基于大規(guī)模場(chǎng)景地形數(shù)據(jù)可視化方法研究?

施松波

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，虛擬戰(zhàn)場(chǎng)的提出和應(yīng)用推動(dòng)了軍事仿真演練的發(fā)展，為推動(dòng)軍事仿真訓(xùn)練和演練技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成虛擬作戰(zhàn)自然環(huán)境，并在保證其一致性的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將分布在不同地域的虛擬武器仿真平臺(tái)聯(lián)入該自然環(huán)境中，進(jìn)行戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)等想定演練的分布式交互仿真應(yīng)用環(huán)境［1］。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建立在數(shù)字地圖的基礎(chǔ)上，在大區(qū)域虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境研究中，需要大規(guī)模的地理數(shù)據(jù)源作為基礎(chǔ)，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢(xún)、分發(fā)等操作，因此三維地形數(shù)據(jù)模型和可視化是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中最核心和最關(guān)鍵的技術(shù)。目前，這方面的研究己經(jīng)成為數(shù)字地球、地理信息系統(tǒng)（GIS），數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等領(lǐng)域的核心內(nèi)容。本論文的研究目標(biāo)就是通過(guò)高效地組織地形數(shù)據(jù)，保證在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形的無(wú)縫漫游和場(chǎng)景的高度真實(shí)感顯示［2］。

2 技術(shù)架構(gòu)

Google Earth、World Wind、SkylineGlobe、EV－Globe、GeoGlobe是國(guó)內(nèi)外技術(shù)成熟的地形數(shù)據(jù)處理商業(yè)軟件，雖然提供了簡(jiǎn)單的二次開(kāi)發(fā)函數(shù)接口或部分開(kāi)源代碼，支持用戶(hù)將本地?cái)?shù)據(jù)和模型加載到數(shù)字地球模型等簡(jiǎn)單的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中。但也存在許多不足之處，比如只能使用單一的軟件默認(rèn)的數(shù)字地球數(shù)據(jù)，無(wú)法集成不同格式數(shù)字地球數(shù)據(jù)；開(kāi)發(fā)模式簡(jiǎn)單，無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)多方面需求，不夠靈活；渲染效率低、傳輸效率低［3］。

本文選擇開(kāi)源數(shù)字地球軟件osgEarth進(jìn)行大規(guī)模場(chǎng)景數(shù)據(jù)的組織管理與可視化。OpenScene－Graph（OSG）是一個(gè)高性能的開(kāi)源三維圖形引擎，它以O(shè)penGL為底層平臺(tái)，使用C＋＋編寫(xiě)而成，可以運(yùn)行于各種主流操作系統(tǒng)，其功能特性涵蓋了大規(guī)模場(chǎng)景的分頁(yè)支持，多線(xiàn)程、多顯示的渲染，粒子系統(tǒng)與陰影，各種文件格式的支持，以及對(duì)Java、Perl、Python等語(yǔ)言的封裝［4］。OSG 廣泛應(yīng)用于虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和工程可視化等領(lǐng)域。osgEarth［1］是一個(gè)基于OSG開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)地形模型加載和渲染工具，它可以直接從網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器端讀取數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地進(jìn)行處理和顯示［5］。它支持WMS、WCS、TMS等多種地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器端，自己則作為一個(gè)不斷獲取和解析數(shù)據(jù)的客戶(hù)端，它還可以和Google map、Yahoo map、ArcGIS Online等數(shù)字地球服務(wù)器建立連接并從中獲取所需要的數(shù)據(jù)。

大規(guī)模場(chǎng)景數(shù)據(jù)的組織管理與可視化可以分為四個(gè)層次：osgEarth讀取數(shù)據(jù)、創(chuàng)建數(shù)字地球虛擬場(chǎng)景、動(dòng)態(tài)調(diào)度和虛擬場(chǎng)景漫游，大規(guī)模場(chǎng)景可視化流程圖如圖1所示。

圖1 大規(guī)模場(chǎng)景可視化流程圖

osgEarth讀取數(shù)據(jù)：osgEarth本身包含了獲取多種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的各種插件，通過(guò)這些插件，osgEarth可以直接從網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，包括WMS，WCS，TMS等多種地圖數(shù)據(jù)服務(wù)器，各種數(shù)字地球數(shù)據(jù)如Google Earth、World Wind、ArcGIS Online、MapServer和ESRI ArcGIS Server發(fā)布的GIS數(shù)據(jù)等，作為虛擬場(chǎng)景的建模數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建數(shù)字地球虛擬場(chǎng)景：處理本地影像數(shù)據(jù)和三維模型，以加快后續(xù)的數(shù)據(jù)讀取和渲染速度。然后在底圖上疊加本地?cái)?shù)據(jù)以增加虛擬場(chǎng)景的細(xì)節(jié)和層次。并進(jìn)行一定的交互開(kāi)發(fā)，比如漫游、查詢(xún)、標(biāo)繪、量測(cè)等功能。

· 動(dòng)態(tài)調(diào)度：利用磁盤(pán)緩存技術(shù)對(duì)本地磁盤(pán)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，利用內(nèi)存緩存技術(shù)管理場(chǎng)景數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)緩存，負(fù)責(zé)緩存數(shù)據(jù)的管理和調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景圖的動(dòng)態(tài)管理和場(chǎng)景數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)加載和卸載。

· 場(chǎng)景漫游：用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取建設(shè)好的虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)，從而可以漫游虛擬場(chǎng)景并進(jìn)行一些交互來(lái)獲取一定的信息。

3 關(guān)鍵技術(shù)

由于三維對(duì)象的渲染要消耗很多的系統(tǒng)資源，所以對(duì)大量精細(xì)三維對(duì)象的渲染速度會(huì)比較慢［6］，為了解決這一困難，采用細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)，即對(duì)三維對(duì)象進(jìn)行分層管理，在遠(yuǎn)端觀察地球時(shí)對(duì)象較多采用顆粒度較大的粗糙模型，在近端觀察地球時(shí)對(duì)象較少采用顆粒度較小的精細(xì)模型，這樣既能滿(mǎn)足從遠(yuǎn)至近從模糊到清晰的視覺(jué)效果，又能極大地提高系統(tǒng)的效率。當(dāng)用戶(hù)視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，視點(diǎn)范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)就應(yīng)該加載，距離視點(diǎn)很遠(yuǎn)或在視域范圍之外的數(shù)據(jù)就可以暫時(shí)卸載。

3.1 地形數(shù)據(jù)組織

osgEarth采用動(dòng)態(tài)四叉樹(shù)LOD方式進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的組織［7］如圖2所示，圖中每一個(gè)正方形為四叉樹(shù)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存了中心點(diǎn)的高度及瓦片寬度。地形數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)地劃分為不同LOD層次瓦片序列，基于視點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分頁(yè)、調(diào)度和渲染。整個(gè)地形場(chǎng)景是一棵瓦片化地四叉樹(shù)，四叉樹(shù)低層次（低經(jīng)度）的影像是從高層次（高精度）的影像上實(shí)時(shí)重采樣獲取的。

圖2 多分辨率地形四叉樹(shù)表示示意圖

瓦片的大小：長(zhǎng)與寬是2的N此冪，DOM通常采用128×128（pixel）或256×256（pixel）；DEM通常采用16×16（pixel）或32×32（pixel）。瓦片的格式：DOM一般采用png、jpg格式；DEM一般采用tiff格式。瓦片代理的地理范圍：每一層中的各個(gè)瓦片所表示的地理范圍相同，不同層的瓦片所表示的地理范圍不同。第0層中瓦片表示的地理范圍為180°×180°，第1層中瓦片表示的地理范圍為90°×90°，第2層中瓦片表示的地理范圍為45°×45°，依次類(lèi)推。瓦片標(biāo)志：每一層中的瓦片是以行、列坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)志。瓦片文件組織：針對(duì)某個(gè)DOM（或DEM），其瓦片文件以分級(jí)的一系列文件夾來(lái)組織，文件夾結(jié)構(gòu)為：頂層目錄＼層目錄＼列目錄＼tiles文件。瓦片索引：由于每一個(gè)瓦片都有對(duì)應(yīng)的地理范圍，并且都有相應(yīng)的索引號(hào)（層、行、列），在三維場(chǎng)景中進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽時(shí)，可以根據(jù)視點(diǎn)的可視范圍確定需要調(diào)用的瓦片。

osgEarth提供了一系列插件，用于實(shí)時(shí)地進(jìn)行全球數(shù)據(jù)的剖分。GDAL／OGR插件支持多種格式的柵格和高程數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)地從網(wǎng)絡(luò)上或本地讀取GeoTIFF、ECW、MrSID等類(lèi)型的地理空間數(shù)據(jù)。AGGLite、Feature Stencil等插件讀取多種矢量數(shù)據(jù)，還具有把矢量數(shù)據(jù)柵格化為小圖片塊，把數(shù)據(jù)覆蓋在地形圖上等功能。插件在讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)按照全球網(wǎng)絡(luò)剖分原理對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分塊，同時(shí)把剖分結(jié)果緩存到本地，以后直接調(diào)度，提高效率。

osgEarth使用簡(jiǎn)單，一個(gè)簡(jiǎn)單的XML配置文件可以組織基于球面的全球地理數(shù)據(jù)，并調(diào)用osg－Viewer顯示出來(lái)。osgEarth支持有多個(gè)圖像源的地圖，允許用戶(hù)創(chuàng)建地圖時(shí)，在基礎(chǔ)層上覆蓋高分辨率的地圖。

上述地圖使用本地?cái)?shù)據(jù)源（使用GDAL插件）提供的兩個(gè)圖像。osgEarth使用各種方法來(lái)渲染圖像層，所以可以渲染多少圖像層的限制取決于用戶(hù)的硬件。順序是很重要的，定義多個(gè)圖像源時(shí)，它們?cè)谠揺arth文件中指定的順序是從在底部到頂部的。

添加高程數(shù)據(jù)到地球的文件與添加圖像非常相似。高程數(shù)據(jù)可以通過(guò)將高程元素加入到XML從而添加到地球文件中去。定義多個(gè)高程數(shù)據(jù)順序也很重要，它們?cè)谠揺arth文件中指定的順序是從在底部（高分辨率）到頂部（高分辨率）的。

3.2 地形數(shù)據(jù)調(diào)度

在地形場(chǎng)景實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示中，每一幀場(chǎng)景的渲染數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的幾片連續(xù)分布的地形數(shù)據(jù)頁(yè)面［8］。隨著視點(diǎn)的移動(dòng)，在地形場(chǎng)景動(dòng)態(tài)渲染過(guò)程中，需要即時(shí)更新計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的地形數(shù)據(jù)頁(yè)面。每次從計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中讀入新的地形數(shù)據(jù)到內(nèi)存中會(huì)耗費(fèi)一定時(shí)間，引起視覺(jué)上的“延遲”效果。為了提高實(shí)時(shí)渲染的效率，本文采用兩級(jí)緩存的結(jié)構(gòu)，設(shè)置磁盤(pán)緩存和內(nèi)存緩存。場(chǎng)景圖只與內(nèi)存緩存發(fā)生直接聯(lián)系，當(dāng)場(chǎng)景圖需要卸載數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存緩存，當(dāng)內(nèi)存數(shù)據(jù)過(guò)多時(shí)，內(nèi)存緩存將部分?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)入硬盤(pán)緩存，當(dāng)場(chǎng)景圖請(qǐng)求某個(gè)內(nèi)存緩存中沒(méi)有的數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)存緩存從磁盤(pán)緩存加載數(shù)據(jù)。內(nèi)存緩存盡量讓經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)常駐內(nèi)存。

在實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景圖的緩存策略中，為了減少程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，采用智能指針注冊(cè)的方法。OSG中，大部分對(duì)象都繼承自osg：：Referenced類(lèi)，該類(lèi)記錄了智能指針引用的次數(shù)，智能指針引用某osg：：Referenced指針時(shí)，該指針的引用次數(shù)會(huì)增加，智能指針?shù)N毀時(shí)，引用次數(shù)會(huì)減少。本文采用數(shù)據(jù)項(xiàng)注冊(cè)的方法來(lái)管理緩存。每當(dāng)新加載一個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)，都要在內(nèi)存緩存中以智能指針的方式注冊(cè)。當(dāng)場(chǎng)景圖發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)存緩存遍歷所有的注冊(cè)項(xiàng)，檢查其引用數(shù)，一旦引用數(shù)為1，說(shuō)明該數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被場(chǎng)景圖卸載，因此可以將其寫(xiě)入緩存。

如圖3所示，視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，可視范圍也發(fā)生變化，可視范圍相對(duì)應(yīng)的頁(yè)面也發(fā)生變化。視點(diǎn)在地形場(chǎng)景漫游過(guò)程中是連續(xù)運(yùn)動(dòng)的，所以前后兩幀之間顯示的內(nèi)容也是連續(xù)的，不會(huì)發(fā)生跳躍性變化，因此內(nèi)存中的部分?jǐn)?shù)據(jù)是可重用的，必須刪除己經(jīng)離開(kāi)可視范圍的地形頁(yè)面數(shù)據(jù)，調(diào)入新的進(jìn)入到可視范圍的地形頁(yè)面數(shù)據(jù)。

圖3 地形場(chǎng)景漫游示意圖

動(dòng)態(tài)調(diào)度地形數(shù)據(jù)的過(guò)程如圖3所示：視點(diǎn)t＋1時(shí)刻向正北方向移動(dòng)，視點(diǎn)移動(dòng)的距離超過(guò)某一閾值（Y方向上閾值為DY／2），更新后臺(tái)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)，將其最南邊的一行數(shù)據(jù)塊刪去；視點(diǎn)t＋2時(shí)刻繼續(xù)向正北方向移動(dòng)再超過(guò)一定閾值（Y方向上閾值為DY），新加入最北邊的一行數(shù)據(jù)，同時(shí)開(kāi)始交換內(nèi)存緩存和磁盤(pán)緩存中的數(shù)據(jù)，從而可以保證視點(diǎn)的可視范圍大小總是不變。視點(diǎn)在其它方向上發(fā)生變化時(shí)，處理方式與此類(lèi)似。

利用以上方法，每次僅僅顯示可視范圍內(nèi)數(shù)據(jù)頁(yè)的數(shù)據(jù)，而與原始數(shù)據(jù)的范圍、大小無(wú)關(guān)，就實(shí)現(xiàn)了任意范圍的地形景觀模型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)渲染。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文的DEM地形數(shù)據(jù)直接采用GTOPO30作為數(shù)字高程數(shù)據(jù)。GTOPO30是一個(gè)全球的數(shù)字高程模型，它覆蓋西經(jīng)180°至東經(jīng)180°，南緯90°至北緯90°的所有區(qū)域。它的分別率為30s（即0.00833333°）由于該DEM數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)，小于一個(gè)柵格的點(diǎn)被忽略（即面積小于1km2的小島）。為了便于數(shù)據(jù)的分發(fā)，GTOPO30被劃分為33個(gè)小的區(qū)域（Tiles）。

本文的紋理數(shù)據(jù)采用美國(guó)宇航局NASA提供的全球衛(wèi)星圖world topo bathy（分辨率為21600×21600×8）作為紋理數(shù)據(jù)。

由于全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，不可能一次性讀入內(nèi)存并顯示。本文根據(jù)實(shí)際需求引用與GTOPO30數(shù)字高程圖覆蓋范圍相同的低分辨地形數(shù)據(jù)作為全球數(shù)據(jù)顯示。然后在全球數(shù)據(jù)上創(chuàng)建視點(diǎn)的可視范圍，即是圖4中的局部數(shù)據(jù)，作為戰(zhàn)術(shù)地圖進(jìn)行顯示。通過(guò)可視范圍四個(gè)角在世界坐標(biāo)系中的地理坐標(biāo)可以計(jì)算該視點(diǎn)的可視范圍覆蓋了哪些地形頁(yè)面數(shù)據(jù)，并進(jìn)行合理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)在低分辨率全球地形圖上顯示局部高分辨率DEM數(shù)據(jù)［9］。

圖4 局部多分辨率地形顯示示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

隨著軍隊(duì)信息化程度的不斷提高，軍用數(shù)字地球的應(yīng)用日益廣泛。指揮員可以快速、完整、形象地了解戰(zhàn)場(chǎng)上敵我雙方各種宏觀的和微觀的情況，并能借助和充分發(fā)揮這些數(shù)據(jù)的作用，進(jìn)行正確、有效的決策［10］。大規(guī)模場(chǎng)景地理數(shù)據(jù)可視化方法將地理數(shù)據(jù)形象、直觀展現(xiàn)為戰(zhàn)場(chǎng)信息，既體現(xiàn)出這些數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，又便于檢索利用，指揮員可以根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)信息情況及時(shí)調(diào)整作戰(zhàn)計(jì)劃并為模擬訓(xùn)練與戰(zhàn)況評(píng)估提供可視化的支持。

［1］康來(lái)，瞿師，楊冰，等.大規(guī)模GIS數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（10）：166－170.

［2］黎華.地形與地質(zhì)體三維可視化的研究與應(yīng)用［D］.廣州：中國(guó)科研院，2006.

［3］鐘登華，宋洋.基于GIS的水利水電工程三維可視化圖形仿真方法與應(yīng)用［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2004（1）：52－58.

［4］李新放.基于DSG的海洋環(huán)境三維可視化系統(tǒng)研究［D］.青島：國(guó)家海洋局第一海洋研究所，2012.

［5］鄧晶，張明智，李志強(qiáng)，等.基于STK的信息作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)三維可視化方法研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22（11）：2654－2659.

［6］左維，劉陽(yáng)，任鑫，等.基于嫦娥一號(hào)CCD相機(jī)和激光測(cè)距數(shù)據(jù)的月球三維可視化系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)報(bào)，2012，24（1）：37－43.

［7］楊武年，廖崇高，等.數(shù)字區(qū)調(diào)新技術(shù)新方法－遙感圖像地質(zhì)解譯三維可視化及影像動(dòng)態(tài)分析［J］.地質(zhì)通報(bào)，22（1）：60－64.

［8］李勃.虛擬海洋與三維可視化仿真引擎的研究與開(kāi)發(fā)［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2013.

［9］連明.三維數(shù)字地形動(dòng)態(tài)調(diào)度及修改技術(shù)［D］.西北：工業(yè)大學(xué)，2005.

［10］束搏，毛天露，等.一種基于采樣點(diǎn)的大規(guī)模群體實(shí)時(shí)三維可視化方法［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45（10）：1731－1738.