一种网络环境下三维可视化信息系统技术领域
一种关于计算机领域中的三维可视方面的技术领域。
背景技术
目前,随着“数字地球”、“数字省市”、“数字小区”的提出和建设,以及信息和遥感数据获取技术的迅猛发展,很大程度上促使传统二维GIS的服务走向网络化,表现形式向三维立体方向发展,这就对软件传输和处理海量数据的能力提出了挑战.以三维地形景观模型为主要内容的数字虚拟系统引起了人们的极大关注,并日益成为三维GIS、虚拟现实发展的主流之一[1].虽然许多研究者已经开发了三维GIS原型系统,使得三维GIS技术在矿产资源管理、数字城市等许多领域得到应用,但目前真正研究网络形式的GIS系统和地形可视化系统的文献和应用系统，很少网络三维可视化系统关键要解决大容量空间数据的快速实时传输、动态显示以及多源海量数据的管理和高效索引。
发明内容
1997年,Lindstrom等人提出了三维地球的初步设计模型VGIS[3],对于虚拟三维地球的研究做出了很好的探索.美国Keyhole公司[4]在2001年开发的EarthSystem是迄今为止较为完善的网络三维图形信息系统.但它对计算机的配置特别是显卡要求很高,一般运行在配有NVIDIA显卡的客户端上.Teler等人提出了服务器端只渲染最低层次的元素,并把处理结果以图像的形式返回客户端,而其他的LODs作为三维模型传到客户端,可视化工作在客户端进行这样做的好处是最低一层的LOD渲染时间加上图像传输时间比直接传输三维模型的时间要少;但大量元素和客户机同时运行时,即使最低层次数据的可视化过程也会非常复杂,服务器的负载过重.用Scense8和SGI的OpenGLVizserver开发的虚拟环境软件WorldToolKit提供了一个基于client/server虚拟场景的开发环境[6].WorldToolKit虽然能够提供高质量的图形,但所有的渲染工作全部在SGI服务器上完成,三维场景作为图片传到客户端上,即使客户端的计算机配置很高,也需要昂贵的服务器。
本发明是Internet/Intranet环境下的三维可视化系统GeoVirtual的数据发布和三维显示的实现方法.GeoVirtual提供了一种浏览地球的新途径,用户使用鼠标(或查询操作)就可以对地球进行定位漫游,它对客户端的要求不高.由于采用自己的一套核心技术,使得客户机对象和服务器对象之间能够直接对话,合理分配系统负荷,从而Web服务器不会负担过重。网络三维可视化系统的基本要求是三维场景能够快速传输到多个客户端,最大限度的减少网络阻塞,场景的复杂度要适应客户机的实际处理能力.考虑到:(1)如果将场景的渲染工作放在服务器端,多用户访问时,即使最低层次元素的绘制都会超出服务器的运行能力;(2)基于服务器渲染的系统,对服务器硬件配置要求很高,并且传输到客户端的图片只能描述二维信息,缺少交互和变换的功能。我们设计的网络GISGeoVirtual的架构体系.该结构有如下特点:(1)由于采用了高效的空间索引技术、渐进传输技术和地形简化算法,客户端场景的显示速度与数据量大小无关,满足了多用户并发访问的需要,并且最大限度的减少网络堵塞和传输时间;(2)采用异步多线程技术,客户机可视化场景的同时能在后台实时请求和处理地形数据。
Web服务器主要包括若干数据库和一个离线数
据预处理模块.它主要负责海量数据的存储、索引、压缩等,并把被请求的数据提交给客户端.DEM数据库、纹理数据库和矢量数据库:全球的DEM、矢量数据和纹理数据按照分辨率、空间位置分层次存储在数据库中,并通过内部关联实现无缝集成.索引模块根据客户端的请求在全库内进行快速检索,自动调用不同层次的数据.三维模型数据库:数据库内记录了模型的名称、坐标、纹理以及一些重要的描述信息,用以城市或小区三维建筑的模拟.属性数据库:记录了地形的坐标、注记、特征点的信息等属性,用以实现地物地貌的查询。客户端是与远程用户交互的接口和界面,通过http协议与服务器进行通讯.它使用三层结构体系来实现,即VC++,JavaScript和HTML.客户端应用程序的场景管理线程负责向Web服务器请求特定区域、一定分辨率和类型的数据.当数据位于四叉树的一个结点上时,客户端在共享高级缓存内为数据分配空间并通过共享内存优先队列向服务器发送请求,相关请求的级别由场景渲染线程决定.当前层四叉树结点中的静态、视相关数据放在一组哈希表中.哈希表在系统启动时就进行了初始化,管理器知道哪些结点在表的外面,因此不会向服务器请求冗余的数据。
本发明利用层次传输方法的流能力扩充了基于细节层次的外存算法,综合了视相关几何流渲染、预取、内外缓存等理论技术,将其应用到大尺度、高分辨率的地形数据传输和渲染中.为了减少内存的消耗,构建三维场景的结点采用算术编码压缩,先传输可见子结点中较粗的模型,并将其保留在客户机内存中,渐进可视化更高层次的场景.如果遍历停止,就用较粗细节层次模型渲染.在遍历四叉树结构搜索当前待渲染结点的过程中,将流和预取过程分为两个异步线程进行。在交互的过程中必需的数据放在缓存中,每个细节层次中保留数据块的缓存,如果块立即使用,就存储在内存缓存中,否则,放在磁盘缓存中.客户端的应用程序根据本机硬件配置、数据尺度和基于视相关的原则,确定合适的多进制小波、静态误差和动态误差,利用三角网构建多分辨率三维场景.从分辨率为几公里的大场景到分辨率只有几米的城市地区,如果场景变化的太快,地形管理器跨越四叉树而定位到合适位置的速度会落后于用户变换场景的速度,这种管理机制让四叉树能快速定位到合适的空间位置以获得重要的属性信息和地理空间边界盒,从而决定哪些数据和模型显示在当前视景体内。
在保持三维场景绘制质量的同时加快显示速度是可视化领域重点解决的问题.很多参考文献提出了用二叉树或者四叉树简化地形场景[12,13],如果数据的分辨率很高,仅靠二叉树(或四叉树)简化的计算量非常大,消耗内存多,难以实现大规模DEM的实时可视化.为了迅速将数据模型简化到给定的误差范围之内,本文提出用多进制小波变换和层次三角形技术实时简化DEM和纹理。
小波具有良好的视域和频域特性,被省略的地形细节可以通过合适的小波基重构出来,利用小波
基序列,只需要很少的点就可以逼近原始数据.多进制小波理论[14~16]在对称性、光滑性等方面与二进制小波相比,有其独特的特点,它能解决二进制小波不能解决的问题.多进制小波将原数据分解成1个低频成分(地形的轮廓)和M2?1个高频成分(细部特征).低频成分经小波变换又可以生成新的高频和低频成分.根据影像和DEMs的特性,给出适合简化地形模型的多进制小波变换公式第j层的低频成分{aj,k,l}。
在多进制小波分解过程中,第j+1层{aj+1,k,l}的低频成分能够很好的保留第j层{aj,k,l}的基本信息.客户端的应用程序能够根据自己的硬件配置和数据尺度的大小采用合适的多进制小波构建地形,接下去,对多进制小波变换后的滤波数据,采用多分辨率三角形构建地形表面模型.作者以视相关和地形地貌起伏为准则,提出用静态误差和动态误差实现模型的动态建立。
为了比较本文算法的优越性,作者对本文算法与Hoppe提出的VDPM方法[13]、原始数据不简化直接显示,在帧速率和内存消耗上作了对比.可以看出,随着DEM采样点数目的增长,本文的方法在帧速率和内存消耗上要优于VDPM方法,大约能保持25帧/秒的速率.由于VDPM三角网建模,
三角形之间需要消耗内存保持拓扑关系,寻找合适的顶点需要一定的时间.而本文的方法先通过多进制小波变换剔除冗余点,保留关键的顶点,然后用滤波数据构建地球表面模型,明显加快了建模速度,降低了内存的消耗.在不同的静态误差ε和动态误差γ下,几幅多分辨率地表模型,同时定量说明了渲染三角形的数目、以及与之相应的帧速率。