基于OpenGL的山脈非真實感可視化算法

朱晨曦 馮茜 饒思敏

摘要 本文基于OpenGL，對原始地理灰度數(shù)據(jù)進行圖像分割，在分析已有的提取山谷線和山脊線的算法之上，使用了一種新的提取特征線的方法，并將特征線進行非真實感繪制，突出了山脈圖像的藝術特性，將圖形非真實感可視化應用到地理信息繪制領域。

【關鍵詞】OpenGL 山脈圖像 圖像分割 可視化算法

隨著計算機圖形學相關技術的不斷進步與發(fā)展，對于地理信息的構建技術日益成熟。但對于山脈山系等特定的區(qū)域，沒有針對性的可視化模式。

本文研究山脈非真實感可視化系統(tǒng)，針對于山系、山脈這種區(qū)域很大的地貌進行建模。

1 相關技術介紹

1.1 圖像分割算法

在針對山脈的圖像分割中，首先利用圖像全局灰度分布特性實現(xiàn)初始分割，然后進行區(qū)域標記，區(qū)域標記即在整體灰度圖中，將灰度值相似的區(qū)域劃分成同一類，并標定不同的序號，用以區(qū)分。最后，遍歷所有的區(qū)域，對相鄰的、灰度值相近的區(qū)域進行合并，最后可以得到較合適的分割結果。

1.2 山谷線和山脊線的提取

山谷和山脊線是地形和地勢變化的分割線，也是山脈重要的特征線。本文研究通過DEM數(shù)據(jù)提取特征線并進行繪制的方法。

特征線提取可分為幾何分析法和地形表面流水模擬法。在較為稀疏的DEM網(wǎng)格中間，使用地形表面流水模擬法，在四周局部的DEM網(wǎng)格中使用幾何分析法。

幾何分析法思想：在垂直于DEM平面上截取斷面，形成的斷面曲線中極小值點即為山谷點的候選點，而極大值點為山脊點的候選點。經(jīng)過一定的篩選時后，這些山谷、山脊點就是DEM圖中的特征點。

地形表面流水模擬法思想：通過模擬自然界中水流隨地形高低變化流動模型，計算每一個地形點的流水量，按照流水量單調(diào)遞增的順序，找到區(qū)域的流水線，通過進一步計算得到分水線。其中合水線是山谷線，分水線是山脊線。

最后，實現(xiàn)山脊點和山谷點的提取和篩選，得到的山脊、山谷線并不完全連接，針對離散的特征點設計一種新的連接方法，使得山脊、山谷線更加連接暢通，最后去除山脊、山谷線中一些孤立的短支，使線條看起來更加清晰，最終得到提取結果。

本文結合了圖論的思想。考慮了DEM圖上每個點的聯(lián)系。根據(jù)山脊線山谷線的高度特征和連續(xù)性特征設計算法，得到特征線的位置。

1.3 非真實感繪制

本文采用了自動非真實感繪制，突出了山脈的藝術效果。目的在于將地理的特征信息用計算機的方式表達出來。利用山脊和山谷等特征線，生成非真實感紋理。對于不同海拔、不同地貌的山系區(qū)域，光照產(chǎn)生的陰面陽面、采用不同顏色、線條等表現(xiàn)形式。

1.3.1 輪廓線的標定與風格化繪制

得到所有輪廓線，去除可見性問題，即去除事實上看不見的輪廓線，達到更逼真的效果。通過抽象的線條信息很好地表現(xiàn)出山系的形態(tài)特征并繪制紋理。

獲得三維網(wǎng)格模型的特征線，構造不同風格的藝術圖案，利用紋理映射的方法對特征線進行風格化。

1.3.2 三維模型非真實感著色

獲取模型，基于高度和曲率繪制脊線和輪廓線，進行卡通渲染。構造山體的二維紋理貼圖，添加攝像機，模型最終的渲染效果隨著視點的改變而改變，表現(xiàn)力強。

2 算法實現(xiàn)

2.1 針對山系網(wǎng)格提取特征線

在這一步算法中，基于OpenGL處理灰度圖像，建立概略DEM，為了對特征點進行識別和判斷。而且，較為稀疏的DEM數(shù)據(jù)還可以避免噪聲的干擾，減少誤差的產(chǎn)生。在大量數(shù)據(jù)的處理過程中還大大減少了計算量。

對于將特征點連接成特征線，使用新方法：借助最小生成樹建立連接。利用比較成熟的Prim算法，求解各特征點之間的最小生成樹。首先將DEM圖構建成鄰接矩陣G，由頂點和連線構成，G （V，E）。將所有特征點按照八鄰域方式與周圍的特征點相連接，構成原始的圖G。對于G中的每一條邊，他的端點分別力a、b，H為某點的高度值，則他的權重為Ei= （Ha+Hb）/2。

使用Prim算法更加適合解決特征點連接成特征線的問題，所求解的最小生成樹就是山脈中的特征線。

2.2 非真實感繪制

2.2.1 輪廓線的標定

基于圖形空間的輪廓檢測可以分為兩類：一類是基于多邊形網(wǎng)絡，另一種是基于光滑表面。而其中的算法又有兩類：直接檢測算法和間接合成算法。本文重點使用了直接檢測算法，遍歷組成模型的所有邊，然后針對每一條邊判斷是否符合輪廓線的條件。此算法簡單而有效。

2.2.2 風格化繪制

基于圖像的線條繪制技術可以具有不同的表現(xiàn)風格。其中，以山谷和山脊等特征線為作為繪制的基本元素，根據(jù)三維模型和圖像的具體地理特性來生成形狀各異的線條元素。最終，利用這些元素構成最后的圖像。

采用無筆劃的繪制技術，通過提取的特征線，將特征線進行處理，加深和加粗并突出它原有的特性。由于特征線的形狀，粗細各有不同，可以利用參數(shù)的設置得到不同的效果。將各種不同特征線條按照地理信息添加到地理空間內(nèi)，就形成了紋理。紋理表示了山脈表面的材質(zhì)，是圖像中重要的一部分。

其中，圖像渲染主要是由CPU的運算完成的。為了提升生成圖像的顯示速度，本文對繪制算法加速和優(yōu)化.利用了GPU加速，從而為用戶帶來更好的視覺體驗。

參考文獻

[1]翁宏章，基于DEM的地形特征線提取方法研究與應用[D].電子科技大學，2017.

[2]李智慧.基于圖像的非真實感繪制[D].遼寧大學，2012.