基于lod模型和四叉樹層次結(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景渲染算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維場(chǎng)景建模技術(shù)，尤其涉及一種基于LOD模型和四叉樹層次結(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景渲染算法。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)雜工業(yè)過程仿真系統(tǒng)在生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其像變電站這樣對(duì)運(yùn)行安全要求很高的行業(yè)。電力是現(xiàn)代生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿δ茉?，隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)電力的依賴越來越強(qiáng)，供電的可靠性和安全性，供電質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。而電力系統(tǒng)發(fā)展速度極快，需建立與之相適應(yīng)的具有較高專業(yè)素質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人員和值班人員隊(duì)伍。為此，有必要對(duì)崗位運(yùn)行人員進(jìn)行實(shí)踐培訓(xùn)和專業(yè)培訓(xùn)，使在崗人員的技術(shù)素質(zhì)以及處理事故的應(yīng)變能力進(jìn)一步提高。
[0003]隨著新技術(shù)的應(yīng)用，新一代電力系統(tǒng)的管理和保護(hù)裝置已逐步取代舊設(shè)備。電力是工業(yè)生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿δ茉?，在電力系統(tǒng)發(fā)展速度極快的情況下，急需建立與之相適應(yīng)的具有較高專業(yè)素質(zhì)的電力值班人員。實(shí)際的電力人員培訓(xùn)不但需要較高的成本，而且出現(xiàn)誤操作時(shí)還會(huì)造成人員傷亡以及設(shè)備損壞的事故。因此，通過三維虛擬變電系統(tǒng)對(duì)變電值班人員進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)，縮短培訓(xùn)周期，減少培訓(xùn)費(fèi)用，避免人員傷亡及設(shè)備損壞，并提高電力人員處理事故的應(yīng)變能力等。
[0004]但是構(gòu)建三維場(chǎng)景的模型是大量的，主要包括大量的地形數(shù)據(jù)、二維矢量圖形、三維模型數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量一般是二維地圖數(shù)量的幾十倍甚至是上百倍，如何組織和管理海量數(shù)據(jù)時(shí)三維GIS的核心問題，它關(guān)系到三維模型的瀏覽速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決海量數(shù)據(jù)下三維模型的瀏覽速度，提供了一種基于LOD模型和四叉樹層次結(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景渲染算法，從而改善三維GIS系統(tǒng)中模型確實(shí)以及瀏覽不順暢問題。
[0006]為解決以上問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種基于LOD模型和四叉樹層次結(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景渲染算法，采用LOD模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層和分塊處理以提高三維場(chǎng)景瀏覽的速度，由以下步驟組成:
[0008](I)首先，根據(jù)應(yīng)用需求精度、可視化場(chǎng)景的大小以及地物的復(fù)雜程度及聚集程度，確定LOD建模的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；
[0009](2)數(shù)據(jù)分層:在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和組織、圖形與屬性數(shù)據(jù)采集等之前必須確定三維GIS場(chǎng)景所涉及的所有數(shù)據(jù)的分層規(guī)則，屬于同一類要素類型的地物歸為一個(gè)圖層，并且三維模型在場(chǎng)景中有可能出現(xiàn)重復(fù)性情況，在讀取和傳輸時(shí)只需一次，顯示時(shí)只繪制一次；
[0010](3)數(shù)據(jù)分塊:小規(guī)模場(chǎng)景在漫游過程中作為一塊來處理，當(dāng)場(chǎng)景數(shù)據(jù)規(guī)模增大時(shí)，對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)作分塊處理，分塊越大則掃描越粗糙，包括的頂點(diǎn)越多；反之，得到的裁剪后的頂點(diǎn)數(shù)接近于在視景體內(nèi)的實(shí)際頂點(diǎn)數(shù)。
[0011]對(duì)步驟(3)的某一個(gè)圖層中的對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)作分塊處理及建立索引的過程為:
[0012]①將該層的全部模型數(shù)據(jù)加入到一個(gè)數(shù)據(jù)塊中，計(jì)算該數(shù)據(jù)塊的矩形范圍框；
[0013]②設(shè)置數(shù)據(jù)塊劃分的粒度大小，用數(shù)據(jù)塊中的對(duì)象個(gè)數(shù)或?qū)ο笳加么鎯?chǔ)空間的大小為閾值；
[0014]③判斷數(shù)據(jù)塊中的對(duì)象是否在閾值之內(nèi)，如果滿足，以該數(shù)據(jù)塊的范圍框作為對(duì)象的空間索引；如果不是，以對(duì)象的中心位置將該數(shù)據(jù)塊按四叉樹繼續(xù)劃分成四塊；
[0015]④對(duì)于四叉樹的每一塊，以塊內(nèi)所有對(duì)象的包圍框重新計(jì)算數(shù)據(jù)塊的范圍框，并重復(fù)③，直到所有分塊中的對(duì)象均滿足②中的閾值條件。
[0016]本發(fā)明利用LOD模型來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化，利用四叉樹層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)地理信息的顯示、查詢和分析，并把場(chǎng)景分割為多個(gè)子場(chǎng)景以保證三維場(chǎng)景在漫游時(shí)，顯示區(qū)域的總數(shù)據(jù)量不會(huì)很大，實(shí)時(shí)瀏覽的速度流暢。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述的基于LOD模型和四叉樹層次結(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景渲染算法流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示，本發(fā)明所述的基于LOD模型和四叉樹層次結(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景渲染算法，由以下步驟組成:
[0019](I)首先，根據(jù)應(yīng)用需求精度、可視化場(chǎng)景的大小以及地物的復(fù)雜程度及聚集程度，確定LOD建模的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn):L0D模型在幾何結(jié)構(gòu)上分離散L0D、連續(xù)LOD和多分辨率L0D，在進(jìn)行場(chǎng)景建模時(shí)，由于地物景觀豐富，選擇建立多級(jí)LOD模型，若LOD層次多會(huì)導(dǎo)致頻繁地讀取不同細(xì)節(jié)層次模型數(shù)據(jù)，影響實(shí)時(shí)繪制的流暢性，LOD層次太少會(huì)導(dǎo)致不同等級(jí)切換有明顯的突變現(xiàn)象。
[0020](2)數(shù)據(jù)分層:在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和組織、圖形與屬性數(shù)據(jù)采集等之前必須確定三維GIS場(chǎng)景所涉及的所有數(shù)據(jù)的分層規(guī)則，根據(jù)現(xiàn)實(shí)中，屬于同一類要素類型的地物歸為一個(gè)圖層，并且三維模型在場(chǎng)景中有可能出現(xiàn)重復(fù)性情況，在讀取和傳輸時(shí)只需一次，顯示的時(shí)候只繪制一次，后面的模型可以直接利用讀取好的模型；
[0021](3)數(shù)據(jù)分塊:小規(guī)模場(chǎng)景在漫游過程中作為一塊來處理，當(dāng)場(chǎng)景數(shù)據(jù)規(guī)模增大時(shí)，這需要對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)作分塊處理；對(duì)大范圍區(qū)域進(jìn)行分塊不僅是因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)存空間有限，容納不了大規(guī)模的數(shù)據(jù)，而且有利于進(jìn)行基于分塊的視景體裁剪、模型數(shù)據(jù)的分塊實(shí)時(shí)讀取、紋理的處理和并行繪制；
[0022]分塊的大小對(duì)于最后三維場(chǎng)景的繪制速度影響很大，分塊越大，掃描就越粗糙，包括的頂點(diǎn)也就越多；反之，分塊越小，掃描越精細(xì)，得到的裁剪后的頂點(diǎn)數(shù)也就越接近于在視景體內(nèi)的實(shí)際頂點(diǎn)數(shù)；
[0023](4)對(duì)某一個(gè)圖層中的全部模型進(jìn)行數(shù)據(jù)塊劃分及建立索引的過程為:
[0024]①將該層的全部模型數(shù)據(jù)加入到一個(gè)數(shù)據(jù)塊中，計(jì)算該數(shù)據(jù)塊的矩形范圍框；
[0025]②設(shè)置數(shù)據(jù)塊劃分的粒度大小，用數(shù)據(jù)塊中的對(duì)象個(gè)數(shù)或?qū)ο笳加么鎯?chǔ)空間的大小為閾值；
[0026]③判斷數(shù)據(jù)塊中的對(duì)象是否在閾值之內(nèi)，如果滿足，以該數(shù)據(jù)塊的范圍框作為對(duì)象的空間索引；如果不是，以對(duì)象的中心位置將該數(shù)據(jù)塊按四叉樹繼續(xù)劃分成四塊；
[0027]④對(duì)于四叉樹的每一塊，以塊內(nèi)所有對(duì)象的包圍框重新計(jì)算數(shù)據(jù)塊的范圍框，并重復(fù)③，直到所有分塊中的對(duì)象均滿足②中的閾值條件。
[0028]上述實(shí)施例是提供給本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來實(shí)現(xiàn)和使用本發(fā)明的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可在不脫離本發(fā)明的發(fā)明思想的情況下，對(duì)上述實(shí)施例做出種種修改或變化，因而本發(fā)明的保護(hù)范圍并不被上述實(shí)施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書所提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于LOD模型和四叉樹層次結(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景渲染算法，采用LOD模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層和分塊處理以提高三維場(chǎng)景瀏覽的速度，其特征在于，由以下步驟組成: (1)首先，根據(jù)應(yīng)用需求精度、可視化場(chǎng)景的大小以及地物的復(fù)雜程度及聚集程度，確定LOD建模的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)； (2)數(shù)據(jù)分層:在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和組織、圖形與屬性數(shù)據(jù)采集等之前必須確定三維GIS場(chǎng)景所涉及的所有數(shù)據(jù)的分層規(guī)則，屬于同一類要素類型的地物歸為一個(gè)圖層，并且三維模型在場(chǎng)景中有可能出現(xiàn)重復(fù)性情況，在讀取和傳輸時(shí)只需一次，顯示時(shí)只繪制一次； (3)數(shù)據(jù)分塊:小規(guī)模場(chǎng)景在漫游過程中作為一塊來處理，當(dāng)場(chǎng)景數(shù)據(jù)規(guī)模增大時(shí)，對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)作分塊處理，分塊越大則掃描越粗糙，包括的頂點(diǎn)越多；反之，得到的裁剪后的頂點(diǎn)數(shù)接近于在視景體內(nèi)的實(shí)際頂點(diǎn)數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LOD模型和四叉樹層次結(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景渲染算法，其特征在于:對(duì)步驟(3)的某一個(gè)圖層中的對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)作分塊處理及建立索引的過程為: ①將該層的全部模型數(shù)據(jù)加入到一個(gè)數(shù)據(jù)塊中，計(jì)算該數(shù)據(jù)塊的矩形范圍框； ②設(shè)置數(shù)據(jù)塊劃分的粒度大小，用數(shù)據(jù)塊中的對(duì)象個(gè)數(shù)或?qū)ο笳加么鎯?chǔ)空間的大小為閾值； ③判斷數(shù)據(jù)塊中的對(duì)象是否在閾值之內(nèi)，如果滿足，以該數(shù)據(jù)塊的范圍框作為對(duì)象的空間索引；如果不是，以對(duì)象的中心位置將該數(shù)據(jù)塊按四叉樹繼續(xù)劃分成四塊； ④對(duì)于四叉樹的每一塊，以塊內(nèi)所有對(duì)象的包圍框重新計(jì)算數(shù)據(jù)塊的范圍框，并重復(fù)③，直到所有分塊中的對(duì)象均滿足②中的閾值條件。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于LOD模型和四叉樹層次結(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景渲染算法，采用LOD模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層和分塊處理以提高三維場(chǎng)景瀏覽的速度，首先，根據(jù)應(yīng)用需求精度、可視化場(chǎng)景的大小以及地物的復(fù)雜程度及聚集程度，確定LOD建模的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行數(shù)據(jù)分層；數(shù)據(jù)分塊：小規(guī)模場(chǎng)景在漫游過程中作為一塊來處理，當(dāng)場(chǎng)景數(shù)據(jù)規(guī)模增大時(shí)，對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)作分塊處理。本發(fā)明利用LOD模型來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化，利用四叉樹層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)地理信息的顯示、查詢和分析，并把場(chǎng)景分割為多個(gè)子場(chǎng)景以保證三維場(chǎng)景在漫游時(shí)，顯示區(qū)域的總數(shù)據(jù)量不會(huì)很大，實(shí)時(shí)瀏覽的速度流暢。
【IPC分類】G06T15-00, G06T17-00
【公開號(hào)】CN104751505
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310243122
【發(fā)明人】蘇克明, 吳 琳, 張曉鋒, 馮穎, 余江, 梁順, 吳煜偉, 陳煒, 李霞, 詹起林
【申請(qǐng)人】國(guó)家電網(wǎng)公司, 江西九江供電公司, 國(guó)電南瑞科技股份有限公司
【公開日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2013年6月19日