì)算 節(jié)點(diǎn)的誤差，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的誤差度量:?為其四個(gè)子節(jié)點(diǎn)的:?:的最大值加上其本身的誤差度 量& 的計(jì)算法如下：
(3. 6) 這樣，屏幕空間誤差大于閾值時(shí)，選擇繼續(xù)向下尋找誤差更小的節(jié)點(diǎn)，直至滿足要求或 者到達(dá)葉子節(jié)點(diǎn)； ③可見(jiàn)性剔除： 視點(diǎn)較近時(shí)的剔除方法： 當(dāng)視點(diǎn)距離地形較近時(shí)，采用包圍盒與視椎體進(jìn)行相交測(cè)試，即通過(guò)包圍盒的特征點(diǎn) 與視椎體的6個(gè)平面依次求交，以確定這些特征點(diǎn)是否屬于平面正向的那半個(gè)空間或者與 平面相交；視椎的6個(gè)平面由方程
決定，其中向量：
I示該平面 的法向量，數(shù)值Λ表示平面與原點(diǎn)的距離；包圍盒的9個(gè)特征點(diǎn)由8個(gè)角點(diǎn)和一個(gè)中心點(diǎn) 組成，通過(guò)比較包圍盒的特征點(diǎn)即可判斷地形網(wǎng)格的可見(jiàn)性，取size等于包圍盒的斜對(duì)角 線長(zhǎng)的一半； 視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)的剔除方法： 當(dāng)視點(diǎn)遠(yuǎn)離地形時(shí)，利用節(jié)點(diǎn)與視點(diǎn)的距離系數(shù)進(jìn)行判斷，定義距離系數(shù)大小為節(jié)點(diǎn) 包圍盒所代表的實(shí)際距離，在投影平面長(zhǎng)度i與包圍盒距投影平面上的距離逍之比，即
取視點(diǎn)坐標(biāo)'
)，包圍盒中心坐標(biāo)為
，則視點(diǎn)到地面的 方向向里ν·
" ~; 設(shè)包圍盒的8個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為
±點(diǎn)0與#行的直線方程為：
視椎體的近剪切面作為投影平面，與方向向量《?垂直，設(shè)其平面方程為
聯(lián)立上述兩個(gè)方程即可求得朽在上述平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)：朽_為
計(jì)算出所有8個(gè)頂點(diǎn)的后，取8個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)中的極大極小值」，.箱觀::..參:，
判定時(shí)，在視點(diǎn)高度大于設(shè)定閾值時(shí)，若節(jié)點(diǎn)包圍盒的a值小于1，即在投影平面上大 小不足一個(gè)像素時(shí)，即可認(rèn)為不可見(jiàn)，不再渲染，否則繼續(xù)渲染該節(jié)點(diǎn)； ④縫隙消除與幾何過(guò)渡： 在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)篩選前，首先計(jì)算每個(gè)LOD層級(jí)所覆蓋的地理范圍，以便渲染時(shí)在視窗平 面上產(chǎn)生顆粒度近似一致的三角形數(shù)量； 設(shè)每層LOD的起始距離為siari,，i表示當(dāng)前LOD所在的層級(jí)，其所覆蓋的距離范圍為 而視點(diǎn)到當(dāng)前LOD任意一個(gè)頂點(diǎn)的距離為則當(dāng)前的過(guò)渡區(qū)域 以及該頂點(diǎn)的過(guò)渡系數(shù)々為：
獲得過(guò)渡系數(shù)后，定義頂點(diǎn)所在網(wǎng)格尺寸為所在的四叉樹(shù)深度為Λ頂點(diǎn)在網(wǎng)格 內(nèi)歸一化的坐標(biāo)為，則網(wǎng)格尺寸相對(duì)于世界坐標(biāo)下的實(shí)際距離放縮值aa心以及 過(guò)渡后的坐標(biāo)由如下公式求得：
其中，^表示取:疋:的小數(shù)部分； 最終，頂點(diǎn)坐標(biāo)會(huì)從變換到的位置，它對(duì)應(yīng)的高程通過(guò)雙線性插值獲 得； II、動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)：是在四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)延伸至葉子節(jié)點(diǎn)時(shí)，仍不能滿足視點(diǎn)閾值的需求，由GPU實(shí)時(shí)計(jì)算生成并加入四叉樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)； 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的生成： ①地形模型的細(xì)分：細(xì)分是在四邊形網(wǎng)格的原始頂點(diǎn)上根據(jù)細(xì)分掩膜插入面點(diǎn)和邊 點(diǎn)，并與原始頂點(diǎn)連接成新的四邊形，生