海滨城市三维场景的混合图元渲染方法.pdf

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1、第46卷第1期2016年1月中国海洋大学学报PERl0DICAL0F0CEANUNIVERSITY0FCHINA46(1)：138～144Jan．，2016海滨城市三维场景的混合图元渲染方法+周圣川1’2，胡振彪1’2，马纯永3，陈戈3(1．青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266033；2．海陆地理信息集成与应用国家与地方联合工程研究中心，山东青岛266033；3．中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛266100)摘要：本文提出一种适用于海陆一体场景的大规模城市三维可视化方法。使用多重抖动采样和颜色聚类算法将城市三维模型转换为由点、线等简单图元构成的层次细节模型，通过屏幕空间投影面积进行层次

2、细节(Level-of-detail，LOD)模型的选择，以较少数量的简单图元合成模型的近似表示，实现城市建筑的LOD渲染。实验表明，该方法具有较高的真实感，可以大幅提高城市级大场景的渲染效率，并且与几何LOD等方法相比，其性能受水体模型渲染的影响更小，更适用于海陆一体的海滨城市场景渲染。关键词：层次细节模型；混合渲染；海滨城市可视化；虚拟现实中图法分类号：TP391．9文献标志码：A文章编号：1672—5174(2016)01—138—07l}Ol：10．1644／j．cnki．hdxb．20140054引用格式：周圣川，胡振彪，马纯永，等。海滨城市三维场景的混合图元渲染方法口]．中国海洋大

3、学学报(自然科学版)，2016，46(1)：138-144．ZHOUShengChuan，HUZhen-Biao，MAChun-Yong，eta1．Ahybridrenderingapproachfor3Dseasideurbanscenesvisu-alization[J]．PeriodicalofOceanUniversityofChina，2016，46(1)：138—144．尽管经历了多年的研究和产业化应用，大规模城市三维场景的实时可视化渲染仍然是一个亟需解决的瓶颈问题。尤其是在海滨城市可视化方面，由于要同时进行水体和城市模型的渲染，数据和算法复杂度极高，因此难以实现交互式或者实时的大

4、规模场景渲染。目前，在大规模城市三维可视化系统中广泛采用和研究的技术主要有几何LOD模型[卜2l、Out—of-Core[3巧]，以及ReliefMap、BlockMap等基于图像的渲染[6曲]技术。以上方法虽然可以实现大规模城市三维场景的可视化，但是不可避免地会引入几何形变、平行视差，以及可见性不完整等视觉精度上的损失。同时，上述方法也都使用了与水体渲染[10]相同的三角网格加纹理的数据模型，空间复杂度高，在叠加大规模水体渲染时，性能往往呈现非线性下降。本文提出一种基于混合图元的层次细节模型，将距离视点较远的三维模型转换为由点和直线等简单离散图元构成的LOD近似表示，以提高复杂城市模型的渲染

5、性能。通过计算输入模型的屏幕空间投影面积精确地选择LOD模型中离散图元的数量，在提高渲染性能的同时保证LOD模型与输入模型视觉上的一致性，从而解决大规模城市三维场景可视化中常见的渲染数据复杂度过高，以及渲染视觉质量损失等问题。该方法在包含大规模水体的滨海城市场景中，受水体渲染的性能影响更小，更适用于海陆一体城市场景的渲染。1混合LOD模型构建本文基于人眼视觉对边缘极度敏感的原理[11]提出一种混合图元渲染方法。城市三维场景，尤其是现代城市场景，由大量的建筑组成，并且这些建筑和周边环境之间有着较为明显的边界。建筑的边界一般是由包含多种颜色的直线段构成。因此，传统的LOD方法，通常会在原本应保持几

6、何连续性的模型边界上产生不连续的噪声图元和锯齿。另一方面，距离视点较远的模型经过透视投影变换之后，一般在最终的渲染缓冲区中仅表示为少量的像素点。因为人眼的视觉对边缘极度敏感，而直线段的三维渲染结果具有良好的抗锯齿与反走样性质，且线段、点等离散图元在渲染过程中像素大小固定，不受投影变换影响，具有很好的着色填充性质。所以，在距离视点较远时，三维模型可以使用极少量的点和直线段，甚至可以只使用直线段进行近似表示。点和直线段作为离散的图元具有独立的颜色属性，可以不通过纹理映射进行着色，在降低显存消耗的同时均衡G】)U的负载，提高海陆一体场景的整体渲染性能。1．1点图元采样点图元采样的目的是生成基于点的三

7、维模型表*基金项目：中央高校青年教师科研专项基金项目(201213019)SupportedbyResearchFundsfortheYouthTeacherofCentralUniversity(201213019)收稿日期：2014—03—04；修订日期：2014—12—10作者简介：周圣川(1986一)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为过程式建模、大规模数据可视化。E-mail：zhou