[科普中國]-三維地景仿真

三維地景仿真概述

地形是自然界最復雜的景物之一，對地形的仿真一直是計算機圖形學的重要研究內(nèi)容。伴隨現(xiàn)代數(shù)學、計算機圖形學、計算機科學等理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，該領(lǐng)域已經(jīng)歷了線劃二維地形圖、模擬灰度三維地形圖、高度真實感三維地形圖等幾個發(fā)展階段。在計算機圖形學技術(shù)發(fā)展初期，由于計算機處理速度、存貯空間、顏色數(shù)、顯示器分辨率等限制，人們只能繪制以線劃符號表示的二維線劃圖，其內(nèi)容單調(diào)、信息貧乏、真實感差。20世紀60年代以來，人們通過引用光照模型，繪制具有表而明暗灰長連續(xù)變化的地形實體地形圖，這種立體圖，立體效果更強，有一定真實感，但信自變量仍不足，實用性不強。隨著計算機圖形顯示設(shè)備性能的改進，真實感圖形的生成算法的不斷完善，使地形的三維顯示技術(shù)進入了高度真實感立體繪制的發(fā)展時期。1

三維地景仿真的作用三維地景是虛擬自然環(huán)境中不可缺少的因素，也是虛擬仿真領(lǐng)域中視景系統(tǒng)的重要組成部分。由于三維地形通常與虛擬環(huán)境中物體的運動直接有關(guān)，更由于它的數(shù)據(jù)量龐大，因此在建模和實時顯示兩個方面都有較高的要求。人們在不斷提升硬件處理能力的同時，也努力研究如何通過軟件算法和技術(shù)來降低處理的數(shù)據(jù)量，以實現(xiàn)虛擬效果和硬件能力之間的平衡。2

地形生成與仿真技術(shù)基于真實地形數(shù)據(jù)的地形生成及實時顯示技術(shù)簡單的地形生成技術(shù)根據(jù)真實地形數(shù)據(jù)進行地形生成是實際工作中使用最多的一類。其核心思想是通過減少實時繪制的頂點數(shù)據(jù)量來加快繪制速度?；谡鎸嵉匦螖?shù)據(jù)的地形生成及實時顯示渲染效果如圖1和圖2。2

大多采用數(shù)字地面模型（Dig-ital Terrain Model， DTM）來生成，DTM數(shù)據(jù)由在規(guī)則網(wǎng)格地形圖上采樣所得的高程值構(gòu)成，與飛機或衛(wèi)星上所拍攝的遙感紋理圖象數(shù)據(jù)相對應(yīng)，這些紋理圖象在重構(gòu)地形表面時被映射到相應(yīng)的部位。

基于分形技術(shù)的地景仿真技術(shù)分形幾何（fractal）是Mandelbrot于1975年造出的一個名詞，分形幾何關(guān)注的是物體的隨機性、奇異性和復雜性，他試圖透過混亂現(xiàn)象和不規(guī)則構(gòu)型揭示隱藏在背后的局部與整體的本質(zhì)聯(lián)系和運動規(guī)律。分形幾何具有細節(jié)無限以及統(tǒng)計自相似性的典型特性，它用遞歸算法使復雜的景物可用簡單的規(guī)則來生成，在現(xiàn)代的計算機圖形學中，分形幾何在對自然現(xiàn)象的真實繪制和建模方面起著重要作用。

地景建模是自然景物建模中很重要的一類，許多分形地景建模都與分數(shù)維布朗運動(fractionalBrownian motion, fBm)這一數(shù)學模型有關(guān)。fBm是現(xiàn)代非線性時序分析中的重要隨機過程，它能有效地表達自然界中許多非線性現(xiàn)象和描述真實地形的隨機過程。

分形地景建模大致可歸納為泊松階躍法(Pois-son faulting)、傅里葉濾波法(Fourier filtering)、中點位移法(midpoint displacement)、逐次隨機增加法(Successive random additions)和帶限噪聲累積法(Summing band limited noises)5類。

基于數(shù)據(jù)擬合的地形仿真技術(shù)最簡單且常用的地形仿真方法是由稀疏分布點的高程值構(gòu)成一些簡單的三角形平面，從而形成地形框架，并貼以紋理圖象的方法。這種方法顯示速度很快，但基本框架過于簡略，且常有很強的卡通效果，因此，地景的真實感受到影響。很多情況下，地形仿真也用曲面（如二次、三次曲面等）進行擬合。曲面不需作分段線性近似，仍可以保證相鄰面的斜率連續(xù)性，因此非常靈活。但由于其數(shù)學計算的復雜性,對于復雜場景來說，計算量較大。另外，為了增加逼真效果，也可以用分形技術(shù)直接對用上述方法生成的光滑平面或曲面進行噪聲擾動，從而形成真實感較強的地形表面。后來又出現(xiàn)了用小波技術(shù)進行地形數(shù)據(jù)擬合的算法。

另一類方法，則注重根據(jù)地學圖形數(shù)據(jù)的精確描述，來進行真實地形的仿真，如張繼賢等提出的一種根據(jù)地形特征參數(shù)進行地形生成的方法，這些特征參數(shù)包括平均高程、最大/最小高程及其位置、高程標準差、相關(guān)長度、地形粗糙度等。在地形分析領(lǐng)域中。地形則被看做是一種隨機統(tǒng)計過程。如平穩(wěn)正態(tài)均方連續(xù)的馬爾可夫過程。該算法將這一觀點與分形幾何模型、隨機點生成技術(shù)以及實用回歸技術(shù)相結(jié)合，首先利用給定的地形參數(shù)，通過模擬符合地形統(tǒng)計特征的隨機過程，形成一定數(shù)量用來表示地形骨架的特征點，再進行一定的處理，統(tǒng)一為用規(guī)則網(wǎng)格分布形式表示的地形整體骨架。然后利用分形技術(shù)中的中點位移法產(chǎn)生地形局部細節(jié)。從而生成與某個真實地形非常相似的仿真地景。并且，該類方法還進一步地將小波技術(shù)引入到地形的多細節(jié)生成中，即利用小波機制產(chǎn)生多尺度地形局部細節(jié)信號，與已生成的表示地形骨架的特征點相綜合，再通過小波多尺度合成，以獲得符合要求的具有任意細節(jié)水平的真實三維仿真地形，因而這是真實地景仿真中的一種連續(xù)LOD技術(shù)。3

三維地形的可視化技術(shù)三維地形的可視化技術(shù)分為兩種，面繪制技術(shù)和體繪制技術(shù)。由于體繪制技術(shù)具有離散及計算和存貯量大的特性，對硬件的性能要求很高，所以地形的實時繪制主要采用面繪制技術(shù)。

基于面繪制的三維地形建模技術(shù)可以歸納為三類：基于真實地形數(shù)據(jù)的多邊形模擬、曲面擬合地形仿真和分形地景仿真?；谡鎸嵉匦螖?shù)據(jù)的多邊形模擬是指利用對真實地形的采樣點，通過插值、剖分等方法建立多邊形集合，并用此多邊形集合模擬地形表面。數(shù)字高程模型DEM便是典型的也是基于真實采樣點的二維地表模型主要表示方法，是人們對三維地形實時顯示算法進行研究的基礎(chǔ)。曲面擬合地形仿真是根據(jù)控制點選擇合適的曲面對地形進行擬合，其優(yōu)點是保證了相鄰面的斜率連續(xù)性，缺點是曲面方程及參數(shù)不易控制，且生成地形過于光滑，真實感較差，這種建模技術(shù)應(yīng)用的較少。分形地景仿真是利用分形幾何所具有的細節(jié)無限和統(tǒng)計自相似的典型特性，通過遞歸算法使復雜景物可用簡單的規(guī)則來生成。它的優(yōu)點是數(shù)據(jù)量小，缺點是算法的復雜度高，且沒有與實際所需的真實地形、地貌相聯(lián)系，因此在應(yīng)用上受到一定的限制。1

相關(guān)三維仿真軟件隨著三維可視化仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，三維仿真軟件如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。MultiGen-Paradigm公司在2005年開發(fā)了專門針對大地形場景仿真環(huán)境的構(gòu)建與渲染工具Creator Terrain Studio和Vega Prime。其中Creator Terrain Studio是創(chuàng)建大場景地形的工具，而Vega Prime則是三維大地形的視景仿真渲染工具。

Creator Terrain Studio 地形建模技術(shù)Creator地形模塊可以滿足一般形式的地形建模需求。它對創(chuàng)建出來的地形進行基本的邊界修改，提供了Polymesh、Delaunay、CAT、TCT四種地形生成算法，每種算法都有各自很強的適用針對性，都能根據(jù)DED格式的高程數(shù)據(jù)自動地生成基本的地形曲面。

Creator Terrain Studio地形模塊的主要功能是創(chuàng)建，編輯地形，并且使得可視化的仿真地形能夠運動起來。 通過操作簡單但流程復雜的向?qū)В?進程和工作流程，CTS提供了一個有序的結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，使得可以創(chuàng)建并且反復創(chuàng)建任何尺寸和細節(jié)的地形。因為最后是產(chǎn)生 openflight 格式的地形文件。所以CTS的數(shù)據(jù)庫都以openflight作為其數(shù)據(jù)輸入格式。

CTS在地形建模方面功能非常強大，它提供了一個自動化的工作流程，通過這個工作流程可以管理地形產(chǎn)生過程的每一個環(huán)節(jié)，并且每一個數(shù)據(jù)和流程作為一個對象保存在POD（持續(xù)對象數(shù)據(jù)庫）里，以便隨時的查閱和編輯。通過這個功能可以在任何部分重復工作流程，重建部分或者全部的數(shù)據(jù)庫，并且運用個別或整個工作流程來建立新的數(shù)據(jù)庫生成項目。

CTS 中還提供一個軟件開發(fā)工具包（SDK）可以使得CTS使用任何與組件兼容的編程語言，如Visual Basic, Visual C++, Delphi 等。通過SDK也編寫適合自己的組件，向?qū)Ш蜑g覽界面，并且還可以把它們插入到工作流程里面去。所以通過CTS中提供的自動化的工作流程和向?qū)?，會使得?chuàng)建地形的步驟變得很方便和簡單，并且CTS 支持映射分辨率很高的虛擬紋理，大大提高了模型的可視化仿真程度。

CTS在地形創(chuàng)建之前，首先會自行地檢查相關(guān)的數(shù)據(jù)來源，并且進行整理和細分。參照數(shù)據(jù)源來創(chuàng)建相關(guān)的數(shù)據(jù)集，如創(chuàng)建一個Elevation文件夾來存放所有的地形文件，而創(chuàng)建一個culture文件夾來存放所有的文化文件。根據(jù)數(shù)據(jù)集再來創(chuàng)建工作流程，按照預期的順序來進行數(shù)據(jù)處理，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和創(chuàng)建過程中，可以在在操作界面里觀看和確認產(chǎn)生的數(shù)據(jù)庫，如果產(chǎn)生了錯誤的數(shù)據(jù)，則可以單獨重新進行出現(xiàn)錯誤的工作流，并且由機器自行完成，創(chuàng)建的便捷度和工作效率大大提高，而創(chuàng)建的錯誤率則控制到最低。4

Vega Prime 仿真渲染技術(shù)MultiGen-Paradigm 公司開發(fā)的 Vega Prime 系列視景仿真渲染工具軟件， 用來渲染戰(zhàn)場仿真、娛樂、城市仿真、訓練模擬器和計算可視化等領(lǐng)域的視景數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)環(huán)境效果的加入和交互控制。Vega Prime具有諸多高級視景仿真功能，可以迅速地創(chuàng)建各種實時交互的三維視覺環(huán)境，它擁有一些特定的功能模塊，如大面積地形管理等。Vega Prime使視景仿真應(yīng)用程序的開發(fā)具有更好的適應(yīng)性和擴展性。

針對于大地形場景的渲染，Vega Prime提供了大規(guī)模數(shù)據(jù)庫管理工具LADBM，用于解決超過圖像生成器硬件處理能力的圖形數(shù)據(jù)調(diào)度問題的技術(shù)和方法。為了能夠方便地控制覆蓋大面積范圍的場景模型數(shù)據(jù)庫，或者場景數(shù)據(jù)庫包含了密度較大的模型數(shù)據(jù)，這時就需要對場景數(shù)據(jù)庫按照一定的規(guī)則進行適當?shù)姆指畈⑶抑匦陆M織其結(jié)構(gòu)，否則圖形硬件無法一次性地處理整個場景數(shù)據(jù)庫。Vega Prime LADBM模塊中的“區(qū)域”就是提供了一種將場景數(shù)據(jù)庫元素按照嚴格的空間關(guān)系進行分組的機制。大規(guī)模數(shù)據(jù)庫通過區(qū)域進行重新分組和組織后，Vega Prime系統(tǒng)通過“興趣區(qū)域”機制來隨時確定當前視點位置上所有的可見區(qū)域?！芭d趣區(qū)域”與“區(qū)域”機制都是用邊界體及其空間位置來描述的，在實時仿真進行過程中，那些場景中暫時用不到的部分在進入圖形處理管道之前就會被忽略掉，從而可以提高圖形硬件的實際吞吐量，提高Vega Prime系統(tǒng)對于大地形場景模型數(shù)據(jù)庫的處理能力。4