基于OSG的大規(guī)模地形動(dòng)態(tài)繪制應(yīng)用研究?

何榮茂 石 川 常文泰 王利華

（中國(guó)洛陽(yáng)電子信息裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003）

基于OSG的大規(guī)模地形動(dòng)態(tài)繪制應(yīng)用研究?

何榮茂 石 川 常文泰 王利華

（中國(guó)洛陽(yáng)電子信息裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003）

大規(guī)模地形的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)繪制技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的核心，論文在分析金字塔模型和四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了OSG的地形繪制原理，給出了OSG的地形分塊方法；同時(shí)給出了高程數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)的采集、處理和緩存方法，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模三維地形的實(shí)時(shí)繪制和動(dòng)態(tài)漫游，具有一定的實(shí)用性及創(chuàng)新性。

數(shù)字高程模型；金字塔模型；四叉樹(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)

1 引言

在大規(guī)模虛擬場(chǎng)景的生成過(guò)程中，地形的繪制是構(gòu)建虛擬場(chǎng)景的基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬場(chǎng)景規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)大規(guī)模地形的要求也越來(lái)越高。大規(guī)模地形繪制在虛擬現(xiàn)實(shí)、軍事仿真、三維游戲、GIS、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域也有了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，大地形的三維建模主要是通過(guò)數(shù)字高程模型（DEM）結(jié)合高清晰度衛(wèi)星或航拍照片影像數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)［1～2］。然而，由于要對(duì)大規(guī)模甚至是海量DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并且要顯示數(shù)據(jù)部分具有無(wú)限的細(xì)節(jié)，用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形圖像方法根本不可能達(dá)到實(shí)時(shí)繪制的要求，于是就產(chǎn)生了對(duì)實(shí)時(shí)圖形繪制技術(shù)的需求。為了繪制速度與場(chǎng)景規(guī)模之間尋找合理的解決方案，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)在這方面做了許多的研究。

這些研究對(duì)于建立大范圍、大比例尺的實(shí)時(shí)、可交互的虛擬地形環(huán)境，提高地形的繪制速度都較有效，但不同的算法在執(zhí)行效率、占用資源等方面存在較大差距。本文針對(duì)傳統(tǒng)的大規(guī)模地形數(shù)據(jù)渲染對(duì)軟硬件需求高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)難度大等問(wèn)題，結(jié)合OSG三維渲染引擎的渲染效率，提出了基于OSG的大規(guī)模地形動(dòng)態(tài)繪制及漫游解決方案，使大規(guī)模地形數(shù)據(jù)渲染在對(duì)硬件需求以及開(kāi)發(fā)難度上都得到了明顯改善，并在實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用，充分發(fā)揮了OSG的優(yōu)勢(shì)。

2 OSG大地形數(shù)據(jù)組織機(jī)制

OSG使用金字塔模型組織大規(guī)模地形數(shù)據(jù)［4］。在不同的細(xì)節(jié)層次上，OSG按照四叉樹(shù)方式組織地形數(shù)據(jù)。地形漫游時(shí)，根據(jù)視點(diǎn)位置的改變首先動(dòng)態(tài)調(diào)整常駐內(nèi)存的數(shù)據(jù)塊，然后通過(guò)四叉樹(shù)調(diào)整塊內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)處地形的顯示層次，通過(guò)合理的數(shù)據(jù)劃分方案，可以解決任意網(wǎng)格大小的大規(guī)模地形數(shù)據(jù)的快速漫游問(wèn)題，使常駐內(nèi)存的數(shù)據(jù)量只與視點(diǎn)的位置及當(dāng)前顯示的細(xì)節(jié)層次有關(guān)，與實(shí)際的整體數(shù)據(jù)量無(wú)關(guān)，從而大大提高漫游的速度［3，5～6］。

2.1 金字塔模型

金字塔層次模型表示多分辨率級(jí)別的分層模型，采用縱向分層，橫向分塊的策略來(lái)構(gòu)建。金字塔每一層代表一個(gè)分辨率級(jí)別，從上往下，分辨率越來(lái)越高（數(shù)值越來(lái)越小），但每一層表示的范圍都是整個(gè)原始地形的范圍。金字塔各層的分辨率之間存在一個(gè)倍率關(guān)系，通常取倍率取為2（便于采用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)）。各級(jí)層次模型的分辨率計(jì)算如式（1）和式（2）所示。

設(shè)第0層的分辨率為r0，倍率為2，則第k層的分辨率rk為

設(shè)原始地形的分辨率為r，原始地形高程文件大小為n×n，塊邊長(zhǎng)為m，則第0層的分辨率r0為

構(gòu)建金字塔層次模型的基本思路是低分辨率級(jí)別的層級(jí)采樣于高分辨率級(jí)別的層級(jí)，通過(guò)不斷的逐層采樣合成得到整個(gè)金字塔層次模型。最高分辨率級(jí)別的層通常采樣于原始的地形數(shù)據(jù)。金字塔模型構(gòu)建如圖1所示。

圖1 金字塔模型構(gòu)建示意圖

金字塔的最底層（第L層）為分辨率最高的層次，它的數(shù)據(jù)直接采樣于原始地形，顯示的模型較為精細(xì)，采樣數(shù)據(jù)較為密集，分塊數(shù)目較多。由于相鄰層的分辨率為2倍的關(guān)系，因此在生成第L-1層數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以在得到第L層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用像素合成的方式來(lái)生成，即從左到右，由下往上，同時(shí)將行和列的2個(gè)像素合成為1個(gè)像素，從而得到L-1層的像素點(diǎn)。通過(guò)不斷循環(huán)重復(fù)這一過(guò)程，得到金字塔每一層次的地形數(shù)據(jù)，完成金字塔的構(gòu)建。

2.2 四叉樹(shù)組織結(jié)構(gòu)

按照金字塔層次細(xì)節(jié)模型策略生成的多分辨率地形模型數(shù)據(jù)，通常采用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)將這些地形模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織管理起來(lái)。利用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)組織管理多分辨率地形模型數(shù)據(jù)時(shí)，四叉樹(shù)的層結(jié)構(gòu)需要和金字塔模型的層結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，即從四叉樹(shù)的頂層到底層，都需要和金字塔模型的頂層到底層的每一層一一對(duì)應(yīng)，以達(dá)到分辨率級(jí)別的一致以及對(duì)每一層地形數(shù)據(jù)塊的有效管理。

構(gòu)建四叉樹(shù)的基本思路是根據(jù)LOD級(jí)別建立四叉樹(shù)的每一層，即一個(gè)LOD級(jí)別對(duì)應(yīng)四叉樹(shù)的一層，并且從上往下，對(duì)四叉樹(shù)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行四叉樹(shù)分割（即每個(gè)節(jié)點(diǎn)分割為四個(gè)子節(jié)點(diǎn)），一層構(gòu)建完畢后，再分割得到下一層，直到達(dá)到規(guī)定的深度，則停止分割，進(jìn)而完成四叉樹(shù)的構(gòu)建。如圖2所示為根據(jù)LOD級(jí)別建立四叉樹(shù)每一層的示意圖。

圖2 LOD分級(jí)與構(gòu)建四叉樹(shù)的對(duì)照關(guān)系

3 OSG地形繪制原理

從上一節(jié)OSG大地形數(shù)據(jù)組織機(jī)制中可看出，OSG利用金字塔模型和四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)大地形進(jìn)行組織，并根據(jù)視點(diǎn)的范圍和距離動(dòng)態(tài)調(diào)度選擇加載數(shù)據(jù)塊，并把創(chuàng)建完成的地形節(jié)點(diǎn)加載至場(chǎng)景中進(jìn)行渲染。利用OSG進(jìn)行地形繪制的一般流程如圖3所示。

在OSG中，地形生成分為地形數(shù)據(jù)組織和地形渲染與漫游兩部分。其中地形數(shù)據(jù)組織部分把地形進(jìn)行分塊和編碼，以四叉樹(shù)形式組織起來(lái)，并以分頁(yè)LOD模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度渲染。地形渲染與漫游部分把生成的模型加入到場(chǎng)景數(shù)據(jù)中，在場(chǎng)景圖形瀏覽器中進(jìn)行渲染繪制，并通過(guò)漫游器完成場(chǎng)景漫游和事件響應(yīng)。地形渲染部分屬于OSG引擎的內(nèi)核，包含揀選、繪制等過(guò)程，這里不過(guò)多介紹，只重點(diǎn)介紹地形數(shù)據(jù)的組織部分。

圖3 地形生成流程圖

OSG通過(guò)記錄對(duì)象空間參考系屬性和范圍信息，創(chuàng)建瓦片數(shù)據(jù)和瓦片索引來(lái)進(jìn)行四叉樹(shù)管理。在OSG中，世界范圍以經(jīng)緯度來(lái)表示，將球形表面剖開(kāi)鋪成平面，其最左為西經(jīng)180°，最右為東經(jīng)180°，最上為北緯90°，最下為南緯90°。在動(dòng)態(tài)繪制時(shí)，OSG會(huì)根據(jù)地圖屬性實(shí)時(shí)完成地形的分層和分塊，如圖4所示。

圖4 瓦片分層LOD

進(jìn)行地形分塊時(shí)，首先確定第一層的寬度和高度，即行數(shù)與列數(shù)，默認(rèn)值是寬度為2，高度為1，即把全球數(shù)據(jù)分成東半球和西半球。接著按2的倍率繼續(xù)往下劃分，隨著一層層的深入，地形塊變得越來(lái)越小。每向下深入一層，每一個(gè)瓦片便會(huì)等分成四塊。每個(gè)瓦片均有一個(gè)瓦片索引值進(jìn)行管理。瓦片的左上角是原點(diǎn)，瓦片索引值便從左上角開(kāi)始編碼。一般為瓦片索引（lod，x，y），如圖4中第二層和第三層陰影部分所對(duì)應(yīng)的索引值分別為（1，3，1）和（2，7，3）。

隨著瓦片的細(xì)化，每一塊瓦片的范圍也會(huì)逐漸變小。圖4中第二層瓦片里的陰影區(qū)域，其坐標(biāo)范圍左上角（90，0），左下角（90，-90），右上角（180，0），右下角（180，-90）。第三層瓦片里的陰影區(qū)域，其坐標(biāo)范圍左上角（135，-45），左下角（135，-90），右上角（180，-45），右下角（180，-90）。當(dāng)數(shù)據(jù)源在此范圍內(nèi)有數(shù)據(jù)時(shí)，便加載此瓦片，否則不加載，這樣減少了地形塊的加載數(shù)量，從而提高了繪制效率。

4 大規(guī)模地形繪制的具體實(shí)現(xiàn)

利用OSG進(jìn)行大規(guī)模地形的動(dòng)態(tài)繪制，關(guān)鍵的是獲取地形高程數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)，并按金字塔模型對(duì)地形進(jìn)行分層和分塊，完成多分辨率地形的構(gòu)建。同時(shí)把構(gòu)建完成的地形加載至渲染場(chǎng)景中，利用場(chǎng)景瀏覽器進(jìn)行渲染繪制。

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

1）高程數(shù)據(jù)的采集

高程數(shù)據(jù)是包含地理高程信息的數(shù)據(jù)，目前可從網(wǎng)上下載精度為30m的數(shù)據(jù)，對(duì)于更高精度的數(shù)據(jù)，可從專(zhuān)業(yè)的地形服務(wù)公司進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)。在一般項(xiàng)目中，30m精度地形數(shù)據(jù)已可滿(mǎn)足要求。先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型（ASTER GDEM）是美國(guó)航空航天局與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省共同推出的地球電子地形數(shù)據(jù)，它與SRTM一樣為數(shù)字高程DEM，全球空間分辨率為30m［7］。其數(shù)據(jù)覆蓋范圍為北緯83°到南緯83°之間的所有陸地區(qū)域，達(dá)到了地球陸地表面的99%。ASTER GDEM基本的單元按1°×1°分片，每個(gè)數(shù)據(jù)文件的文件名根據(jù)分片幾何中心左下（西南）角的經(jīng)緯度產(chǎn)生，格式為tif格式的柵格數(shù)據(jù)。由于OSG能夠直接處理tif格式的柵格數(shù)據(jù)，所以不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2）紋理數(shù)據(jù)的采集

在視景仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以充分利用紋理映射技術(shù)，在構(gòu)造山地、草地、道路、房屋、樹(shù)木等場(chǎng)景時(shí)不用建造真實(shí)的三維模型，而是給這些模型加上紋理［8～9］。這意味著在維持圖形顯示速度的同時(shí)，可用少量的多邊形和紋理增加真實(shí)感。使用多邊形的方法會(huì)增加處理復(fù)雜度，從而使圖形渲染速度變慢，很難滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)地形實(shí)時(shí)繪制的要求［10～11］。因此一般采用紋理映射技術(shù)來(lái)提高地形的真實(shí)感和圖形顯示的速度。圖5為從Google Earth中獲取的某地的紋理數(shù)據(jù)。

圖5 某地紋理數(shù)據(jù)

3）地形數(shù)據(jù)的處理

高程數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，需要對(duì)其進(jìn)行合理組織。組織的方式是按照從上到小的順序疊加圖層，生成earth文件，在疊加圖層時(shí)，每層的區(qū)域或精度可以不同，但上層的影像會(huì)覆蓋下層的影像。下面的代碼完成了全球影像圖、全球高程圖和局部高清紋理的疊加。該代碼運(yùn)用了緩存策略，運(yùn)行前完成了地形的緩存。地形緩存的過(guò)程實(shí)際上就是地形分層分塊的過(guò)程，緩存后的分塊地形保存在磁盤(pán)中，地形繪制時(shí)根據(jù)視點(diǎn)距離和范圍從磁盤(pán)中加載相關(guān)瓦片數(shù)據(jù)，從而提高了繪制速度。

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＜！--全球影像圖--＞

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＜！--全球高程圖--＞

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＜！--局部高清紋理組合--＞

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4.2 地形的繪制與漫游

地形的繪制是把生成的地形節(jié)點(diǎn)加載到場(chǎng)景數(shù)據(jù)中，通過(guò)場(chǎng)景瀏覽器進(jìn)行渲染。而要完成地形的漫游，必須加載相應(yīng)的操作器，使其響應(yīng)各種事件。把地形節(jié)點(diǎn)加載到場(chǎng)景數(shù)據(jù)中可通過(guò)以下代碼實(shí)現(xiàn)：

mp=osgDB：：readNodeFile（“china-simple.earth”）；

mRoot-＞addChild（mp）；

mapNode=dynamic_cast＜o(jì)sgEarth：：MapNode*＞（mp.get（））；

而加載相應(yīng)的操作器，須從類(lèi)osgGA：：Camera-Manipulator派生，并實(shí)現(xiàn)getMatrix（）、getInverseMatrix（）和 handle（）方法。在handle（）方法中完成對(duì)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等事件的響應(yīng)，在getMatrix（）和getInverseMatrix（）方法中獲取當(dāng)前的視口，從而完成場(chǎng)景的漫游。完成的地形繪制與漫游效果如圖6。

圖6 大地形繪制及漫游效果

5 結(jié)語(yǔ)

大范圍的三維地形可視化及其實(shí)時(shí)顯示是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的課題。目前，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)在大規(guī)模地形的實(shí)時(shí)繪制方面做了許多的研究，并取得了一定的成果。本文通過(guò)利用OSG三維渲染引擎，對(duì)大規(guī)模地形的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)繪制技術(shù)進(jìn)行研究，給出了大規(guī)模地形動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)繪制的具體實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)用表明該方法具有一定的實(shí)用性和創(chuàng)新性，能夠較好地完成大規(guī)模地形的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)繪制。

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Application Research of Large-scale Terrain Dynamic Rendering Based on OSG

HE RongmaoSHI ChuanCHANG WentaiWANG Lihua
（Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003）

The real-time rendering technology of large-scale terrain is the core of virtual reality application.Based on the pyramid model and quadtree structure，this paper studies the principle of terrain rendering of OSG，gives the terrain block method of OSG，and gives the method of terrain block of OSG.At the same time，this paper introduces the method of data acquisition，processing and caching of elevation data and texture data，realizes the real-time rendering and dynamic roaming of large-scale three-dimensional terrain.The research has certain practicability and innovation.

digital elevation model，pyramid model，quadtree，virtual reality

TP391.41

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.028

Class Number TP391.41

2017年4月11日，

2017年5月28日

何榮茂，男，工程師，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)與視景仿真。