三维地形动态多分辨率建模与关键算法的研究

【摘要】在当代快速发展的信息社会中,地理信息系统(GIS)逐渐显现出它的重要性,大规模三维地形数据的快速高效地处理以及实时动态可视化已经成为GIS领域研究的重点和难点。为了满足人们对虚拟场景的视觉感受,让他们更好地体验虚拟世界,首先需要保证模拟场景的逼真性,其次需要具有可以满足观察者视觉的帧速。虽然现在的硬件得到了快速的发展,但是仍然难以满足上述两方面的要求。因此,从软件角度出发,研究模型生成和数据简化算法,降低算法的时间和空间复杂度是十分必要的。本文围绕提高实时显示速度和数据处理效率这一关键问题,通过运用三维地形绘制的理论知识与相关技术方法,重点对自适应的动态多分辨率LOD模型和基于小波分析的动态多分辨率建模开展研究。提出了一种新的节点重要性评价策略和基于小波变换的多级缓冲机制,为大规模三维地形数据的调度和细节层次模型的选择提供了科学依据和保障。本文的主要研究工作和取得的成果如下：(1)深入研究了三维空间建模的理论基础、虚拟现实技术以及三维地形动态多分辨率建模中的一些方法和理论,分析比较了不同建模方法的优缺点。(2)由于空间数据的规模比较大,为了解决数据访问效率低的问题,首先根据观察者的视距对数据进行分块,其次根据不同数据块的优先权和调度策略进行内外存的合理调度。数据在内外存的调度主要是通过设计缓存、内存以及外存之间的映射关系,对实时所需的地形数据进行合理高效的调度,进而提高读取数据的速度并减少对外存的访问。(3)为了解决细节层次间的平滑过渡问题,提出了一种新的节点显示重要性的判断方法,进而建立相应的地形细节模型。分析了三角网在实时构建时的细分和简化过程。(4)利用小波分析具有较好的局部化特性,通过伸缩平移变换运算后,信号可以被逐步分成不同分辨率精度的细化模型。实质上的地形数据就是二维离散信号,可以对地形数据做类似信号的处理,然后把地形数据进行小波变换得到一系列不同的小波系数,它们有可以反映地形数据整体趋势的低频部分的系数,也有可以反映地形数据局部细节特征的高频成分的小波系数,再用不同的门限滤波器对这些小波系数进行过滤,就可以得到与不同细节层次对应的小波系数,也就是得到了不同细节层次的地形数据。这样就可以运用小波分析的方法构建四叉树数据结构,进行地形的动态多分辨率建模。通过实验的方法选择较好的小波基函数,讨论了条件滤波的方法以及地形细节层次模型的评价选择,最后提出了多级缓存机制来实现数据的合理调度,提高读取地形数据的速度。同时给出了实时构造四叉树及显示的算法,并通过实验实现地形的平滑逼真显示。
【作者】陈保柱；
【导师】邹海；
【作者基本信息】安徽大学，计算机软件与理论，2014，硕士
【关键词】三维地形；多分辨率；四叉树；多级缓存；小波变换；

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