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三维地形的实时动态渲染
摘要：结合遥感（RS）与虚拟现实（VR）技术，通过基于OpenGL的实时动态渲 染来显示和实现三维图像场景。 主要步骤包括：通过LOD获取地形数据，重建数字高程模型（DEM），确定遥感图像与地面点之间的变换关系，描述基于OpenGL的三维地形数据和纹理数据，选择飞行或步行路线和三维地形立体视图在电脑屏幕上显示出来，最后给出了相应的实验结果和结论。
关键词：三维地形的实时和动态渲染，遥感图像，OpenGL，立体视图，数字高程模型。
- 介绍
虚拟现实（Virtual Reality，虚拟现实）是过去几年来出现的新型计算机技术。 它是一种模拟技术，其中虚拟世界的创建被用来模拟我们所生活的现实世界，并且操作者与虚拟世界中的对象相互作用，如同亲自在场景中一样。在VR（虚拟现实）系统中，虚拟环境通常被应用于创建虚构的图像，被创建出的整个虚拟图像的性质表现的是如同真实世界般多彩多姿的立体世界，我们每天都在三维立体地形上生活，因此就虚拟环境而言，三维地形的实时和动态渲染技术不仅是虚拟现实技术的基础技术，而且是它的重要组成部分。
随着虚拟现实（VR）技术的发展，RS（遥感）技术近年来也发生了巨大变化。自1998年初以后，分辨率高达0.82m或1m的新一代商用地球成像卫星的推出，将标志着地球观测空间成像新时代的开始（Fritz，1996）。遥感图像是对地球表面的实际记录。在本文中，我们将讨论如何使用遥感图像技术来重建三维图像场景，从而实现进一步的动态渲染。
实时显示对于虚拟地形环境至关重要。一系列研究表明，当屏幕的刷新间隔小于16ms时，人们便可以感觉到渲染的不连续性。每秒超过30帧是最好的 ，但到目前为止，硬件性能是难以跟上PC平台上的这种更新速度的；而在另一方面，对于最复杂的场景来说，其复杂性是无限的。所以我们有必要降低渲染地形的复杂性。Wavelet便提供这一功能。Wavelet是一个非常有用的数学工具包，可以用于分层和分解功能，并允许进行有效的多分辨率数据表示。本文采用了使用小波到LOD的快速地形数据的方法。
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。
最后，我们使用流行的图形包—— OpenGL在三维地形渲染过程中实现在电脑屏幕上的立体观看。在这一过程中，我们无需使用任何现有的光机械立体显示器，操作者可以直接观察屏幕，从而使操作者的感觉以及感知虚拟现实技术的体验到达更高的水平。
在以下的部分中，我们将详细讨论三维地形的动态和实时渲染技术的有关理论基础，并在PC平台上给出了具体的实验结果。
2.获取地形数据
由郑州测绘研究所（ZISM）开发的“ZI-MAPS信息快速采样系统”软件，已经在本实验中完成了矢量化地形图和内插DEM数据的任务。
- 用LOD表示数字高程模型（DEM）
数字高程模型（DEM）是一种表示地形信息的信号集，通常以光栅结构存储。 “数学显微镜”著名的小波理论也可以应用于数字高程模型的LOD表达。假设我们有数字高程模型信号，是的近似的代表，相对于分辨率为来说，的有限小波方程为：
（1）
就实验区域的数字高程模型信号而言，分解一次方程可以得到四个较低分辨率信号。 此外，这四个较低分辨率的信号可以重建原始数据。 通过多维小波正交处理，可以获取任何规模的数字高程模型数据，从而完成了由LOD表示的数字高程模型任务。
- 确定远程图像与地面点之间的转换
不同的遥感传感器具有不同的图像原理，可以通过相应的投影变换方程来处理不同的遥感图像。 在进行3D地形动态渲染之前，基于使用控制点的数学模型对遥感图像进行几何预处理是非常必要的，该方法在摄影测量中称为数字差分整流，实际上就是确定两个纹理图像之间的平移关系和相应的数字高程模型数据的过程 。
例如，航空遥感是地面的中心投影，因此用作纹理图像的两个遥感图像之间的平移相对于地面来说就是一种透视投影技术的结果。
直接线性翻译（DLT）是一种直观的描述遥感图像与地表之间的透视关系的分析表达式。 表达式中有11个参数。
(2)
在该公式中：
是图像中控制点的坐标; 是相应的地面坐标;是转换参数。
通过利用超过六个控制点来占据一定的布局，公式中的这十一个系数可以通过使用最小二乘法原则来进行计算得出，从而确定遥感图像与地面之间的平移关系。
最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达。
在实验中，我们选择采用间接方法（反向解决方案）来完成数字整流的工作。在这种情况下，我们从某个数字高程模型的节点开始形成相应的“图像点”的位置。 通过对最近像素N的灰度值直接作为点P（x，y）的位置的最近像素方法的重采样来获取最终图像点的灰度值，作为该点的采样灰度值。
通过上述处理，我们最终获取了遥感正射影像，并将其作为最终纹理图像。
- 描述基于OpenGL的三维地形数据和纹理数据
OpenGL是从SGI图形包GL开发的，它定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口。它用于三维图像（二维的亦可），是一个功能强大，调用方便的底层图形库。目前，SGI、微软、IBM和惠普等大公司都以OpenGL作为通用的图形标准。OpenGL已经被业界视为图形和交互式场景处理中的高性能标准图形包。OpenGL包含100多种图形功能。 可以帮助程序员实现在 PC、工作站、超级计算机等硬件设备上的高性能、极具冲击力的高视觉表现力图形处理软件的开发。其主要功能有模型渲染、模型观察、光线处理、颜色模式分配、图像效果增强、位图载入和图像处理、纹理化和实时动画渲染。 其中最重要的是双重缓冲技术，在这一技术中，OpenGL提供两个完整的颜色缓冲区，一个显示时另一个被绘制。 当帧的绘制完成时，两个缓冲区被交换。
自然景物的轮廓是“自相似”的，利用这个特征，使用分形曲线，可以获得逼真的效果，进而用光滑曲线对海岸线、山的轮廓等不规则曲线进行描述时产生的失真问题被解决了。分形曲面是由分形曲线发展而来的，用它描述的地形地貌可以得到非常好的视觉效果。
在层次细节技术中，这些不同细节层次的模型可以是在程序运行前建立的。也可以是在运行时刻计算生成的。我们可以从一个全细节的模型出发，通过一系列简化操作生成低细节程度的模型，简化操作可以分成三种:顶点删除，边压缩和面片收缩技术。通过这样处理后，我们可以在特定的场合下选择合适的模型，而不必每次都选用全细节的模型，这样可以大大的降低场景三角形数量。
地形作为一种特殊的几何物体，我们在运用LOD法则的时候有一些特殊的技巧。因为地形通常是一个规则的矩形网格。其简化模式可以有两种:规则的简化和非规则的简化，规则的简化通常是对这个矩形网格采用自顶向下、分而治之的策略，典型的有四叉树和二叉树，它们从场景的最低细节层度开始，按需要不断的提高细节。非规则的简化通常是采用自底向上的方法来处理的。它的实现则通常比较少。
在本文中，我们选择使用VC 中的微软基础类（MFC），并使用OpenGL作为底层图形库来完成三维地形动态渲染。三维地形渲染的具体过程为：首先将场景数据解释为一些OpenGL原语调用。 其主要过程包括：基于OpenGL构建地形模型，描述纹理映射和其他属性，设置相机。
- 建立基于OpenGL的地形模型
这是将数字高程模型解释为OpenGL原语的过程。 使用OpenGL的过程中，所有的几何对象最终都被描述为一组有序的顶点，OpenGL本身提供点、线、多边形、三角形、四边形等。数字高程模型数据通常由多边形切片构成，每个多边形都用三个点进行描述。
- 描述纹理映射和其他属性
该属性包括三维图形的纹理、转换、颜色和照明。每个属性对应一个或者一些OpenGL原语。举个例子来说，我们可以使用相应的函数来描述对应于OpenGL原语的纹理映射：glTexImage2D（...）fglTexParameterf [...] tglEnable（GL_T EXTURE_2D）fglTexCoord2f（...）等。
- 相机设定
相机的设置可以分为两个步骤：分别是投影变换和视点设置。 这一步骤完成从三维场景到二维屏幕的投影过程。
- 选择航班或步行路线
三维地形的漫步或飞越是虚拟现实系统应提供的基本功能之一。 选择航班或步行路线包括：
- 直接在远程正射影像上选择穿越路线或步行路线，并在路线上记录每个视点的平面位置坐标。
2. 通过样条插补通过对应的数字高程模型数据获取视点下的地形表面的高程。
3. 在步行通道的情况下，视点的高度等于观察者高度的视角下的地形高程。 在飞越的情况下，视点的高度等于地面高程，视点加上飞行高度。
7.电脑屏幕上的三维地形立体视图
在虚拟现实（VR）系统中，立体视觉是非常重要的基本能力。 在观察虚拟模拟环境时，观察者可以感觉到自己正在沉浸其中和亲自参与，本文采用计算机CRT屏幕上的时分立体观看。 左右视图以现场顺序交替显示，并采用由红外发射器控制的液晶显示（LCD）快门眼镜。 同步信号从计算机和LCD快门通过VGA适配器玻璃到个人计算机的接口。
使用OpenGL原语，我们可以通过以下功能实现字段划分：
glDrawBuffer（GL_LEFT）; / *选择左缓冲区并渲染3D场景* /
gluLookAt（leftview-gt; x，leftview-gt; yf leftview-gt; z，...）/ *左视图相机设置V
Draw3Dscene()/ *渲染3D地形场景* /
glDrawBuffer(GL_RIGHT); /* 选择正确的缓冲区并渲染3D场景*/
gluLookAt( rightview-gt;xt rightview- gt;y, rightview-gt;zt ..? /*右视图相机设置*/
Draw3Dscene()/* 渲染3D地形场景 */
auxswapBujfer() ; /*右视图和左视图交替显示*/
- 程序
3D地形的实时和动态渲染的基本过程如图1所示。
结束
改变视点
决定是否完成？
3D地形的实时和动态渲染
电脑屏幕上的立体视图
选择航班或步行路线
描述基于OpenGL的3D地形数据和纹理数据
以详细级别代表DTM
遥感正射影像
多维小波分解
确定变换
原始遥感（RS）图像（（）
获取原始地形数据（（）
图1渲染3D地形场景的过程
- 实验结果
我们选择了一些遥感图像来完成实验，使用“ZI-MAPS”软件从地形图中分别获得数字高程模型数据。 在通过LOD和其他方法表示的数字高程模型之后，一系列实验结果如图2至图5所示。
在本文中，我们对真实感3D图形渲染技术的现有几种传统方式的优缺点进行分析，针对不同的渲染对象，采用不同的渲染方式进行有效真实感仿真。在追求真实感表现的同时，注重渲染效率，以及在实际地形渲染中的硬件制约条件。采用纹理映射(环境映射、光照映射、凹凸映射等多种方式)、过程式建模仿真、基于图像的建模与绘制技术等多种图形学领域先进技术，提出了相关的技术方案。
该软件在Windows NT下运行，配有PC Pentium IIL / 450. 3D地形场景使用AGC-500ProV1 M816（8MB VRAM 16MB DRAM）的OpenGL 3D图形加速卡显示。 我们用LCD快门眼镜观看并采取VGA适配器的同步信号。
渲染速度每秒超过15帧，我们可以与通过控制鼠标和键盘进行交互操作。
图2 来自航空遥感的三维地形场景 图3 TM图像的三维地形场景
图4 SPOT图像的三维地形场景 图5 SAR图像的三维地形场景
- 结论
1）我们介绍的主要程序和实施环境均在PC平台上有效;
2）从遥感图像开发的三维地形场景具有强大的立体声效果和最新的图像信息;
3）随着PC硬件的发展和地形数据的改进简化算法的发展，我们可以获得一个非常逼真的虚拟地
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