1、地表可視化技術,本講主要內容,三維可視化基礎知識 地形可視化 三維地形可視化應用,3D可視化基本概念 三維可視化引擎 三維可視化渲染流程,三維可視化基礎,坐標系,坐標系,世界坐標系 物體坐標系,坐標變換,把三維物體變?yōu)槎S圖形表示的過程稱為投影變換。投影變換的分類情況如下表所示：,坐標變換,正平行投影,坐標變換,透視投影,坐標變換,透視投影,坐標變換,實際上，從三維空間到二維平面，就如同用相機拍照一樣，通常都要經歷以下幾個步驟 （括號內表示的是相應的圖形學概念）：第一步，將相機置于三角架上，讓它對準三維景物（視點變換，Viewing Transformation）。第二步，將三維物體放在適當?shù)?/p>

2、位置（模型變換，Modeling Transformation）。,坐標變換,第三步，選擇相機鏡頭并調焦，使三維物體投影在二維膠片上（投影變換，Projection Transformation）。第四步，決定二維像片的大?。ㄒ暱谧儞Q，Viewport Transformation）。這樣，一個三維空間里的物體就可以用相應的二維平面物體表示了，也就能在二維的電腦屏幕上正確顯示了。,圖元,3D顏色表達,3D引擎一般采用紅(R)、綠(G) 、藍(B)和阿爾法(A)描述顏色，并將它們合成，產生最終顏色。R、G、B、A稱之為顏色通道，其中A描述了色彩的透明度屬性。 表達顏色的Bit即色深決定了顏色的表

3、現(xiàn)力和豐富程度。OpenGL采用float精度也就是4個字節(jié)表現(xiàn)一個顏色通道，而Direct3D采用Byte精度也就是1個字節(jié)表現(xiàn)一個顏色通道。 不斷增大的色深是3D顏色表達的大勢所趨。,頂點顏色,頂點法向量、平面正方向,3D中使用頂點法向量計算光源和表面間的夾角，對多邊形進行著色 3D中每個面有一個垂直的法向量。該向量的方向由定義面頂點的順序及坐標系統(tǒng)是左手系還是右手系決定。表面法向量從表面上指向正向面那一側，如果把表面水平放置，正向面朝上，背向面朝下，那么表面法向量為垂直于表面從下方指向上方，這個就是平面正方向,光照,一般三維引擎光照模型將光歸納為兩類：環(huán)境光和直射光 環(huán)境光，和自然界中的

4、一樣，沒有實際的方向和光源，只有顏色和光強 。它給各處提供一個較低級別的光強 直射光是場景中的光源產生的光，它總是具有顏色和強度，并沿特定的方向傳播。 直射光類型：點光源、聚光燈和平行光,著色模式,用于控制渲染多邊形的著色模式完全影響到渲染結果。著色模式決定多邊形表面上任意一點上顏色的強度和光照計算方式,材質,材質表現(xiàn)了物體表面對燈光的反射屬性。在D3D和OpenGL中材質還有一個自發(fā)光屬性Emissive ，它用來描述物體自身發(fā)出的光的顏色和透明度的。 顏色成員為R: 1.0, G: 1.0, B: 1.0, A: 1.0的材質會反射所有的入射光。同樣，成員為R: 0.0, G: 1.0,

5、B: 0.0, A: 1.0的材質會反射所有入射的綠光。具有多重反射系數(shù)值（Diffuse、Specular、等等）的材質可以創(chuàng)建不同類型的效果 。 除了Specular屬性，其余每個屬性都用一個RGBA顏色描述，表示該材質對某一給定類型光的紅、綠和藍成分的反射度，以及一個阿爾法混合因子RGBA顏色的A。,材質效果圖,紋理,計算機圖形學中，紋理指的是一張表示物體表面細節(jié)的位圖。 紋理映射：,紋理坐標,MIP-MAP紋理映射,引擎用來減少紋理內存和帶寬需求的另外一個技術就是 MIPMAP。 MIP 映射技術通過預先處理紋理，產生它的多個拷貝紋理，每個相繼的拷貝是上一個拷貝大小的1/4。 使用 M

6、IP-MAP ，還可以有效解決紋理走樣問題。,相比最初來說，單一紋理映射已給整個3D真實感圖形帶來很大的不同，但使用多重紋理甚至可以達到一些更加令人難忘的效果。,多重紋理映射,填充模式,Front Buffer and Back Buffer,Z緩存,在3D環(huán)境中，每個像素中會利用一組數(shù)據(jù)資料用來定義像素在顯示時的縱深充（即Z軸座值）在Z BUFFER所用的位數(shù)越高，則代表該顯示卡所提供的物體縱深感也越精確。一般的3D加速卡僅能支持到16位或24位的Z BUFFER，對于普通的3D模型而言也算是足夠了，不過高級的3D卡更可支持到32位的Z BUFFER。對一個含有很多物體連接的較復雜3D模型而

7、言，能擁有較多位數(shù)來表現(xiàn)深度感是相當重要的事情。例如一臺500公尺長的飛機，其管線之間僅相距5公分的距離，2-bitZBUFFER將無法提供足夠的精確性讓我們從某些視角能清楚地辨別二條管線的前后順序。當顯示卡嘗試要顯示這二條管線時，它會試著一次將二個同時顯示出來，因而產生令人討厭的閃爍現(xiàn)象。若使用的32位的Z BUFFER就能避免閃爍現(xiàn)象發(fā)生。,Z Buffer,高性能圖形技術的工業(yè)標準,SGIs OpenGL & Microsofts Direct3D define ways of rendering images, and they provide an intermediate laye

8、r of control between the Video Hardware (Videocard) and the Video Software,分布式環(huán)境下的高性能3D圖形技術 VRML（1994）- X3D（1998）：X3D整合正在發(fā)展的XML、JAVA、流技術等先進技術，包括了更強大、更高效的3D計算能力、渲染質量和傳輸速度 Java3D/GL4Java（OpenGL For Java）,OpenGL,OpenGL(Open Graphics Library)是以SGI公司的GL三維圖形庫為基礎制定的 一個通用共享的開放式三維圖形標準。從軟件的角度講，它就是一個開放的針 對于圖形硬

9、件的三維圖形軟件包。 OpenGL的優(yōu)點：1) OpenGL可以大大降低了開發(fā)高質量圖形軟件對軟、硬 件的依賴程度；2)跨平臺，基本上的工業(yè)標準；3)學習容易，上手快；,Windows NT下OpenGL的結構,OpenGL程序運行方式,OpenGL硬件加速方式一些顯示芯片如3Dlabs公司的GliNT進行了優(yōu)化，OpenGL的大部分功能均可由硬件實現(xiàn)，僅有少量功能由操作系統(tǒng)來完成。 三維圖形加速模式一些中低檔的圖形芯片往往也具備一定的三維加速功能，由硬件來完成一些較為復雜的圖形操作。 純軟件模式對于不具備三維加速功能的顯示卡，要想運行OpenGL，采用純軟件模擬方式。,DirectX,Dir

10、ectX是基于COM的一套軟件編程接口。 DirectX 是微軟的游戲開發(fā)引擎。最新的版本是DirectX9.0c。 微軟的DirectX軟件開發(fā)工具包（SDK）提供了一套優(yōu)秀的應用程序編程接口（APIs），這個編程接口可以提供給你開發(fā)高質量、實時的應用程序所需要的各種資源。 使用DirectX的主要的兩個好處：1)為軟件開發(fā)者提供硬件無關性；2)為硬件開發(fā)提供策略。,Direct3D,硬件抽象層,Direct3D通過硬件抽象層HAL 提供了設備無關性。HAL 是一個與設備相關的接口，它由設備制造商提供，Direct3D 通過它直接控制顯示設備。應用程序不會直接與 HAL 打交道。相反，通過

11、HAL 提供的特性，Direct3D 提供了一系列接口和方法用于應用程序繪制圖形。 HAL可以是顯示驅動程序的一部分，也可以是一個動態(tài)連接庫(DLL)。HAL 由芯片制造商、板卡生產者或者原始設備制造商(OEM)實現(xiàn)。HAL 實現(xiàn)了設備依賴的代碼，但是并不做任何的模擬。也就是說，如果硬件并不提供某一個功能，HAL 并不將其聲明為硬件的能力。另外，HAL 并不驗證參數(shù)；Direct3D 在調用 HAL 以前就已經完成了這項操作。,Direct與OpenGL,目前來看，OpenGL和D3D在應用領域上各有側重。OpenGL在工業(yè)領域應用較多，而D3D在游戲領域則更多。 D3D學習掌握較困難，但完善

12、的輔助庫支持，使得搭建三維應用更快捷。在Windows平臺下優(yōu)勢明顯。 OpenGL架構相對穩(wěn)定，更規(guī)范嚴格，跨平臺和獨立窗口意義重大，容易掌握；但復雜應用上工作量很大。,固定流水線管道: CPU頂點數(shù)據(jù)T&L引擎裁減/三角形設置/光柵化多紋理混合處理霧混合透明度/模板和深度測試幀緩沖 可編程流水線管道: CPU頂點數(shù)據(jù) Vertex Shader、T&L引擎裁減/三角形設置/光柵化 Pixel Shader、多紋理混合處理霧混合透明度/模板和深度測試幀緩沖,兩種流水線管道,3D游戲效果圖,3D操作系統(tǒng),地形可視化,傳統(tǒng)的地學分析圖形中，三維地形立體圖通常是用一組經投影變換的剖面線或網線構造的

13、，圖形簡單，內容單一，缺乏實體感，實用價值受到限制。而三維地形模型的動態(tài)顯示是區(qū)域地形等多種要素三維景觀的綜合體現(xiàn)，具有信息豐富、層次分明、真實感強的特點。 我們可通過獲取地形等高線及地表屬性多邊形等信息，采用適當?shù)膬炔鍞M合方法，生成真實描述實際地表特征的數(shù)字高程模型，并用柵格化技術建立相應的描述區(qū)域地表類型的屬性柵格，經透視投影變換和屬性疊加后，采用恰當?shù)南[處理和光照模型進行顯示，再現(xiàn)區(qū)域的三維地形形態(tài)，取得真實、鮮明、直觀的圖像效果。,生成真實感圖形基本步驟,1、建立模型 模型的建立分以下三個小步： （1）建立物體的幾何模型，設定物體的光學屬性，其中多邊形建模方法是最常用的模型表示方法，

14、該方法將對象簡化成一系列多邊形表面。物體的光學屬性包括對光的漫反射系數(shù)、鏡面反射系數(shù)、折射率、透明度、顏色、紋理、粗糙度等 ； （2）設定光源的位置、形狀及光學特性； （3）設定視點和視屏位置。 2、計算視屏上各像素點的顏色 ： （1）不可見面消除； （2）陰影計算； （3）光照顏色計算 選擇合適的光照模型，計算在光源照射下物體表面各可見點對視屏上各像素點的光貢獻，由此求出視屏上各像素點的顏色值。 3顯示計算到屏幕上。,DEM數(shù)據(jù)組織,DEM庫采用金字塔結構存放多種空間分辨率的地形數(shù)據(jù)，同一分辨率的柵格數(shù)據(jù)被組織在一個層面內，而不同分辨率的地形數(shù)據(jù)具有上下的垂直組織關系：越靠近頂層，數(shù)據(jù)的分辨

15、率越小，數(shù)據(jù)量也越小，只能反映原始地形的概貌；越靠近底層，數(shù)據(jù)的分辨率越大，數(shù)據(jù)量也越大，更能反映原始地形詳情,數(shù)據(jù)分塊調度,由于受到目前操作系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)量的限制,存在于DEM庫中的海量地形數(shù)據(jù)不可能全部常駐內存。鑒于內外存的數(shù)據(jù)交換非常耗時，為了盡量減少數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)存取，需要針對三維地形可視化的特點對空間對象進行緩沖管理。,在內存中用一塊存儲區(qū)作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小有一定限制，在進行數(shù)據(jù)存取時只能將部分數(shù)據(jù)讀入，操作過程中需要進行數(shù)據(jù)的“部分裝入”和“部分對換”，這種數(shù)據(jù)交換技術稱為緩沖管理。,視域范圍計算,層次細節(jié)模型,Level of Detail: 一種實時三維計算機圖

16、形技術，最先由Clark于1976年提出。 工作原理: 視點離物體近時，能觀察到的模型細節(jié)豐富；視點遠離模型時，觀察到的細節(jié)逐漸模糊。系統(tǒng)繪圖程序根據(jù)一定的判斷條件，選擇相應的細節(jié)進行顯示，從而避免了因繪制那些意義相對不大的細節(jié)而造成的時間浪費，同時有效地協(xié)調了畫面連續(xù)性與模型分辨率的關系。,多尺度表示的自然法則,Multiscale representation in 2D,LODs representation in 3D,度量上的LOD與視覺上的LOD,靜態(tài)層次細節(jié)模型,視點抬高時地形 線框/實體繪制效果,常見層次細節(jié)模型四叉樹,四叉樹： 遞歸地將地形分割成小的區(qū)塊來逼近真實地形。,常見

17、層次細節(jié)模型ROAM,實時的最優(yōu)自適應網格（ROAM）： 在對地形進行三維顯示時,依據(jù)視點的位置和視線的方向等多種因素，對于表示地形表面的三角形片元進行一系列的基于三角形二叉剖分分裂與合并，最終形成和原始表面近似且無縫無疊的簡化連續(xù)三角化表面。,層次細節(jié)模型裂縫,在建立地表模型時，如果只是單純孤立地繪制各個分塊，而不考慮它們之間的聯(lián)系，那么就會出現(xiàn)塊間的“裂痕”現(xiàn)象。,裂縫的產生：,產生原因 ：,相鄰分塊在公共邊上的處理方式不一致。,層次細節(jié)模型裂縫消除,層次細節(jié)模型視覺平滑,模型層次切換時，采用幾何形狀過渡方法形成視覺的光滑過渡 ,即將新增點隨視點的拉近從起始位置逐漸移動到最終位置。,地形層

18、次細節(jié)模型效果,動態(tài)層次細節(jié)模型的不足,遍歷整個場景地形數(shù)據(jù)的預處理，時間開銷較大。,實時漫游存儲原始的地形數(shù)據(jù)、各個層次簡化因子以及層次間的相互關系，空間開銷較大。,參與繪制的三角形具體數(shù)量難以估算。,視點所在區(qū)域地形較為平坦時，影響視覺效果。,矢量疊加操作缺乏準確的高程依據(jù)。,LOD,平面暈渲圖,地貌暈渲是目前在地圖上產生地貌立體效果的主要方法，其基本原理是：描繪出在一定的光源條件下地貌的光輝與陰影的變化，通過人的視覺心理間接地感受山體的起伏變化。 暈渲法的關鍵是正確地設置光源和描繪光影，以及地面各點日照度的計算。,洪水淹沒模擬,基于DEM的三維可視化分析模型，有助于用戶對空間數(shù)據(jù)的直觀理解，形象地描述各種地形特征；同時，它也能提供一個動態(tài)的可互式顯示環(huán)境，用以在相應空間氛圍內逼真創(chuàng)建和顯示復雜物體，提供進一步的空間查詢及輔助分析。,DEM與矢量、影像數(shù)據(jù)疊加顯示,在