谷天阳[1]2004年在《基于小波的大规模地形数据组织与连续多分辨率表现》文中研究表明叁维地形漫游系统在虚拟现实、地理信息系统等领域中扮演着重要的角色。地形的可视化技术近年来一直是相关领域的研究热点问题。 但是随着各种应用规模和要求的不断提高,尤其是大规模地形应用系统,地形的数据量异常庞大,大大超出了一般图形的实时绘制和内存管理能力。于是,解决由于大规模地形数据构成的复杂地形表面模型与计算机图形硬件有限的绘制能力之间的矛盾成为地形可视化的核心问题。针对大规模地形应用,除了要进行简化绘制,对数据的存储、调度管理也提出了新的要求。 本文在分析研究现有地形绘制技术和小波多分辨率分析的基础上,结合大规模地形应用特点,围绕多分辨率绘制和地形数据存储与调度两个方面进行了研究: 1、对小波多分辨率分析理论和地形高程数据结构进行研究,说明了地形数据可以看作表示地形信息的二维信号,提出利用小波分析方法对地形高程模型(DEM)数据进行多分辨率处理,简化模型,提高了绘制效率。 2、视景体内不同的地形块要根据视点距离采用不同的分辨率,以视距作为度量尺度,提出了“地形网格的小波渐进重构”规则,实现了动态的渐进重构不同细节的地形网格。实现随着视点距离变化,多分辨率地形模型间的平滑切换,并解决了不同分辨率地形块间的“裂缝”问题。 3、研究了大规模地形数据设计方法,结合小波变换后的地形数据特点,设计了一种基于外存(out of core)的数据预处理存储和搜索方法,该方法不需要额外存储空间且调度数据量小。同时采用预装载和实时装载的多线程调度算法,大大提高绘制效率。 4、最后,通过试验对上述方法进行验证。结果表明,可以达到连续多分辨率的表现效果,并能够满足实时绘制的要求。
郭浩然[2]2013年在《面向大规模叁维地形构建的高性能计算支撑技术研究》文中认为本文研究面向大规模叁维地形构建的高性能计算支撑技术。主要研究内容分为四个方面，具体内容和贡献包括：一、设计实现了一种GPU加速的大规模叁维地形可视化框架MEGA，用于快速构建数据组织高效、渲染质量优良的离线叁维地形模型。在MEGA框架中：1、提出了一种支持大规模数据高效存储和调度的地形多分辨率模型FMRM。FMRM的两级存储结构既实现了对地形全分辨率数据的统一划分存储，又能在地表特征表达的基础上对地形存储模型建立数据分块索引，构建相应多分辨率逻辑结构。解决了传统地形金字塔多模型存在的数据冗余及存储和调度低效的问题。2、提出了一种融合地表特征表示的嵌套几何误差度量算法SFNE。引入粗糙度计算表达地表特征，依据地表特征建立不同地形分辨率层次间节点误差的依赖关系，在保证几何误差单调传递的基础上实现对地形模型多分辨率层次分级过程的控制；算法通过计算逼真度来约束模型化简过程，避免地形模型的失真。实验结果显示SFNE误差度量在地形化简的速率和绘制质量之间寻求了相对理想的平衡。3、实现一种基于顶点过渡权值的视觉平滑处理方法。基于Geomorphing的基本思想，整体考虑不同地形分辨率层次之间的平滑过渡和相邻地形块边界的分辨率等级关系，为模型顶点实时分配时间和空间过渡权值，保证在地形块绘制过程中不同分辨率等级之间以及不同地形块间的平滑过渡。4、设计实现了一种基于GPU RayCasting的快速地形渲染算法SRCaster。算法只对屏幕空间里节点评价函数选定的地形节点执行光线投射，进行离散遍历，遍历终止的条件是获取光线与地形模型某高程采样点的交点。简化了已有的光线投射地形渲染方法对所有地形块执行相交测试的处理，又能利用邻接像素之间的相关性进行图形硬件加速。对比实验表明SRCaster渲染的实时性能优势显着。二、研究了基于CPU/GPU异构协同加速的大规模地形数据高性能编码方法，以满足在线实时构建大规模叁维地形的需求。其中：1、提出了基于提升小波机制的地形多分辨率模型构建方法。建立地形数据的小波变换模型来映射地形构网的细化和简化操作；通过提升小波变换分别建立数字高程和正射影像的多分辨率四叉树，并将量化小波系数存储在四叉树节点中，保证小波逆变换的正确性。2、设计实现了基于CUDA的地形数据并行混合熵编码。首先实现并行游程编码器对量化稀疏小波系数进行压缩，进而采用并行霍夫曼编码器对游程编码后的数据进一步压缩。混合熵编码后地形数据组织成多条数据流层进递交给解码和渲染进程。实验显示该方法在压缩比、信噪比和编解码吞吐量方面优势明显。3、实现了基于CUDA的稀疏矩阵向量乘算法及优化策略，解决了解码端输出的地形数据流在递交可视化处理时，大量的访存密集型SPM×V运算对地形可视化造成的实时性能下降。重点从数据分布优化和负载均衡方面考虑基于CUDA的SPM×V算法的优化策略，包括线程划分优化、数据复用优化、数据访问优化等。实验显示该算法及优化策略能显着改善地形渲染及交互处理的实时性能。叁、为增强地形可视化场景的视觉逼真程度，研究地上自然景观的真实感模拟。以叁维动态云为例，研究了基于通用多核CPU加速的地上自然景观建模方法。其中：1、设计并实现了基于细胞自动机的叁维动态云模拟方法。实现了对云的运动特征和生长、消散的演进特性逼真模拟，构建了基于多重前向散射的云粒子光照模型增强了云模型的视觉着色真实感。采用多核多线程技术对云模拟过程进行加速和优化，将云的建模运算（CPU）和渲染处理（GPU）分开，避免了经典云模拟方法建模和渲染都依赖GPU实现所带来的整体性能缺失。2、提出了一种多线程加速的细胞自动机多近邻单元状态查询算法M3NSQ，解决了云模拟过程中，对建模空间内细胞及其多近邻单元状态的持续并发查询所导致的云模拟进程阻塞问题。算法将查询分为预处理和查询执行两个阶段，特别设计了查询表、格网索引、查询缓存和近邻对象缓存等关键数据结构，引入了查询更新排序和时间局部性优化方法，采用了合理的数据划分和线程调度，实现了高性能并发查询处理。四、设计实现了支持大规模叁维地形构建及应用的框架系统VWBuilder。VWBuilder集成了本文的研究内容，并提供二次开发接口，既能够为第叁方应用提供预先构建的离线大规模叁维地形模型，也能够作为地形构建模块集成在其它应用中，提供实时在线式大规模叁维地形构建功能。给出了基于VWBuilder的几个应用示例，验证了本文研究内容的效用性。
齐成涛[3]2008年在《基于小波的大规模多源多尺度数据组织与实现》文中研究指明随着叁维地形可视化中数字地形和影像数据规模的不断增大,解决由于地形数据构成的复杂地形表面模型与计算机图形硬件有限的绘制能力之间的矛盾成为地形可视化的核心问题。而且人们越来越多的需要在不同分辨率,不同空间尺度上对地理信息进行观察、理解和表达。本文在分析研究现有地形绘制技术和小波多分辨率分析的基础上,结合大规模地形应用特点,围绕多分辨率绘制和数据存储与调度等方面进行了研究:1.在研究总结前人的理论的基础上,利用小波MRA理论实现影像数据和地形数据的多尺度变换;2.提出了基于小波变换理论分块处理的思想,从而解决大规模地形和影像数据不能一次性的显示到叁维场景中的问题,3.数据的存储与装载。结合小波变换后的地形和影像数据特点,设计一种基于外存的数据预处理、存储和调度方法;4.进行了实验分析验证。通过实验分析表明,本方法可以达到连续多分辨率表现效果,并能够满足实时绘制的要求;而且具有装载数据量小,节省存储空间的优点。
张燕燕[4]2010年在《飞行模拟器大规模真实地形实时可视化技术的研究与实现》文中研究说明飞行模拟器通过对飞行过程中视觉、听觉、动感、力感等的模拟,能够在地面构建一个逼真的空中飞行的虚拟环境,在飞行员训练、飞行器设计与研究、人机环境实验等方面具有重要的作用。随着我国航空事业的发展和大飞机项目的启动,针对飞行模拟器的关键技术进行研究具有重要意义。叁维地形是飞行模拟过程中窗外虚拟视觉环境的重要组成部分,地形可视化的真实性和实时性直接影响仿真的逼真度、沉浸感及有效性。飞行模拟的应用需求及地形模型特点决定了其可视化系统需要以实时交互的速度完成具有较高真实感的大规模室外地形场景的可视化;海量数据规模与现有硬件水平的矛盾成为系统实现的瓶颈,且随着对模型数据精度和渲染效果要求的不断提高而加剧。因此,针对模拟应用及硬件平台的特点,本课题研究大规模真实地形的实时可视化技术,为飞行模拟提供真实叁维地形场景的实时可视化方案。真实性和实时性是大地形可视化系统的两个主要目标,且真实性的提升需要以实时性的保证为基础。而在有限的硬件水平下,系统实现的矛盾主要体现在硬件处理速度、硬件存储及调度、传输能力几个方面。为此,实时可视化技术的研究从海量数据的渲染加速、组织与调度、数据累进压缩叁方面展开,并且研究受真实地表特征控制的实时细节合成方法以增强场景的真实性。首先为加速渲染,研究了基于规则地形块的平滑视相关LOD渲染算法。针对GPU的数据处理特点,算法给出了规则地形块的四叉树模型结构,并在此基础上建立了集成可见性判断的自适应渲染框架。进而针对结构的规则性,提出了基于视锥叁角形密度的精化判据和基于模板的渲染优化方法。对于渲染过程中的不连续性问题,给出一种空间和时间连续性问题一体化处理的平滑解决方案。实验分析表明算法能够适应GPU的特点,有效地提高了渲染效率,且保证了渲染的平滑连续。其次为克服内存容量对场景数据规模的限制,研究针对粗粒度地形层次的基于外存的可视化技术,重点考虑海量多分辨率数据的组织和调度方法,力求减少数据调度对系统实时性的影响。在应用获取模式相关的数据相关性分析的基础上,给出了地形块簇的构建方法,进而提出了基于簇的数据组织方式。数据调度采用基于优先级的调度策略,并引入预取机制。给出了基于保守视锥的预测节点及其优先级属性的计算方法以提高预取效率。实验分析表明,方法能够有效地减少数据调度需求及数据加载时间,提高了数据调度的效率,减轻了数据调度对算法实时性能的影响。进一步为缓解海量数据存储和传输带宽的压力,基于提升小波,提出了针对规则块四叉树结构的数据累进压缩与地形自适应构网结合的方法。方法侧重于实时解压效率及面向GPU的实现。首先建立了规则地形块的提升小波变换模型,将块的简化、精化操作映射为相应的小波变换。在此基础上,建立了块四叉树层次结构,并给出了基于间接查表的小波系数累进压缩存储方式。进而基于压缩的累进地形块层次结构,实现了在递进构造多分辨率模型激活地形块的同时完成数据的累进载入与实时解压。其中,地形块的数据解压及简化和精化操作在GPU中实时完成。实验结果表明算法实现了有效的数据压缩,提高了数据的实时解压速度,提升了可视化系统的实时性能。为了提高场景的细节丰富程度和真实性,减弱真实大地形场景渲染对于海量高精度采样数据的依赖,提出了基于规则块结构的实时可控细节合成方法。针对块结构特点,使用基于四点细分的方法增加采样点和基于梯度Perlin噪声函数的多重分形算法计算细节扰动。其中分析了分形结果的影响因素,给出了分形可控因子,使分形计算生成的细节能够反映真实的地表特征。细节合成基于GPU实现,合成的地形块作为动态地形块通过动静结合的双层自适应层次结构与LOD渲染框架集成。实验结果表明算法能够使用有限的真实地形数据实时生成与实际地表特征相近的具有足够细节精度的真实大地形场景。最后,搭建了基于PC的飞行模拟试验平台。集成实时可视化关键技术构建了大地形可视化系统,并将其与飞行模拟平台集成,实现了飞行仿真参数/手动驱动的真实大地形场景实时交互漫游,验证了大地形可视化方案的实用性及有效性。
张立强[5]2004年在《构建叁维数字地球的关键技术研究》文中认为叁维数字地球是一项跨越多学科的理论和系统工程。虽然有关的理论技术研究已经取得了一些进展，但在网络或普通计算机上难以达到实时显示和交互的要求。这主要是在海量多分辨率数据的组织与管理，空间索引的效率，数据压缩技术，网络技术，复杂数字城市模型的建立与可视化，多源数据的无缝集成，超大规模场景的实时漫游与交互，空间分析和查询等方面存在着亟待改进的地方。 针对开发数字地球系统存在的挑战，本文从“3S”技术的角度出发，讨论了海量DEM数据、矢量数据、影像数据以及叁维建筑模型数据的组织、检索、传输以及在叁维数字地球系统中实时可视化的一些关键技术；着重研究了叁维数字地球的网络模型，压缩技术，大规模地理数据的动态显示，空间分析和查询等问题。作者所在的课题组研究并独立的从底层开发了一个叁维数字地球平台GeoBeans3D，它最终要在Internet环境下实现海量多源数据的无缝集成和实时可视化，叁维城市的重建，气象检测，战场仿真和模拟，导航和空间分析等功能，支持普通计算机浏览。该系统2003年被科技部评为国产优秀叁维影像信息平台，并在多个部门中得到了应用。本篇论文阐述的理论和算法大部分集成到GeoBeans3D中并取得了良好的效果。 在分析总结国内外大量相关文献的基础上，本文以基于网络的叁维数字地球平台为基础，以作者研究构建叁维数字地球的关键理论技术为系统构架，组织整篇博士学位论文。本文的研究内容主要具有如下创新之处： 1．提出了利用提升格式构造二次平均插值小波，实现海量影像和DEM的多分辨率表达与建模。该方法具有计算量小，简化模型精度高等优点，解决了传统金字塔技术不能精确重建的弊端。 2．作者在Ottoson(2001，2002)工作的基础上，改进了椭球四叉树空间索引的算法，并将其应用到全球地理数据的索引中，极大提高了数据的访问速度。 3．比较了几种预测方法的优缺点，在此基础上提出了最小二乘预测模型，并优化了自适应算术编码的数据结构以加快编码的进程；最后对不同的无损编码技术的压缩结果进行了分析。验证表明，本文提出的压缩方案对DEM的压缩率高于CAB和Winzip，能够有效的缩短数据在网络上的传输时间。 4．针对现有JPEG_LS上下文模型的缺陷，改进了JPEG_LS的模型预测方法，提高了像素预测的精度。 5．提出“先压缩后建模”的思路。以视相关和地形地貌为准则，集成“多进制小 波十二叉叁角形树”的方法实现高分辨率、大场景地形数据的实时简化，基本 做到了地形的漫游速度与场景的数据量大小无关，为全球地形可视化提供了一 条行之有效的解决途径。此外，作者还对如下几个问题做了较为深入的研究:(l)利用wGS84大地基准面和GRS80参考椭球构建地球模型描述了在全球海量数 据显示的过程中，随着视点和视角的变化，当前细节层次(LOD)中视景体内地 球椭球体面积的裁减方法，并给出了具体的公式。(2)研究了矢量线状和面状实体与DEM、影像的无缝迭加算法。针对线状实体和 规则DEM的几何特征，提出自左向右、自下而上的绘制算法。提出分别用 Delannay和DEM分块构网两种方法实现面状实体和叁维地形场景的迭合并对 其作了比较，为超大规模DEM、影像和矢量数据的实时无缝显示提供了一个 现实可行的方案。(3)研究了叁维城市建筑模型的建立方法以及大区域、高密度复杂建筑模型的组织 和管理:给出了从空间任意点以任意倾斜角观看地球景观的算法，实现了多角 度、不同方向浏览场景。(4)给出了计算叁维数字地球中可视点的叁维直角坐标(X，Y，幻和大地坐标林，树的 算法，这是查询和叁维空间分析的基础。设计了某些侦察设备360度监控地形 或空中目标的可视域算法;并论述了属性数据库与几何模型关联，进行空间实 体查询的算法。(5)作为主要参加人员之一开发了基于网络的叁维数字地球平台系统 GcoBeans3D，该平台在海量空间数据的组织、管理、传输和显示上有了突破， 实现了全COM组件体系架构;在数据管理和显示引擎上完成了向海量叁维数 据引擎的转化，实现了二叁维动态关联的关键技术。 为了验证本文的理论和技术的正确性和可行性，作者在Interne班ntranet环境下进行了实验研究。结果表明，通过把海量空间数据发布到不同的客户端，能够满足多用户并发浏览、查询、分析的需要。 本文的研究内容只是叁维数字地球系统的一小部分。在下一步工作中，除了继续增强海量空间数据管理能力和空间分析功能外，还要更好的将其与分布式计算技术、数码城市技术、GPS导航监控技术以及虚拟现实技术紧密结合起来，真正解决叁维数字地球的信息发布、系统仿真、空间分析查询等问题。
蒋杰[6]2010年在《全球大规模虚拟地理环境构建关键技术研究》文中指出随着数字地球战略思想的提出并付诸实施,构建面向全球的虚拟地理环境基础平台已成为国家安全、国土资源管理、城市规划与信息化、农林应用、危机处理、灾情监控等大型应用领域的迫切需求。然而,随着遥感技术和空间技术的迅速发展,地理数据的来源越来越多,数据量呈几何增长。如何高效处理、组织与发布全球尺度急剧增加的海量多源地理数据,并实现逼真、流畅的实时叁维表现成了亟待进一步解决的研究课题。同时,叁维地理环境应用以来,人们已经越来越不满足于只是进行各种信息的简单的叁维可视化,全球范围非特定区域的地理空间分析乃至辅助决策已经成为一个非常迫切的需求。为解决上述问题,本文重点研究了全球范围的海量栅格信息处理与组织发布、多尺度矢量数据组织与环境增强、全球地形环境的高效绘制,地理分析模型建模与表现等构建全球大规模虚拟地理环境的关键技术。具体而言,论文的主要工作和贡献体现在以下几个方面：●提出了一种基于并行处理的全球多尺度海量栅格数据组织与发布方法。为解决全球多尺度海量栅格数据的高效处理、组织、调度及面向多应用的数据共享服务等问题,提出了一种基于并行小波处理和有序四叉树结构的全球海量栅格数据金字塔模型构建方法。通过设计全球数据一致性编码规则以及可映射至机器位运算的层次调度机制,以提高海量数据的调度效率；通过分析小波算法的可并行性以及多处理机逻辑拓扑间的数据传递机制,提出了基于多处理器并行计算的多分辨率模型构建方法,以提高海量数据的预处理效率；通过设计按需服务的海量栅格数据管理发布引擎,构建了可扩展的数据发布一致性接口,解决了异构的多客户端系统的并发访问问题,以提高全球海量栅格数据的通用服务能力。●提出了一种矢量数据的多分辨率模型构建、组织及叁维可视化方法。提出了一种基于数据简化与层次分块的矢量静态多分辨率层次组织方法和基于视点变化与屏幕误差度量的矢量动态多分辨率层次构建与调度方法,通过两级分辨率模型解决矢量简化问题,实现了场景缩放时的平滑过渡,较好地解决了矢量数据量大与计算机实时处理能力有限的矛盾,能够满足大规模矢量数据叁维可视化系统实时绘制需求；针对GIS矢量数据可视化过程中与叁维地形的无缝集成问题,结合矢量所代表地物的特性,提出了地物匹配地形和地形匹配地物两种匹配方法,进一步提升了矢量数据的可视化效果。●提出了一种基于GPU的全球海量地形实时绘制算法。针对海量地形数据的特点,充分挖掘GPU的高速并行绘制能力,提出了中心偏移的Geometry Clipmap算法,并结合全球栅格数据多分辨率金字塔模型,采用渐进纹理更新技术,并引入Geometry Instancing技术进一步提升地形渲染速度,将大量的计算过程移植到GPU上面,以减少CPU的计算压力,满足大规模地形可视化的实时渲染要求；针对全球地形绘制的特点,充分考虑了地球曲率和地形起伏对绘制过程的影响,引入了距离系数的概念,对传统的可见性剔除算法进行了改进,进一步减小了海量数据的绘制负担,提高了系统绘制效率及响应速度。●提出了两种典型的地理分析模型及其可视化方法。为增强虚拟地理环境基础平台辅助分析与决策支持能力,针对危机处理、灾情监控等应用领域的典型需求,提出了基于体积法及递归搜索的洪灾演进模型,实现了对给定水位的有源淹没情况下,洪水淹没连通区域的搜索计算及洪灾在空间中推进的动态行为；提出了基于改进RIMPUFF算法的核扩散模型,综合考虑了风场、干沉积和核素放射性衰变等因素的影响,实现了复杂地形、复杂环境条件下的核素扩散过程的动态可视化分析。●设计并实现了一个全球大规模虚拟地理环境原型系统-GVGE。综合前面的各项相关技术的研究工作和算法实践,建立了可扩充的具备可视化分析能力的全球大规模虚拟地理环境原型系统GVGE,该系统不仅是一个集成研究成果、展示具体功能的实验系统,而且是一个支持多种场景数据的组织与管理,可以多种方式对大规模复杂场景进行交互漫游的应用平台。同时,作为虚拟战场环境的重要基础平台,该原型系统在相关项目中得到了应用。
施松新[7]2007年在《大规模流域叁维可视化研究》文中提出地形和河流水体是虚拟流域场景中的重要内容,其叁维可视化在水利水电开发和流域数字化管理上有着广泛的应用需求。论文围绕大规模流域叁维地形的多分辨率表示与实时绘制,流域水体的可视化建模仿真以及海量流域地形场景的网络发布等进行了深入研究,探索了新的方法和技术,实现了一个大规模流域场景虚拟仿真叁维可视化系统。流域地形的叁维可视化对于虚拟流域研究来说,是一个重要的组成部分。对于海量DEM数据建立的流域基础地形模型,通常包含数亿乃至几十亿个叁角形,对目前的图形硬件而言,实时交互绘制如此大数据量的场景是难以实现的。为此,本文提出了一种场景规模不相关地形实时绘制框架,采用基于外存和数据分块组织的设计策略,提出了一种改进的四队列ROAM算法来实现分块地形快速实时绘制,该算法能有效地利用相继帧之间的数据相关性和交互漫游的视点连贯性,建立连续的层次细节模型,并且能很好地结合视域剔除,叁角形条带化,数据预取等算法,进一步提高绘制速度。由于流域水体边界约束条件和外部作用的多变性,河床地形随区域地形变化很大,河流水面的表现形态和运动特征在不同区域如峡谷地带和开阔水库地域变化很大,传统的单一水波面建模方法很难满足大规模流域复杂水体的统一建模和洪水演进过程的叁维仿真需求,为此本文在总结已有的水体水波面建模方法的基础上,提出了一种综合建模方法,针对不同区域的水体特性分别建模,通过一个波浪方向分布函数的分解模型,将流域河流水面分解为随机水波和方向波的线性组合,根据比例系数的连续性,可以逼真绘制出河流从开阔区域向狭窄河谷地段以及河道中心深水区域向近岸浅水区域的自然过渡效果,解决了不同水域水面波动的随机性和方向性兼顾的问题。针对洪水演进过程的洪峰特效,基于几何方法建模,在物理形态上近似模拟真实洪水演进过程中的洪峰形状,在实时渲染过程与水波面模型进行迭加融合,并根据真实水文水情参数控制洪峰运动。基于这种分解建模、实时迭加融合的方法实现的流域水体及洪水演进过程的动态建模速度快,仿真模拟真实感效果较好。对各种水文水情分析结果进行远程可视化是虚拟流域开发管理的现实应用需求,需要构建一个面向网络环境的流域地形场景远程渲染平台,在此基础上对各种水文数据进行远程浏览查询和流域地形地物场景交互漫游。针对大规模流域地形场景远程渲染的问题,本文在研究渐进压缩和网络传输的基础上,提出了一种基于小波分析的大规模地形远程传输和绘制体系,将DEM数据结构的细分过程映射到小波更新和提升的框架下,对大地形分块管理并对每个分块作独立小波变换,并采用改进的SPIHT编码方法将分块地形数据组织为数据流的形式,实时渲染过程根据视点位置提取可见的一组子块,基于多分辨控制测度将分辨率映射为码流传输长度,在客户端基于二元叁角形结构对地形数据重组并绘制。该方法不保存静态的细节层次,也没有庞大的辅助数据,空间复杂度低。实验结果证实了小波渐进压缩方法和地形流式传输算法的有效性。论文还探讨了面向网络办公和应用的大规模地形和叁维水体仿真可视化系统体系结构。提出了传输地形模型的组合式C/S(客户/服务器)和B/S(浏览器/服务器)混合结构以及相应的绘制系统解决方案:介绍了一个大规模虚拟流域仿真和水文水情可视化系统的设计和实现,并给出了它的功能、组成结构、实现以及运行实例。
芮小平[8]2004年在《空间信息可视化关键技术研究——以2.5维、叁维、多维可视化为例》文中研究指明随着3S技术的融合和空间信息处理技术的发展与广泛应用，空间数据的可视化以及基于可视化技术的空间分析、空间数据挖掘和知识发现已经发展成为空间信息处理的重要手段和关键技术。可视化技术的使用可以帮助我们更加全面和准确地了解空间信息，分析空间规律，甚至可以为空间信息领域的生产及宏观规划进行辅助决策。本文中，笔者分别选择空间信息系统中2.5维、叁维和多维信息可视化的典型研究方向进行深入分析，并把这叁类问题归结为叁个更加具体的研究方向，即：地形可视化、真叁维层状体和规则体的可视化以及具有多个专题维的多维信息可视化。本文重点围绕这叁个研究方向，对其相关算法的原理和实现进行了深入的探讨。 全文共分七章，第一章为引言，论述了本文研究的背景、目的和意义，介绍了空间信息可视化相关的概念以及国内外研究现状，并给出了论文的总体研究思路。 第二章介绍空间数据的处理方法。首先论述了一种适合非网格化样品点研究区域的插值方法—多重二次曲面函数插值法，阐述了多重二次曲面函数插值方法的数学原理和实现过程。其次，提出了一种基于超曲面样条函数进行叁维空间插值的新的叁维空间插值方法，该方法将二维的曲面样条函数插值法进一步拓展到叁维空间。给出了超曲面样条函数的构造方法以及使用该方法进行叁维空间插值的数值实现过程。 第叁章在详细介绍地形可视化国内外研究现状的基础上，对基于DEM数据的地形可视化算法进行了深入研究，主要研究成果如下： ·采用Perlin算法生成叁维随机地形，给出了用Perlin噪声函数产生不同精度的网格高程数据的数值实现过程，使用这些数据可以生成多分辨率的地形。 ·提出了一种根据Morton码编码思想实现地形DEM数据无损压缩的方法，该方法首先根据Morton码编码规则对原始数据进行简化，然后利用简化的数据绘制地形，绘制地形时进一步根据Morton码编码规则对地形网格面片简化，简化的地形没有降低显示精度。 ·在利用Morton码简化地形数据的基础上进一步建立LOD模型，提出了一种基于不完全四叉树的实时连续LOD技术。该算法在传统的LOD技术基础上，提出用“先压缩、后构模”以及“背面剔除”的思想来简化地形网格，提高了地形可视化的绘制效率。该算法首先利用不完全四叉树存储Morton码简化后的高程数据，然后根据视点位置和网格空间对象误差的关系建立基于不完全四叉树的LOD模型。采用逐层找邻法调整不同层次之间的裂缝，给出了寻找不同类型邻居实现过程。采用背面剔除算法将起伏地形的不可见部分去除。笔者还给出了高效的四叉树结点存储及访问方式。针对ROAM算法的缺点，对ROAM算法进行改进。改进算法提出了“先分块后构模”的思想，首先将大规模高程数据进行分块，然后根据视点与子块的关系对每一个子块进行细分判断。为了使构建的LOD模型能够适应任意形状的DEM数据，笔者采用非等腰直角叁角形作为地表模型的基本单元，探讨了基于非等腰直角叁角形的LOD模型构建技术实现过程。采用数组的方式存储二叉树结点信息，运用计算机位移运算提高二又树的访问速度。论述了在DEM数据上迭加点、弧段、多边形等矢量数据的方法。该方法首先使用空间插值的方法形成叁维的点坐标;为了使弧段和多边形矢量数据能够紧贴在地形上，对连续两点组成的弧段进一步求解它与DEM网格的交点，依次连接弧段的顶点、内插点和弧段的终点就可以显示紧贴在地形上的弧段;对多边形数据则采用联接局部叁角网的方法来提高该叁角形与叁维地形的吻合程度，其基本思想是将一个大的多边形分割成若干个小于DEM网格的叁角形。 本文第四章在详细介绍真叁维空间实体可视化研究现状的基础上对真叁维的层状体和规则体数据可视化进行了研究。对于层状体数据，根据不同的用户需求，笔者将其可视化类型分为两类:一种类型只显示层状体的外表面，用户看不到层状体内的内部结构;另外一种类型则用户不仅能够看到叁维实体的外部形态，而且能够看到实体的内部结构。针对第一种情况，提出用规则网格和两层之间的叁角网构建封闭的层状体。针对第二种情况，笔者采用叁棱柱作为构建层状体的基本体元实现层状体的可视化。该方法首先将原始的数据经过预处理形成各个层上卜对应的网格高程数据，然后连接相邻层上下对应的网格形成四棱柱，将四棱柱沿网格对角线分开，形成叁棱柱基本体元。提出了一种通用的叁棱柱数据结构，以该结构为基础把叁棱柱剖分的情况分为完全剖分、特殊剖分和伪剖分叁大类，并给出了叁类剖分的特点以及各自包含的叁棱柱剖分和重组方法。对于规则体数据，笔者采用介于直接体绘制和面绘制之间的切片法来实现其可视化，用双线性插值的方法获取切割面上的属性值，并用颜色编码来表示属性值。本章最后分别探讨了八叉树结构和小波算法在规则体可视化中的应用，给出了用八叉树结构和叁维小波算法压缩规则体数据的一般方法。 第五章首先介绍了多维空间信息可视化的研究现状，然后详细介绍了SOM和弹性网络图理论在多维空间信息可视化中的应用。SOM是一种非线性的多维数?
周侃[9]2008年在《基于小波简化和GPU加速的大规模地形实时绘制技术研究》文中进行了进一步梳理叁维地形作为构建虚拟环境的基础,在相关领域有着广泛的应用。近年来,随着地理信息系统以及数字地球的广泛应用,对地形模型的规模要求越来越大,包含数以百万计的叁角形面片的地形模型在实际应用中越来越常见,而计算机图形硬件绘制能力是有限的,这就给由大量地形数据构成的地形模型实时绘制带来了困难,而叁维地形的简化与多分辨率表示就成为大规模地形数据实时绘制必不可少的步骤。为了提高大规模地形连续多分辨率实时绘制的效率,优化地形的简化效果,论文在基于小波分析的DEM数据连续多分辨率表示和与其相关的GPU加速算法方面展开研究,在相关问题上提出相应的解决方法,有效地提高了实时绘制效率和渲染效果。论文的主要工作具体表现在以下几个方面:●提出一种基于小波分析的大规模地形连续多分辨率表示方法。为了使地形连续多分辨表示在兼顾效率的同时更好的保持地形概貌,论文结合地形简化的特点选取合适的小波基,并利用小波变换生成地形的多分辨率模型,通过逐渐加入高频小波系数,使不同分辨率地形在切换时平滑过渡,从而实现连续多分辨率。●论文针对地形块小波变换产生的边界失真问题提出了相应的解决办法,通过将多块地形作为整体进行小波变换,扩大了小波变换的采样范围,有效地消减了边界失真。●不同分辨率地形块由于边界网格点数目不同,在拼接处将产生裂缝。论文通过总结已有的裂缝消除方法,提出一种边界顶点拟合的办法,在对地形块不做任何尺寸限制的前提下,有效地消除了块间裂缝,该算法对于边界失真所引起的同分辨率地形块间的裂缝同样适用,并且由于没有剔除或增加顶点,所以不需进行叁角划分,从而大大提高了算法效率。●为了进一步提高场景绘制的实时性,论文使用基于GPU的遮挡剔除算法,在总结前人研究的基础上,针对算法中出现的CPU和GPU时间空闲问题,论文通过设置查询结果队列,有效地消除了算法中的资源浪费。●由于大规模地形小波变换计算量庞大,论文通过将小波变换计算映射到双重纹理绘制,提出了一种基于GPU的小波变换方法,大幅减少了小波变换的计算时间。
周石琳[10]2002年在《大规模叁维地形的多分辨率表示与绘制技术研究》文中指出叁维地形是虚拟场景中的重要内容，有着广泛的应用需求。论文围绕大规模叁维地形的多分辨率表示、简化和绘制进行研究，探索了新的方法和技术。 论文首先研究了基于几何分析的地形多分辨率表示、简化和绘制方法。从多分辨率方案和简化技术两个方面对已有的主要方法进行了分类和总结；提出了一种基于网格顶点法矢量的地形模型简化算法，该算法的简化准则基于视觉特征、误差测度基于网格顶点法矢量、简化技术则是顶点剔除；在此基础上，提出了一种与视野相关的地形简化和绘制方法，该方法通过虚拟的网格顶点包围球来测度误差，实现与视野相关的地形简化。实验结果证明了所提方法的有效性。 在对基于小波分析的地形多分辨率表示、简化和绘制算法的研究中，提出了一种根据应用需求分叁步选择合适的小波变换和最佳小波的方法：第一步是选择小波变换的方式，第二步是通过明确合适的小波性质来确定候选小波的范围，第叁步是在候选范围内通过小波参数化来遴选最合适的小波。提出了基于有限状态机的提升离散小波变换的实现方法和延时归一化处理的加速技术，提高了变换效率，形成了实现各种提升方案的小波变换的统一框架。在研究基于小波系数的地形简化方法的基础上，提出了一种基于小波变换的大规模地形绘制算法；其思路是先将大地形分块管理并作小波变换，然后根据视野从中提取可见的一组子块，最后基于小波系数进行简化并绘制地形。该方法不保存静态的细节层次，也没有庞大的辅助数据，空间复杂度低。实验结果证实了小波选择方法和地形简化算法的有效性。 论文还研究了面向网络应用的叁维地形处理系统的结构。提出了传输地形图像和地形模型的组合式客户-服务器结构以及相应的传输系统方案；描述了一个基于硬件加速的叁维电子地图系统的设计和实现，介绍了它的功能、组成结构、实现以及运行实例。
参考文献：
[1]. 基于小波的大规模地形数据组织与连续多分辨率表现[D]. 谷天阳. 国防科学技术大学. 2004
[2]. 面向大规模叁维地形构建的高性能计算支撑技术研究[D]. 郭浩然. 解放军信息工程大学. 2013
[3]. 基于小波的大规模多源多尺度数据组织与实现[D]. 齐成涛. 山东科技大学. 2008
[4]. 飞行模拟器大规模真实地形实时可视化技术的研究与实现[D]. 张燕燕. 哈尔滨工业大学. 2010
[5]. 构建叁维数字地球的关键技术研究[D]. 张立强. 中国科学院研究生院（遥感应用研究所）. 2004
[6]. 全球大规模虚拟地理环境构建关键技术研究[D]. 蒋杰. 国防科学技术大学. 2010
[7]. 大规模流域叁维可视化研究[D]. 施松新. 浙江大学. 2007
[8]. 空间信息可视化关键技术研究——以2.5维、叁维、多维可视化为例[D]. 芮小平. 中国科学院研究生院（遥感应用研究所）. 2004
[9]. 基于小波简化和GPU加速的大规模地形实时绘制技术研究[D]. 周侃. 国防科学技术大学. 2008
[10]. 大规模叁维地形的多分辨率表示与绘制技术研究[D]. 周石琳. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2002
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