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基于OpenGL的三维地形的生成与简化

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基于OpenGL的三维地形可视化方法研究

基于OpenGL的三维地形可视化方法研究

收稿日期:20021023作者简介:韩 样(1978-),男,硕士研究生,研究方向为道路CAD 系统、交通运输工程的模拟仿真.文章编号:10094687(2003)02001105基于OpenGL 的三维地形可视化方法研究韩 样(东南大学,南京 210096)摘 要:介绍了OpenGL 的基本概念以及以M FC 为平台进行OpenG L 编程的方法.在利用有效的数据结构建立三角网数字地面模型基础上,详细说明了制作三维真实感地形的技术方法,并用编程实例证明了这一方法的可行性.关键词:OpenG L;数字地面模型;三维地形;可视化中图分类号:G306 4 文献标识码:A1 引 言三维地形可视化是一门研究数字地面模型(DTM )的显示、简化、仿真等内容的学科,属于计算机图形学的一个分支.近年来,三维地形可视化技术越来越广泛地运用于国土资源管理、地理信息系统(GIS)、环境仿真、数字城市等领域.但是,目前正射影像技术所提供的常规正射影像图已满足不了人们对地形信息的需要.作者研究一种借助OpenGL 三维图形通用标准,利用数字高程模型(DEM )数据生成三维地形的方法.利用此技术,可以生动地再现三维立体景观,并能交互地从不同视点进行观察,进行缩放等操作.2 基本概念2 1 OpenGLOpenGL 是一个工业标准的三维计算机图形软件接口,适用于多种硬件平台及操作系统.由于OpenGL 是网络透明的,只要服从相同的协议,就允许远程绘图.OpenGL 由基础库、实用库和辅助库3个基本图形库组成,这些函数库提供了数百条功能强大的图形函数,可以用来建立三维模型和进行三维实时交互.这些图形函数几乎涵盖了所有基本的三维图像绘制特性,用户可以方便地利用OpenGL 创建出接近光线跟踪的高质量三维彩色图像[1].2 2 数字地面模型及构网技术数字地面模型(DTM)是描述地面特征空间分布的有序数值阵列[2].它以抽象的数字阵列表示地貌起伏、地表形态,计算机可以从中直接、快速、准确识别,进行数据处理.数字地面模型通常分为规则数模、半规则数模、不规则数模3大类.在建立的三维地形2003年第2期车辆与动力技术V ehicle &Pow er T echnolog y总第90期模型中运用的是不规则三角网TIN (Triangular Irregular Net).这是因为在同样的地形条件下,达到同等高程内插精度时,该类数模所需的原始地形点的数量远少于其他类型数模所需的已知点数[2].生成三角网DT M 的关键是构网技术,作者依据的是Delaunay 构网原则,因为它是目前最优的三角网构网原则.Delaunay 三角形定义为:组成Delaunay 三角网的每个三角形不包含数据点集当中除构成该三角形三顶点以外的任何其他点,即Delaunay 三角网能最大限度地保证网中三角形满足近似等边(角)性.对于任意给定的离散数据点集,Delaunay 三角网的网形是唯一的.3 可视化三维地形的制作3 1 Windows 环境下的OpenGL 编程3 1 1 绘图描述表OpenGL 绘图描述表是传递OpenGL 命令的端口,它把OpenGL 和Window s 的窗口系统连接起来.创建了一个绘图描述表后,应用程序也就定义了一个Windows 的设备描述表,绘图描述表可以在已经定义设备描述表的设备上画图.应用程序应该首先创建一个绘图描述表,并把它设置成这个线程的当前绘图描述表,然后再调用OpenGL 函数.调用结束后,使绘图描述表从线程上脱离并删除[1].3 1 2 像素格式尽管绘图描述表与设备描述表有关,但并不完全相同.设备描述表在GDI 函数调用时说明,包含Window s 的GDI 信息;绘图描述表在函数调用中是隐含说明的,包含有OpenGL 信息,因此在创建绘图描述表前,一定要设定设备描述表的像素格式[1].在Win -dow s 环境下,用PIXELFORMATDESCRIPT OR 数据结构来传输像素格式数据,用来指定OpenGL 绘制对象的一些属性,如:像素缓冲区是单缓冲还是双缓冲、像素数据是RGBA 模式还是双缓冲模式、存储颜色数据的位数、深度缓冲区的位数、模板缓冲区的位数、覆盖面和底层平面的数目、各种可见性屏蔽等.3 1 3 Window s 下OpenGL 的编程框架在以MFC 为平台运用OpenGL 绘图软件包进行三维地形可视化研究过程中,应用了如下的编程框架:构造OpenGL 窗口的风格;设置支持OpenGL 的像素格式;创建OpenGL 的绘图描述表,并将其设置为当前绘图描述表;初始化OpenGL 的绘制环境,例如光照模型、颜色和深度缓冲区的设置;添加Windows 消息处理函数,例如鼠标、窗口、键盘消息,在这些消息处理函数中,就包含OpenGL 的绘制命令;在应用程序结束并撤销视窗时,删除绘制描述表.最后,应把opengl32 lib 、glu32 lib 和glaux lib 3个静态库加入到应用程序中,它们可以支持开发者对100多个OpenGL 图形函数的调用. 12 车辆与动力技术2003年3 2 三维地形模型的显示3 2 1 三维地形的数据结构根据原始地形点的数据特征,建立了以下数据结构来表示原始地形散点(即建立了数字高程模型DEM):struct point type {int num; 散点的序号double x ; 散点的x 坐标double y ; 散点的y 坐标double z ; 散点的z 坐标point ty pe *nex t; 定义point type 型指针,指向下一个散点};实际操作中,采用Delaunay 三角网进行构网,建立如下数据结构表示三角构网后生成的各个Delaunay 三角形.实践证明这种数据结构有利于OpenGL 绘图命令的执行,提高程序运算速度.struct triang le ty pe {int p1,p2,p3; p1,p2,p3分别为构网后生成的各个Delaunay三角形三个顶点所对应的散点序号triangle type *next; 定义triangle type 型指针,指向下一个三角形};3 2 2 地形的绘制OpenGL 的几何要素有点、线、多边形[1].其中点是三维的,多边形是由多条线段封闭连接而形成的区域,这些线段又是由其端点坐标定义的.由此可见,OpenGL 的基本几何对象都是围绕顶点来建立的,而对顶点来说最重要的信息是由g lVertex ()命令提供的坐标.值得注意的是,在OpenGL 中几何对象顶点的坐标值、法线、纹理坐标和颜色等都必须包含在glBegin ()和glEnd()函数对之间,否则就不会有任何绘制出现.由于采用的是三角构网建立数据模型,因此在制作三维地形中运用glBegin (GL TRI -ANGLES)命令来绘制各个Delaunay 三角形.这种三角形绘制模式的特点在于:每3个顶点定义一个三角形,每个三角形的顶点与它前面定义的三角形顶点间没有任何关系.若glBe -g in ()和g lEnd()之间的顶点个数为3n +k (k =0,1,2),则定义了n 个三角形,最后的k 个顶点将被忽略.若glBeg in ()和glEnd()之间定义的顶点少于3个,则此定义不产生任何图元[1].绘制地形时,glBegin (GL TRIANGLES)和glEnd()绘图命令之间的3个顶点分别为前面定义的triangle type 结构中p1、p2、p3所对应的散点.这样,利用循环语句就可以绘制出所有三角构网形成的Delaunay 三角形,从而模拟真实的三维地形.3 2 3 地形的真实感表达在建立三维地形模型时,假设根据地面高度不同,其表现出来的颜色也有所不同.OpenGL 中,在RGBA 模式下,用g lColor (r,g,b,a )命令设定颜色,其中r 、g 、b 、a 分别对应当前颜色的红、绿、蓝、 值,取值范围都为[0 0,1 0].因此在实际绘制地形过程 13 第2期 韩 样:基于OpenGL 的三维地形可视化方法研究中,对于数字地面模型中的任意一点,可将地形点的纵坐标z 作为表示r 、g 、b 的参数.当然,应将z 除以一个适当的常数,以保证r 、g 、b 的值在0 0与1 0之间,防止溢出.经编程实例检验,用这种方法生成的地面颜色分明且光滑连续.自然界中的物体表面很少是光滑和单调的,往往具有各种纹理.在计算机图形学中是采用纹理映射的方法给计算机生成的物体图像加上纹理的[3].表示真实地貌和地物时,可以预先定义纹理、纹理映射方法和纹理坐标,然后将DEM 格网点坐标和相应的纹理坐标一一对应.利用OpenGL 的相关函数可以设置光照效果.光照包括发射光、泛光、漫反射和镜面反射,还可以指定模型表面的反射特性.在三维地形的制作中需要考虑泛光和漫反射,镜面反射可以不予考虑.3 24 三维地形模型的显示OpenGL 提供的基本变换命令包括取景变换、模型变换、投影变换和视见区变换等.利用这些命令函数可以很方便地对模型进行平移、旋转、缩放等操作.投影变换应选择透视投影模式,因为透视投影的主要特征就是将投影线汇聚到一点,即对象离视点越远,它在最终图像上就显得越小,符合人的视觉感受.此外,按照人们的视觉习惯,总是希望在原点(或其他方便位置)处构造所需画面,然后从一个较佳的位置观看该画面.OpenGL 自带的实用库函数gluLookAt ()正是为这个目的而设计的,故可以采用此库函数来实现虚拟场景的观察变换.gluLookAt ()库函数的原型如下:void gluLookAt (GLdouble eye X ,GLdouble eye Y ,GLdouble eye Z ,GLdouble center X ,GLdouble center Y ,GLdouble center Z ,GLdouble up X ,GLdouble up Y ,GLdouble up Z )其中 参数:eye X ,eye Y ,eye Z 指定视点的位置;center X ,center Y ,center Z 指定沿着所需视线上的任一点的位置;up X ,up Y ,up Z 指定向上的矢量方向[4].函数gluLookAt ()通过一个视点、一个表示场景中心的参考点和UP 向量建立了一个取景变换矩阵.该矩阵将参考点映射为-z 轴方向,将视点映射为原点,UP 向量在观察平面上的投影方向将被映射到+y 轴的方向(此处坐标系为OpenGL 的三维绘图坐标系).在实际操作中,可令参考点为数字地面模型中的任一散点.地形透视图形成后,可为应用程序加入鼠标和键盘的消息响应函数,并将视点、视角、模型旋转角度等设为变量作为消息响应函数中的控制参数,从而可以交互式地从不同角度观察三维地形.在所做的例程中,添加了模型的缩放、左右旋转、前后旋转、左右移动等交互观察功能.4 试验与结论试验在P4微机(主频1 6GH z,内存256M B,其中显存64M )上进行,操作系统为Win -dow s 2000,以Visual C++ 6.0为开发平台.构建数字地面模型所用到的原始地形数据为306KB 大小的文本文件(前面所提到的pointty pe 型数据),三角构网后生成了将近700KB 大小的文本文件(前面所提到的triang le type 型数据).利用OpenGL 生成的真实感三维地形模型如图1所示(此例选取视距较远). 14 车辆与动力技术2003年图1 OpenGL 生成的三维地形模型 通过该试验例程可得到如下结论:1)利用所建立的point type 和tr-iangle type 两种数据结构能够顺利、快速地建立数字地面模型,其数学模型在理论上是严密的.2)利用OpenGL 的独立填充三角形绘制命令生成三维地形模型,具有快速、逼真的优点.作者所做的试验例程从读取原始地形数据到最后生成三维透视图所需的时间小于1s.3)通过改变模型的旋转角度能实现从多个角度实时观察三维地形;通过交互式变换视点的位置或预先设定视点运动路线能实现漫游功能,进而可以实现三维地形的实时动画和虚拟现实效果.参考文献:[1] 贾志刚.精通OpenGL [M ].北京:电子工业出版社,1998.[2] 符锌砂.公路计算机辅助设计[M ].北京:人民交通出版社,1998.[3] 孙家广.计算机图形学[M].北京:清华大学出版社,1994.[4] 吴海平,罗红兵.OpenGL 图形程序设计及应用环境[M ].长沙:国防科技大学出版社,1999.Research on Visualizing the 3D Terrain Based on OpenGLHAN Yang(Southeast U niversity ,N anjing 210096,China)Abstract:The basic concept of OpenGL and the method about how to program by using OpenGL based on MFC are introduced.Based on the Triangular Net Dig ital Terrain M odel built by an ef -fective data structure,the technique of producing 3D visual terrain is depicted,and the feasibility of this m ethod is verified by an actual program example.Key words:OpenGL;digital terrain model;3D terrain;visualization 15 第2期 韩 样:基于OpenGL 的三维地形可视化方法研究。

基于openGL的三维地形场景的生成

基于openGL的三维地形场景的生成

基于openGL的三维地形场景的生成1、背景介绍 (3)2、openGL中地形动态显示 (3)3、程序的主要功能 (4)3.1 三维地形的生成 (4)3.2 天空盒的生成 (8)3.3 树的生成 (9)3.4 ３ＤＳ模型的读入 (11)3.5 键盘交互实现漫游 (11)3.6汉字的显示 (12)4、总结 (13)4.1 项目总结 (13)4.2 小组成员分工 (14)参考文献 (15)1、背景介绍地形是自然界最复杂的景物之一，对其三维显示和漫游一直是计算机图形学、地理信息系统、数字摄影测量和遥感研究的热点之一。

但由于受地形结构复杂，数据量大等条件的制约，要实时模拟具有真实感的大范围三维地形，最大的难点是，如何精简并有效地组织地形数据，以达到高速度、高精确度的可视化目的。

openGL是开放式图形工业标准，是绘制高度真实感三维图形，实现交互式视景仿真和虚拟现实的高性能开发软件包。

利用openGL进行地形动态显示的基本框架如图1所示：图1 openGL地形现实基本框架2、openGL中地形动态显示利用openGL进行地形的三维可视化，包含以下几个步骤：（1）openG L模型映射：利用openGL 制作三维立体地形图，就要将数字地面模型格网用openGL提供的点，线，多边形等建模原语描述为openGL图形函数所识别。

（2）遥感图像与地形融合：openGL提供两类纹理：一类纹理图像的大小必须是几何级数；另一类Mipmaps 纹理可为任意大小。

在Mipmaps纹理映射的基础上，可将遥感图像与地形融合。

在遥感影像与数字地形相套合时，地形与遥感影像的配准是关键。

为了获取更好的视觉效果，配准方案可采取数字地形向遥感图像配准，通过控制点，建立匹配方程，将数字地形由大地坐标系转到影像坐标系中。

（3）观察路线设置与视点计算：为了达到三维交互控制的目的，可在正射的遥感数字影像上任意选择观察路线，对路线上的采样点记录其平面坐标，根据采样点的平面位置从DEM 中采用一定的插值方法，确定观察路线上采样点的高程和平面坐标，当采用Fly-through方式观察时，观察路线上每个视点的高度可由观察点地面高程加上飞行高度确定当采用walk-through方式观察时观察路线上每个视点的高度可由观察点地面高程加上身高来确定（4）实时显示Opengl 提供了双缓存技术，通过它可实现地形实时动态显示。

基于OpenGL的三维立体校园地图系统关键技术的研究与实现

基于OpenGL的三维立体校园地图系统关键技术的研究与实现

分类号TP 学校代码10590 U D C密 级公开深圳大学硕士学位论文基于OpenGL的三维立体校园地图系统关键技术的研究与实现刘志荣学科门类工学专业名称计算机应用技术学院（系、所）信息工程学院指导教师黄培之教授基于OpenGL的三维立体校园地图系统关键技术的研究与实现摘 要目前传统的印刷地图和平面电子地图主要表现出二维的地理空间信息，而用户则越来越多地需要三维地图可视化来观察、分析和处理各种相关的三维问题，二维平面地图无法体现三维空间信息，具有很大的局限性。

近年来，随着计算机图形、图像学理论及计算机软、硬件技术的迅速发展，使得二维地图信息无法满足当今实际需要的问题得到解决成为可能，这就是计算机三维立体地图需要研究的目的所在。

计算机三维立体图像显示技术，是虚拟现实（VR）的一个重要分支，并且应用到建筑、旅游、游戏、航空航天、医学等众多方面，自从上个世纪八十年代以来就备受人们的关注，而且取得了相当好的成果。

计算机三维立体地图的研究包括许多的学科知识，包括地理信息、计算机图形学、计算机数字图像学、虚拟现实、计算机数据库、计算机编程等相关的学科。

本文首先对OpenGL的三维图形显示技术几个关键技术进行了研究，包括OpenGL图形的绘制、OpenGL的颜色与纹理映射和OpenGL的三维变换等技术。

然后研究了采用3ds Max建模工具对建筑物进行建模，并用OpenGL技术进行三维重建，同时还对三维立体校园地图的其它构成要素进行了研究，包括地图地形的建立、真实感天空的绘制、平面树木在三维空间中的动态显示以及粒子系统在三维景观喷泉中的应用等。

从研究得知三维立体地图并不是二维平面地图的简单扩展，还要从三维模型数据、空间关系、显示技术和对它的操作等方面进行系统的研究。

在基于三维立体技术研究的同时，本文还以深圳大学校园为例，对三维立体地图的地形数据的获取、建立和显示，建筑物模型的建模、转换及可视化，自然界景观的模拟等相关技术进行了研究和系统实现，该系统是基于OpenGL的图形显示技术，并借助3ds Max软件工具进行建模，采用面向对象编程技术在Microsoft Visual C++ 6.0下实现。

基于OpenGL的三维地形渲染LOD算法研究

基于OpenGL的三维地形渲染LOD算法研究

基于 OpenGL的三维地形渲染 LOD算法研究摘要三维地形渲染目前已经应用于画面显示、军事地图等图像处理领域。

随着虚拟技术的进步，算法复杂提高导致大数据地形下实时真实感显示的技术达到瓶颈。

基于OpenGL的层次细节(LOD)算法能有效减少地形渲染过程中三角形的数量，以达到渲染高效实时的目的。

关键词: OpenGL，层次细节，LOD，地形渲染1 概述OpenGL是用于渲染图形的应用程序编程接口，包括近350个图形函数，用于绘制从简单的图形比特到复杂的三维景象。

OpenGL能实现高性能的三维图形功能，具有广泛的移植性。

使用OpenGL进行三维地形渲染的时候,由于地形数据过多时渲染效率低下。

动态LOD算法采用动态精度等级，有效的减少渲染三角形数量，提高渲染效果。

2 LOD算法地形渲染时三维场景的核心，渲染的质量和效率关系整个场景渲染的结果。

为了渲染出更加贴近现实的地形，地形网格越精细渲染出来的结果越好。

但是网格精细带来系统的开销就越大，影响渲染的效率。

地形算法的设计主要是为了解决地形渲染质量和效率的取舍问题，LOD算法从场景的本身的几何特性入手，通过适当的方法简化场景的复杂性。

层次细节(Levels of Details)算法是从人的视觉特性出发提出的一种算法。

当场景中的物体离观察者很远的时候，投影到屏幕上可能是几个像素，不需要高精细等级。

当场景中的物体很平坦的时候，可以合并多个三角形再提高渲染效率。

2.1 基本思想LOD算法进行地形渲染之前规定为：地形必须是正方形区域，而且大小必须是(2^n +1)*(2^n+1),同时采样间隔为均匀的。

采样四叉树进行LOD算法处理。

具体实现思想如下：将一个地形一分为四，用递归的方法对每个网格进行处理。

对每个分割的网格，如果达到精细程度要求或者最高精细程度，将地形顶点送到渲染API进行渲染，否则对网格递归分割下去。

2.2 结点评价将分割过程中的每一个网格视为四叉树的一个结点，对于分割何时达到精细程度，我们需要建立一个结点评价系统来判断。

基于OPENGL的三维地形的实现

基于OPENGL的三维地形的实现

图 3 剔除后的部分 上面对四叉树的剔除的过程进行了介绍，可以看到，相 当大的领域可以一次完成对视景体的判定及剔除。不使用四 叉树直接对视景体进行剔出的话，所有节点都必须进行视景 体的判定，利用四叉树的特点可以一次完成相当大领域的剔 除操作，这也是地形处理时使用四叉树的理由。 3．LOD LOD 就是分阶段调整网格建模数据的精密度，可以分为 静态 LOD 和动态 LOD。 静态 LOD 的特点就是在最初就确定的网格的精密度，它 的优点在于运算简单速度快但是需要分几个阶段，存储器严 重浪费，距离不同，网格的阶段急剧变化，很容易出现这样 现象。动态 LOD 技术则可以解决走样现象。 动态 LOD 的技术是根据摄像机与物体的距离实时调整 网格精密度，该方法一般可以分为网格分割技巧和网格精简 技巧，其优点在于可以自然生成 LOD，不会出现走样现象， 也不会浪费存储器，但是网格分割和网格精简，需要增加运 算量，速度相对有所减慢。地形处理中常用的是动态 LOD， 由于我们需要在画面上对地形建筑物等进行实时绘制，尽管 在一定程度上降低了的质量、渲染速度有了很大提高；仔细 观察一下 LOD 分割形成的阶段；可以发现于四叉树子节点分 割十分相似；由于我们使用了四叉树，也就有了可以相当简 便的使用 LOD 的方法下图表现了摄像机和各个节点的中点 距离不同时得子节点分割关系，与摄像机距离远的节点不进 行之子节点的渲染，只是在各自阶段进行渲染，相对来讲与 摄像机距离越近，就越需要对下层子节点进行渲染。
[2] （韩）金荣俊.3D 游戏编程.[M].北京：电子工业出版 社.2006.
可以防止龟裂的产生，需要按照上下左右四个方向在 LOD 阶
段不同的所以节点添加不同的三角形。 三、性能对比和总结
1．性能对比 （配置：显卡：ATI RADEON 7000；

基于OpenGL下三维地质模型生成技术

基于OpenGL下三维地质模型生成技术

基于OpenGL下三维地质模型生成技术
窦育民;黄地龙;关鑫
【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2009(000)010
【摘要】利用三维建模技术描述复杂的地质构造情况,结合工程地质信息可以直观,准确,动态,快速再现工程地质三维信息.本文根据地层数据信息用薄板样条插值法生成通过控制点的光滑曲面,再用二次曲线拟合算法生成多个二维剖面,用缝合算法连接二维剖面形成凸出的山包,最后通过求交算法生成复杂的三维地质模型.该方法是虚拟地形建模过程中的一个重要手段,在铁路隧道工程的虚拟开挖实际中取得良好效果,为决策隧道施工建设提供科学依据.
【总页数】5页(P27-30,39)
【作者】窦育民;黄地龙;关鑫
【作者单位】成都理工大学,信息工程学院,成都,610059;成都理工大学,信息工程学院,成都,610059;成都理工大学,信息工程学院,成都,610059
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
【相关文献】
1.一种基于OPENGL的立体图像生成技术研究 [J], 程磊;刘海艳
2.基于OpenGL的虚拟海场景生成技术研究 [J], 张爱华;吴彦卓
3.基于OpenGL的虚拟场景生成技术 [J], 李一华
4.基于OpenGL下三维地质模型生成技术 [J], 窦育民;黄地龙;关鑫
5.基于OpenGL的切片合成法及其在三维地质模型可视化中的应用 [J], 朱小弟;李青元;曹代勇
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基于OpenGL的地质三维可视化研究

基于OpenGL的地质三维可视化研究【摘要】地质学是探索地球内部结构和演化的重要科学领域，而地质数据处理与可视化技术对地质研究和资源勘探具有重要意义。

基于OpenGL的地质三维可视化研究借助于其高性能图形渲染技术，实现了对地质数据的立体展示和交互式操作。

本文首先介绍了OpenGL技术及其在地质学领域的应用，然后分析了地质数据处理与可视化的关键技术，探讨了地质三维建模方法和地质三维可视化技术的发展趋势。

通过实验结果与分析，验证了基于OpenGL的地质三维可视化技术在地质研究中的应用前景，并提出了未来研究的展望。

基于OpenGL的地质三维可视化技术将为地质学领域带来新的发展机遇，促进地质研究和资源勘探的进步。

【关键词】地质三维可视化、OpenGL、地质数据处理、地质三维建模、实验结果分析、研究展望、结论总结1. 引言1.1 研究背景地质三维可视化是地质学领域中一种重要的研究方法，它通过将地质数据以三维形式呈现在屏幕上，可以帮助地质学家更直观地理解地质结构和地质过程。

随着计算机技术的不断发展，基于OpenGL的地质三维可视化技术受到了越来越多地关注。

地质三维可视化技术可以帮助地质学家更好地理解地质现象，提高地质勘探和研究的效率。

通过将地质数据以三维形式进行可视化，地质学家可以更直观地观察地下岩层的分布、构造的形态以及地质构造的变化。

这种可视化技术可以帮助地质学家更准确地定位矿产资源、地下水资源以及地质灾害的位置，从而为资源开发、环境保护和地质灾害预防提供重要的支持。

基于OpenGL的地质三维可视化研究具有重要的理论和实际意义。

通过对OpenGL技术的深入研究和地质数据处理与可视化技术的结合，可以更好地实现地质数据的可视化展示，为地质学研究和应用提供更为直观、准确的工具和方法。

1.2 研究意义地质三维可视化研究在当前数字化和信息化的时代具有重要的意义。

通过地质三维可视化，可以以更直观、更直观的方式展现地质数据，帮助地质工作者更好地理解和分析地质信息，提高地质资源勘探和开发的效率和精度。

利用OpenGL绘制三维地形(续)


void keyboard (unsigned char key, int x, int y) {
switch (key) { case 'd': day = (day + 10) % 360; glutPostRedisplay(); break; case 'D': day = (day - 10) % 360; glutPostRedisplay(); break;
void reshape (int w, int h) {
glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h); glMatrixMode (GL_PROJECTION); glLoadIdentity (); gluPerspective(60.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 20.0); glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); gluLookAt (0.0, 0.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0); }
glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glShadeModel (GL_FLAT); }
void display(void) {
glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f (1.0, 1.0, 1.0);
glPushMatrix(); glutWireSphere(1.0, 20, 16); /* draw sun */ glRotatef ((GLflo(2.0, 0.0, 0.0); glRotatef ((GLfloat) day, 0.0, 1.0, 0.0); glutWireSphere(0.2, 10, 8); /* draw smaller planet */ glPopMatrix(); glutSwapBuffers(); }

《基于OpenCL的三维地形生成技术的研究与实现》

《基于OpenCL的三维地形生成技术的研究与实现》一、引言随着计算机图形学和计算能力的飞速发展，三维地形生成技术已成为众多领域研究的热点。

OpenCL（Open Computing Language）作为一种开放标准的并行计算框架，为三维地形生成提供了强大的计算支持。

本文旨在研究基于OpenCL的三维地形生成技术，并通过实际案例探讨其实现方法和应用前景。

二、相关研究综述三维地形生成技术经历了漫长的发展历程，其关键技术包括地形数据的处理、地形的绘制与渲染以及并行计算技术等。

随着OpenCL的兴起，利用OpenCL实现三维地形的并行计算与生成成为研究的热点。

近年来，国内外学者在该领域取得了诸多研究成果，包括但不限于采用高程数据构建地形模型、使用插值算法提高地形分辨率、利用OpenCL加速地形的实时渲染等。

三、基于OpenCL的三维地形生成技术（一）技术原理基于OpenCL的三维地形生成技术主要涉及地形数据的处理、地形的绘制与渲染以及并行计算等关键技术。

首先，通过获取高程数据（如DEM数据）来构建地形模型；其次，利用插值算法对地形数据进行处理，提高地形的分辨率；最后，利用OpenCL 的并行计算能力，加速地形的绘制与渲染过程。

（二）技术实现1. 地形数据处理：通过获取高程数据，利用相关算法对数据进行处理和转换，形成可用于三维地形生成的数据格式。

2. 地形绘制与渲染：利用计算机图形学技术，将地形数据转换为三维模型并进行实时渲染。

这一过程可充分利用OpenCL的并行计算能力，提高渲染速度。

3. OpenCL实现：在OpenCL平台上编写程序，将三维地形的绘制与渲染任务分配到多个计算单元上，实现并行计算。

此外，还需对程序进行优化，以进一步提高性能。

四、案例实现与分析本部分以一个具体案例为例，介绍基于OpenCL的三维地形生成技术的实现过程及效果。

首先，获取高程数据并构建地形模型；其次，利用插值算法对数据进行处理以提高分辨率；最后，在OpenCL平台上编写程序进行地形的绘制与渲染。

基于OpenGL三维分形地形的可视化研究_1_2国内外研究现状_8_10

2基于OpenGL三维分形地形的可视化研究DTM)中的地形数据进行逼真的三维显示、模拟仿真、简化、多分辨率表达和网络传输等内容的一种技术，它涉及到测绘学、现代数学、计算机三维图形学、计算几何、地理信息系统、虚拟现实、科学计算可视化、计算机网络等众多学科领域，在战场环境仿真、娱乐与游戏。

地形漫游、道路选择、土地规划、网络GIS等众多领域有广泛应用[4] [5]。

该技术在“数字地球”概念的大背景衬托下，显示出了强大的生命力和蓬勃生机，并随着与之相关的学科迅速发展而不断更新。

因此，对其深入研究十分必要。

1.2 国内外研究现状在计算机图形学领域，三维可视化是一个重要的研究方向，许多研究人员己经进行了大量卓有成效的研究，并有许多成熟的技术己经应用到实际中，出现了大量的优秀的可视化软件产品，如3D MAX、MAYA、EVS、AVS等。

这些产品主要应用于游戏、电影动画、工业设计以及其它专业领域的研究，而与GIS联系较少。

可视化理论与技术用于地图学与GIS始于90年代初。

1993年，国际地图学协会(ICA)在德国科隆召开的第16届学术讨论会上宣告成立可视化委员会(Commission On Visualization),其主要任务是定期交流可视化技术在地图学领域中的发展状况和研究热点，并加强与计算机领域的协作。

1996年该委员会与美国计算机协会图形学专业组(ACMSIGGAPH)进行了跨学科的协作，制订了一项称为“Carto Proiect"的行动计划，旨在探索计算机图形学领域的理论和技术如何有效地应用于空间数据可视化中，同时也探讨怎样从地图学的观点和方法来促进计算机图形学的发展[6]。

1998年2月由B．H．Mccormick等根据美国国家科学基金会召开的“科学计算可视化研讨会"的内容撰写的一份报告中正式提出了“科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing,简VISC)”的概念，从此标志着一门新的可视化学科的问世。

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可用顶点聚类 、近平面合并 、顶点删除 、边删除 、 三角形删除 、边折叠等[4 ,5] 基本简化动作来对地形 网格模型进行如下的处理 :
1) 数据预处理. 确定顶点的相邻多边形和计算 顶点的重要程度. 在读入原始地形模型数据的过程 中 ,对读入的顶点数据和三角形 ,用新建的数据结构 重新进行构建. 随后确定每一个顶点的相邻多边形 并计算他们的重要程度.
第3期
范乃梅等 :基于 OpenGL 的三维地形的生成与简化
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{
glBegin ( GL LINE LOOP) ; setVertex( x1 , z1) ; setVertex( x2 , z2) ; setVertex( x3 , z3) ; glEnd () ;
}
在地形的绘制中采用了多阶曲线插值的方法 , 这样绘制出的地形就比较平滑 ,最后采用三角形近 似和纹理贴图 , 这样绘制出的地形就比较平滑和 逼真. 2. 4 地形的动态显示
由分形算法生成) 或半自动生成 (给定一个初始模 型 ,其细节由分形算法生成) . 2) 基于数据拟合的地 形建模. 最简单且常用的一种地形建模方法 ,是由稀 疏分布点的高程值构成一些简单的三角形平面 ,形 成地形框架. 这种地形建模方法虽然显示速度很快 , 但过于简略 ,只具备较强的卡通效果 ,地形的真实感 会受到很大影响. 3) 基于真实地形数据的地形建 模. 基于真实地形数据建模构造场景的常用方法是 采用数字地面模型 DTM (Digital Terrain Model) 和数 字高程模型 DEM (Digital Elevation Model) 构成. DEM 中属性为高程的要素是数值的集合 ,通常用矩阵表
在地形的绘制中 ,主要根据所计算出来的不同 层次的网格点的数据来绘制 ,地形的绘制是采用三 角形来模拟的. 在由地形建模算法得到的原始数据 为规则格网数据 ,采用直接将格网进行分解组合得 到三角形的方法. 原格网为正方形格网 ,以一条对角 线简单地将格网分解便形成了一系列的三角形.
源代码如下 :
/ / 线框形式的三角形绘制函数 Void Clod : :triangle (int x1 , int z1 , int x2 , int z2 , int x3 , int z3)
三维地形的建模就是将 DEM 数据进行网格化 处理 ,每一个网格用三角形面片绘制出来 ,就可构成 高低起伏的曲面地形. 基于真实数据生成地形的方 法可通过飞机/ 卫星激光扫描直接测绘出 DEM ,但 获取费用较高 ,精度不一定满足要求 ,对普通用户来 说一般存在难以获取数据的问题. 针对这个问题 ,本 文提出了一种恢复 DEM 的算法 ,该算法是基于位图 来生成数字高度图 ,所采用的位图是利用遥感 、航测 图片 ,通过影像匹配方法产生的正射影像图. 该算法 通过正射影像图来自动创建从视觉上与实际地形吻 合的地形模型 ,进而给地形赋予纹理 ,最终生成效果 逼真的地形景观.
具体操作过程如下 : 1) 初始化地形的最大 、最 小高度以及地形的网格间距 ; 2) 打开一幅位图 ,计 算出位图的高度和宽度 ,以及地形的水平 、垂直网格 数 ,找出位图的最大灰度值与最小灰度值 ,在这一步 骤中 ,需要注意的是 ,如果位图图像的宽或高有冗余 (也就是位图的高度 、宽度不是给定的网格间距的整 数倍) ,则须剪裁掉冗余的部分 ,然后在重新计算实 际用到的位图图像的宽和高 ; 3) 建立位图的灰度值 与地形高程的线性映射关系 ; 4) 依据网格交点的灰 度值以及线性映射关系 ,求出对应于该点的地图的 高程值 ,并将其存储到两维数组中 ; 5) 计算出各个 顶点的法线 ,利用 OpenGL 的显示技术 ,绘制地形的 三角形面片. 该算法实现的流程图如图 2 所示. 1. 3 地形模型的显示
2) 选择顶点. 对于一个顶点 ,如果它满足以下 3 个条件 :自由度小于给定的值 ;重要度小于预先定义 的值 ;相邻点组中没有顶点被删除. 则该顶点可以被 删除.
3) 局部三角形化. 如果删除了一个顶点以及它 的相关三角形 ,那么必须对留下的星形多边形进行 三角化. 2. 3 LOD 地形的绘制
在预先进行的地形模型简化过程中 ,每简化一 次三角网 ,就会生成另外一级模型 ,如果把原始的网 格作为最低级 ,那么每一次简化就生成更高一级的 网格 ,同时 ,任何关于被删除的顶点和三角形的增减 信息 ,都通过点结构参数的修改保存下来. 这样 ,在 任何时候都可以按某种需要恢复网格原始状态. 图 4 —图 7 分别显示了网格的 4 个层次.
0 引言
三维地形模 拟 是虚 拟 环 境 仿 真 中 最 基 本 的 、最 重要的环节之一. 通常地形建模所需的数据量很大 , 三维真实感地形的生成对计算机的图形处理能力提 出了很高的要求. 这些工作原本只能在三维图形工 作站或大型计算机上完成 ,但其昂贵的价格使大量 用户望而止步. 因此基于普通 PC 机快速生成高度 真实感的三维地形成为计算机图形学领域中的一个 挑战性课题. 一般来说 ,地形建模有以下 3 种方法 : 1) 分形地形建模. 基于分形的全自动生成 (地形完全
Abstract :An approach to rapidly build a three2dimentional terrain based on bitmap was presented. The method is to create a correspondence between the gray value of bitmap and the height of terrain. It is realized by pro2 gramming with Visual C + + and OpenGL. In order to reduce the giant datum of three2dimensional terrain , LOD (level of detail) technique was used to simplify the gridding terrain. Key words : three- dimensional terrain ; three- dimensional graph ; terrain modeling ; terrain model ; OpenGL ; gray level ; three- dimensional terrain simulating
Implementation and simplification of three2dimensional terrain based on Open GL
FAN Nai2mei , XIONG Kun
( College of Comp. and Com . Eng. , Zhengzhou Univ. of Light Ind. , Zhengzhou 450002 , China)
在复杂模型的动态显示中 ,当观察点距某一物 体很近时 , 该物体的图像在屏幕上占据较多的像素
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郑州轻工业学院学报 (自然科学版)
2006 年
图 2 生成网格地形
图 3 三维网格地形
点. 当观察点距某一物体很远时 ,该物体的图像只能 在屏幕上占据很少的像素点 ,在这种情况下 ,用大量 的多边形面片去精确表示该物体是不必要的. 为了 更好地实现三维复杂模型的实时动态显示 ,将三维 物体用多种不同的精度表示 ,并根据观察点位置的 变化而选择不同精度的模型予以成像 ,就成为非常 有效 的 手 段. 这 种 方 法 通 常 称 为 细 节 层 次 LOD 技术. 2. 2 简化算法
收稿日期 :2005 - 12 - 07 作者简介 :范乃梅 (1976 —) ,女 ,河南省辉县人 ,郑州轻工业学院助教 ,主要研究方向 :计算机图形图像.
第3期
范乃梅等 :基于 OpenGL 的三维地形的生成与简化
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示 ,广义的 DEM 可包括等高线 、三角网等 ,这里特指 由地表网格单元各点高程值构成的矩阵[1] .
Vol. 21 No. 3 Aug. 2006
基于 OpenGL 的三维地形的生成与简化
范乃梅 , 熊 坤
(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院 , 河南 郑州 450002)
摘要 :在 Visual C + + 环境下 ,以通用标准三维图形函数库 OpenGL 为工具 ,通过在位图的灰度值与 地形高程之间建立映射关系 ,快速生成了三维网格地形. 为减少高程数据生成地形的巨大数据量 , 应用 LOD 技术对生成的网格地形进行简化. 关键词 :三维地形 ;三维图形 ;地形建模 ;地形模型 ;OpenGL ;灰度等级 ;三维地形模拟 中图分类号 :TP311. 1 文献标识码 :A
图 1 ( N ×M) 网格表示地形 1. 2 算法的基本原理
基于位图生成地形的关键在于如何合理地将位
图的值转换为可利用的高程数据. 最简单的方法是 建立位图的灰度等级[2] 与地形高程的线性映射关 系. 对于一幅位图 ,首先把它从水平 、垂直方向划分 为间距相等的网格 ;其次把网格交点像素的 RGB 值 转化为相应的灰度值 ,找到其最大的 、最小的灰度 值 ;然后根据实际地图资料可以获得该地形的最大 、 最小高度 ;从而可以建立位图像素的灰度值与地形 高程之间的映射关系. 有了映射关系 ,就可以计算出 网格点各个像素对应的地形高程 ,将其存入二维数 组. 这样就得到了三维地形的各个顶点数据 ,通过 OpenGL 绘制 ,即可得到三维地形.
1 地形构建
111 地形模型的数据结构 创建地形景观首先需考虑地形模型的生成 ,建
立与实际地形吻合的地形模型是成功创建地形景观 的关键. 假设地形由规则矩形面片构成 ,它可以通过 网格来表达 ,如图 1 所示. 在数据结构上 ,使用二维 数组描述地形网格 ,每个数组元素描述网格上的一 个结点 ;数组下标表示结点在网格中所处的行/ 列位 置 ,可以通过该下标和网格间隔来计算出其对应的 三维点的 x , z 坐标 ; 数组元素的值就是该结点的高 度值 y . 对于图 1 所示的地形网格 , 用 Terrain [ N ] [ M ]来描述 ,其中 N 是地形网格的行数 , M 是地形 网格的列数 ,Terrain[ i ] [ j ]表示第 i 行 、第 j 列上的 高度 , i 在 0 到 N 之间 , j 在 0 到 M 之间. 己知矩形 面片 4 个顶点的三维坐标 ,就可以方便地获得该矩 形面片上任一点的三维坐标 ,从而获得整个地形上 任一点的三维信息. 由此可见 ,通过二维网格描述地 形 ,能节省存储空间 ,有利于获得地形的三维信息.