一种基于四叉树算法的快速地形建模方法与流程

1.本发明涉及算法技术领域，特别是一种基于四叉树算法的快速地形建模方法。


背景技术：

2.随着计算机科学技术的发展，如计算机的加快处理速度，加大处理与存贮数据的容量，再加上环境科学等学科的发展，对于计算机的三维可视化性能要求越来越被高。计算机数据库理论等的发展，使得动态的处理具有复杂空间关系的大数据量成为可能。目前，地形漫游技术已经广泛应用于3d游戏、虚拟现实、飞行模拟、军事演习以及g等各个应用和研究领域，随着计算机技术的地理信息系统出现，地形可视化概念逐渐形成。伴随着计算机科学和计算机图形学的发展以及三维地形制作软件的相继问世，大大扩展了虚拟三维地形的应用范围。现有技术中，大规模虚拟三维地形的应用涉及虚拟与现实、战场环境仿真、上地管理与利用、地形的穿越飞行、气象数据的可视化、地理信息系统、娱乐与游戏等领域。
3.实际应用中，由于仿真环境中要渲染的场景时多时少，导致计算机所处理的数据总量时多时少，而这对计算机的硬件提出了比较非常高的要求，计算机硬件的处理能力不可能为了建立大规模逼真三维地形而无限的提高计算机的处理能力，那么如何使地形看起来逼真，却并不占用大量内存，仿真环境漫游的流畅就值得研究。目前，仿真环境的三维地形渲染体绘技术和面绘技术中，由于技术限制，需要计算机大量的运算，对硬件的要求较高，不能利于计算机的工作，且生成的模型太过光滑，真实感也比较差、模型生成较慢。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术，仿真环境的三维地形渲染场景中，由于技术所限，存在需要计算机大量运算，对硬件要求高，不利于计算机工作，生成的模型太过光滑，真实感比较差、模型生成较慢的弊端，本发明提供了不对计算机硬件做升级基础上，在相关计算流程共同作用下，能实现3d地形的快速大范围三维地形漫游系统的建立，有效提高了画面渲染效果，且不失流畅，并实现了三维地形的快速生成的一种基于四叉树算法的快速地形建模方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，三维地形渲染场景的地形建模采用动态精度等级技术，越远处的地形绘制的三角形面积越大、精度越低，越近的地形面积越小、精度越高，坡度高的地方精度高，平坦的地方精度低，在保证绘制效果的前提下，有效的减少画三角形的数量，提高计算机仿真引擎的运行速度；基于四叉树算法在对大规模地形进行分块的基础上，根据视角进行裁剪，对可见区每个小块数据分别建立一棵四叉树，调用四叉树算法，绘制小块地形，使用分割文件的办法，对边缘的地形数据利用原有的数据进行补齐，达到任何大小文件都适用的目的，实现提高画面渲染效果以及画面流畅、三维地形快速生成的效果；具体包括如下步骤，步骤a：数据准备；步骤b：dem递归细分；步骤c：透视投影变换；步骤d：光照模型；步骤e：消隐和裁剪；步骤f：图形绘制和存贮；步骤g：三维图形的后处理；步骤h:基于三维地形图的分析。
7.进一步地，所述步骤a中，具体是获取地形三维可视化所需的各类地形数据。
8.进一步地，所述步骤b中，具体的是将dem细分成子网格，再进一步细分为三角形面素，以便下一步绘制处理。
9.进一步地，所述步骤c中，具体的是建立地面点，也就是dem结点与三维图像点间的透视关系，透视关系由视点、视角及三维图形大小等参数确定。
10.进一步地，所述步骤d中，具体的是，建立一种能逼真反映地形表面明暗、颜色变化的数学模型，逐点计算每像素的颜色和灰度。
11.进一步地，所述步骤e中，具体的是，消去或不显示三维图形的不可视部分，裁剪掉三维图形尺寸范围之外的部分。
12.进一步地，所述步骤f中，具体的是，依各种相应算法绘制并显示各种类型的三维地形图，并以标准图像文件格式存贮，算法包括模拟灰度、分形几何、纹理映射，文件格式包括pcx，tif，bmp。
13.进一步地，所述步骤g中，具体的是，在三维透视图上添加各种地物符号、注记等，进行颜色、亮度、对比度等处理。
14.进一步地，所述步骤h中，具体的是，在三维地形图上依据有关参数、数据库或数据文件以及有关算法，进行空间信息查询或地形分析。
15.本发明有益效果是：本发明不对计算机硬件做升级基础上，基于现有分块四叉树算法作为基础，在相关计算流程共同作用下，能实现3d地形的快速大范围三维地形漫游系统的建立，有效提高了画面渲染效果，且不失流畅，并实现了三维地形的快速生成。克服了现有技术地形数据在分块四叉树算法中没有得到应用的缺点。基于上述，本发明具有好的应用前景。
附图说明
16.图1是本发明基于四叉树算法的快速地形建模方法流程框图示意。
17.图2是为8个节点的四叉树的网格图形示意图。
具体实施方式
18.图1所示，一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，三维地形渲染场景的地形建模采用动态精度等级技术，越远处的地形绘制的三角形面积越大、精度越低，越近的地形面积越小、精度越高，坡度高的地方精度高，平坦的地方精度低，在保证绘制效果的前提下，有效的减少画三角形的数量，提高仿真引擎的运行速度(当渲染地形时，如果采用现有技术固定地形等级精度技术，实际应用中则会随着地形面积的增大，渲染的三角形数量会随着渲染面积的增大而增长，因此不利于提高仿真引擎的运行速度)。本发明应用的现有四叉树算法的基本思路是∶把地形一分为四，用递归的方法对每个网格渲染，对于每个网格，如果达到合适精度，则退出，不再细分；对符合条件的网格递归拆分；图2所示为8个节点的四叉树的网格图形，观察者的位置位于网格左上角的位置，越靠近观察者位置的网格，网格的分割程度越细致；四叉树算法要求地形必须包含2n+1个顶点(n为任意的正整数)，这就限制了任何地形数据在该算法中的具体应用；四叉树在绘制普通地形时只建立一棵四叉树来存放地形数据，这对于大规模数据的战场地形是无法实现的。而本发明基于四叉树算法在对大规
模地形进行分块的基础上，根据视角进行裁剪，对可见区(每个小块数据分别建立一棵四叉树，调用四叉树算法，绘制小块地形，使用分割文件的办法，对边缘的地形数据利用原有的数据进行补齐，达到了任何大小文件都适用的目的，进而提高了画面渲染效果，以及实现了画面流畅、三维地形快速生成的效果。
19.图1所述，一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，(1)数据准备，在pc机上操作，经相关软件单元获取地形三维可视化所需的各类地形数据。(2)dem递归细分，具体的是，将dem细分成子网格，再进一步细分为三角形面素，以便下一步绘制处理。(3)透视投影变换，具体的是，建立地面点(dem结点)与三维图像点间的透视关系，透视关系由视点、视角及三维图形大小等参数确定(4)光照模型，具体的是，建立一种能逼真反映地形表面明暗、颜色变化的数学模型，逐点计算每像素的颜色和灰度。(5)消隐和裁剪，具体的是，消去(或不显示)三维图形的不可视部分，裁剪掉三维图形尺寸范围之外的部分。(6)图形绘制和存贮，具体的是，依各种相应算法(如模拟灰度、分形几何、纹理映射等)绘制并显示各种类型的三维地形图，并以标准图像文件格式(如pcx，tif，bmp等)存贮。(7)三维图形的后处理，具有的是，在三维透视图上添加各种地物符号、注记等，进行颜色、亮度、对比度等处理。(8)基于三维地形图的分析，具体的是，在三维地形图上依据有关参数、数据库或数据文件(以及有关算法(，进行空间信息查询或地形分析。
20.图1所示，通过上述技术方案，本发明不对计算机硬件做升级基础上，基于现有分块四叉树算法作为基础，在相关计算流程共同作用下，能实现3d地形的快速大范围三维地形漫游系统的建立，有效提高了画面渲染效果，且不失流畅，并实现了三维地形的快速生成。克服了现有技术，地形数据在分块四叉树算法中没有得到应用的缺点。
21.本领域技术人员应当理解的是，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式，因此本技术保护范围由权利要求书界定。

技术特征：
1.一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，三维地形渲染场景的地形建模采用动态精度等级技术，越远处的地形绘制的三角形面积越大、精度越低，越近的地形面积越小、精度越高，坡度高的地方精度高，平坦的地方精度低，在保证绘制效果的前提下，有效的减少画三角形的数量，提高计算机仿真引擎的运行速度；基于四叉树算法在对大规模地形进行分块的基础上，根据视角进行裁剪，对可见区每个小块数据分别建立一棵四叉树，调用四叉树算法，绘制小块地形，使用分割文件的办法，对边缘的地形数据利用原有的数据进行补齐，达到任何大小文件都适用的目的，实现提高画面渲染效果以及画面流畅、三维地形快速生成的效果；具体包括如下步骤，步骤a：数据准备；步骤b：dem递归细分；步骤c：透视投影变换；步骤d：光照模型；步骤e：消隐和裁剪；步骤f：图形绘制和存贮；步骤g：三维图形的后处理；步骤h:基于三维地形图的分析。2.根据权利要求1所述的一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，步骤a中，具体是获取地形三维可视化所需的各类地形数据。3.根据权利要求1所述的一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，步骤b中，具体的是将dem细分成子网格，再进一步细分为三角形面素，以便下一步绘制处理。4.根据权利要求1所述的一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，步骤c中，具体的是建立地面点，也就是dem结点与三维图像点间的透视关系，透视关系由视点、视角及三维图形大小等参数确定。5.根据权利要求1所述的一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，步骤d中，具体的是，建立一种能逼真反映地形表面明暗、颜色变化的数学模型，逐点计算每像素的颜色和灰度。6.根据权利要求1所述的一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，步骤e中，具体的是，消去或不显示三维图形的不可视部分，裁剪掉三维图形尺寸范围之外的部分。7.根据权利要求1所述的一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，步骤f中，具体的是，依各种相应算法绘制并显示各种类型的三维地形图，并以标准图像文件格式存贮，算法包括模拟灰度、分形几何、纹理映射，文件格式包括pcx，tif，bmp。8.根据权利要求1所述的一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，步骤g中，具体的是，在三维透视图上添加各种地物符号、注记等，进行颜色、亮度、对比度等处理。9.根据权利要求1所述的一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，其特征在于，步骤h中，具体的是，在三维地形图上依据有关参数、数据库或数据文件以及有关算法，进行空间信息查询或地形分析。

技术总结
一种基于四叉树算法的快速地形建模方法，具体包括如下步骤，步骤A：数据准备；步骤B：DEM递归细分；步骤C：透视投影变换；步骤D：光照模型；步骤E：消隐和裁剪；步骤F：图形绘制和存贮；步骤G：三维图形的后处理；步骤H:基于三维地形图的分析。本发明不对计算机硬件做升级基础上，基于现有分块四叉树算法作为基础，在相关计算流程共同作用下，能实现3D地形的快速大范围三维地形漫游系统的建立，有效提高了画面渲染效果，且不失流畅，并实现了三维地形的快速生成。克服了现有技术地形数据在分块四叉树算法中没有得到应用的缺点。基于上述，本发明具有好的应用前景。有好的应用前景。有好的应用前景。


技术研发人员：张嘉赓 朱真平
受保护的技术使用者：上海宽创国际文化科技股份有限公司
技术研发日：2022.12.17
技术公布日：2023/7/11