基于LOD和运动预测的大规模地形实时渲染技术研究

发布时间：2017-04-02 06:04

  本文关键词：基于LOD和运动预测的大规模地形实时渲染技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大规模地形的可视化受益于计算机技术、图形图像技术的日益发展,在诸如地理信息系统、军事模拟训练系统、虚拟现实领域和大场景游戏等领域发挥着重要作用。大规模地形的实时渲染作为大型室外场景不可或缺的部分,近年来逐渐成为图形图像学的研究热点。而在实时渲染时,要满足画面真实感的需求时,往往对地形绘制的实时性是一种挑战。此外,内外存之间调度的大量地形数据对渲染的实时性造成了巨大的影响。细节层次模型(LOD)作为一种保证绘制实时性的经典算法,精简了地形模型,减少了地形绘制所需的三角形个数,最终达到提高渲染速度的效果。同时,结合合理的磁盘调度,减少内外存之间调度差异带来的延迟,进而保证大规模地形的实时绘制。LOD技术简化所要绘制的事物的表面的细节层次,减少绘制量,很大程度上使得绘制场景简单化,进而提高渲染速度。LOD技术结合人眼观察事物的特点,使得近处的事物采用那个较高层次的细节模型,呈现更加清晰化,而较远事物采用较低层次模型,从而合理的解决场景真实感和渲染速度之间的矛盾。该技术合理有效地解决了视觉画面效果与大规模地形渲染速度之间的矛盾。本文对已有的LOD算法和一些相关调度方法进行了深入学习,从而结合数据结构和地形分块分层技术,提出了基于屏幕误差的LOD模型生成算法;同时,针对内外存之间的读写速度差异问题,采用一种将所需数据提前调入内存的策略,有效的保证大规模地形渲染的实时性。主要工作具体如下:1.针对大规模地形实时渲染问题,深入学习了已有的算法以及相关的一些研究成果,进一步了解了LOD模型在大规模地形实时绘制领域的具体应用,同时,对地形细节层次模型LOD、事物的可见性判定、采用LOD时的数据误差、纹理映射的相关技术以及计算机磁盘合理调度等技术。2.在深入学习已有的基于四叉树的LOD地形实时渲染算法的基础上,提出了一种基于四叉树包围球和屏幕误差的LOD算法。本文的算法将地形渲染的整个过程从预处理阶段和实时绘制阶段两个部分进行探讨,将对地形的分块和构造包围球的工作提前计算,不仅减少了地形数据的存储量,而且很大程度上减少了实时绘制阶段的计算量。实时绘制阶段,依据基于投影和包围球的视锥裁剪方法实时调入可见地形块,结合四叉树结构建立基于包围球屏幕误差的LOD模型,实现大规模地形的实时渲染。实验表明该方法有效地提高了地形渲染速度,一定程度保证了地形渲染的流畅。3.结合改进的LOD算法,提出了一种基于埃尔米特运动预测的地形实时绘制方法。采用埃尔米特插值算法进行视点运动预测,提前加载下一视点位置及视线方向的地形数据,减少了实时绘制时的动态加载量;同时,该算法计算量较小,稳定性较高,在取适当步长的情况下,能获得期望的精度,不会出现Runge现象。实验表明,该方法在渲染地形时,帧速率变化小,提高了地形渲染速度,避免了视觉上的跳跃感。
【关键词】：地形渲染 四叉树 LOD 埃尔米特
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究背景10-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.3 研究内容与组织结构14-16
• 第二章 实时地形绘制的相关技术16-30
• 2.1 数字地形模型16-19
• 2.1.1 数字地形模型的相关介绍16-17
• 2.1.2 数字高程模型分类17-19
• 2.2 层次细节模型（LOD）19-22
• 2.2.1 静态层次细节模型19-20
• 2.2.2 动态层次细节模型20-22
• 2.3 可见性剔除概述22-24
• 2.3.1 背面裁剪算法（Back-fac Culling）22-23
• 2.3.2 遮挡裁剪算法（Occlusion Culling）23
• 2.3.3 视锥裁剪算法（View-frustum Culling）23-24
• 2.4 误差度量24-27
• 2.4.1 物体空间误差度量25-26
• 2.4.2 物体屏幕误差度量26-27
• 2.5 纹理相关技术27-28
• 2.6 合理的磁盘调度28-29
• 2.7 本章小结29-30
• 第三章 基于四叉树包围球和屏幕误差的LOD算法30-42
• 3.1 基于四叉树数据结构的地形绘制简述30-32
• 3.1.1 数据组织结构30-31
• 3.1.2 地形划分31-32
• 3.1.3 基于四叉树的地形绘制32
• 3.2 基于四叉树包围球和屏幕误差的LOD算法32-37
• 3.2.1 地形分块与编号32-33
• 3.2.2 基于四叉树的包围球构造方法33-34
• 3.2.3 基于投影和包围球结构的视锥裁剪34-36
• 3.2.4 基于包围球结构的屏幕误差函数构造36-37
• 3.3 算法流程与实验结果37-41
• 3.3.1 算法流程37-38
• 3.3.2 实验结果及分析38-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 基于埃尔米特的视点运动预测的地形实时绘制42-53
• 4.1 视点运动预测42-46
• 4.1.1 拉格朗日运动预测42-43
• 4.1.2 埃尔米特算法43-45
• 4.1.3 步长的选取45-46
• 4.2 基于四叉树孤立分割的裂缝处理46-49
• 4.2.1 瓦片间及瓦片内的裂缝47-48
• 4.2.2 裂缝消除48-49
• 4.3 实验结果与分析49-51
• 4.3.1 预测准确性比较50
• 4.3.2 帧速率方差比较50-51
• 4.4 本章小结51-53
• 第五章 论文总结与展望53-56
• 5.1 论文总结53-54
• 5.2 展望54-56
• 参考文献56-60
• 致谢60-61
• 攻读学位期间发表的学术论文目录61

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