基于分形理論的高精度地形繪制算法研究.pdf

1、地形實(shí)時(shí)繪制理論與方法及其交互式可視化技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、科學(xué)計(jì)算可視化等交叉學(xué)科研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。隨著計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)的完善，促進(jìn)了真實(shí)感圖形的生成算法的不斷發(fā)展，使地形三維實(shí)時(shí)繪制，尤其是高度真實(shí)感立體繪制技術(shù)成為交叉學(xué)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。盡管許多高檔圖形工作站已能進(jìn)行數(shù)以萬計(jì)量級(jí)的三角形的實(shí)時(shí)繪制，但由于大場景海量地形數(shù)據(jù)描述的需求，計(jì)算所需的時(shí)空代價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般圖形實(shí)時(shí)繪制和內(nèi)存管理的能力。人們一直在追

2、求真實(shí)的地形繪制，但是，在提高地形繪制效率的同時(shí)，不得不損失地形的真實(shí)感。本文針對(duì)當(dāng)前地形三維繪制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，吸取了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算幾何、科學(xué)可視化、虛擬顯示等先進(jìn)理論，圍繞地形三維可視化及其實(shí)時(shí)繪制技術(shù)中的數(shù)字地形模型、三維真實(shí)感地形生成、分形地形模擬以及多分辨率表達(dá)等技術(shù)內(nèi)容展開研究與實(shí)踐，目標(biāo)旨在提高繪制速度的同時(shí)建立高精度真實(shí)感地形。 本文的主要工作研究如下： （1）回顧了地形繪制技術(shù)的發(fā)展過程以及三維地形

3、仿真技術(shù)的相關(guān)問題，并比較分析了基于頂點(diǎn)選擇算法、ROAM 算法以及VDPM 等幾種典型的地形繪制方法，總結(jié)了這些算法的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了一種不同于傳統(tǒng)連續(xù)LOD 算法思想模式的算法流程。這種新的算法流程的優(yōu)點(diǎn)在于不需要重復(fù)操作內(nèi)存來獲取不同分辨率的地形模型，取而代之的是根據(jù)視點(diǎn)變化來獲取不同區(qū)域范圍內(nèi)的特征參數(shù)。因此，在減小計(jì)算機(jī)負(fù)荷的同時(shí)節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，提高了繪制效率。 （2）針對(duì)當(dāng)前連續(xù)LOD 算法的現(xiàn)狀，提出了基于分形原理的

4、連續(xù)LOD 算法。 由于地形具有自然界景物的復(fù)雜性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，一般內(nèi)插法無法表示出地形的真實(shí)感和隨機(jī)性。而具有自相似性和無限細(xì)分性的分形理論為描述自然界的復(fù)雜事物提供了有效的方法。因此本文將分形理論應(yīng)用于地形的實(shí)時(shí)繪制技術(shù)中，提高了地形顯示的真實(shí)感。 （3）詳細(xì)比較分析了各種分形算法的特點(diǎn)，提出一種在已有DEM 的基礎(chǔ)上進(jìn)行地形插值的隨機(jī)中點(diǎn)位移地形插值方法。目前分形在地形繪制上的應(yīng)用均為在有限控制點(diǎn)的狀態(tài)下生成三維

5、分形地形，這種生成地形的方法大致分為基于迭代函數(shù)分形插值法和基于分形布朗運(yùn)動(dòng)分形插值法。在深入研究了前人所用的方法后，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)中點(diǎn)位移法的合成速度很快，并且時(shí)間復(fù)雜度較低，實(shí)現(xiàn)容易，將隨機(jī)中點(diǎn)位移地形插值法成功地應(yīng)用于連續(xù)LOD 算法中。 （4）針對(duì)隨機(jī)中點(diǎn)位移法容易產(chǎn)生“褶皺痕跡”的現(xiàn)象，提出一種改進(jìn)的隨機(jī)中點(diǎn)位移細(xì)分技術(shù)，這種方法較好的克服了上述困難，即在隨機(jī)變量的選取上添加一個(gè)與特征參數(shù)相關(guān)的補(bǔ)償項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，特征參數(shù)在