一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下三維可視化信息系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 一種關(guān)于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的三維可視方面的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字省市”、“數(shù)字小區(qū)”的提出和建設(shè)，以及信息和遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的迅猛發(fā)展，很大程度上促使傳統(tǒng)二維GIS的服務(wù)走向網(wǎng)絡(luò)化，表現(xiàn)形式向三維立體方向發(fā)展，這就對(duì)軟件傳輸和處理海量數(shù)據(jù)的能力提出了挑戰(zhàn).以三維地形景觀模型為主要內(nèi)容的數(shù)字虛擬系統(tǒng)引起了人們的極大關(guān)注，并日益成為三維GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展的主流之一 [I].雖然許多研究者已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三維GIS原型系統(tǒng)，使得三維GIS技術(shù)在礦產(chǎn)資源管理、數(shù)字城市等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但目前真正研究網(wǎng)絡(luò)形式的GIS系統(tǒng)和地形可視化系統(tǒng)的文獻(xiàn)和應(yīng)用系統(tǒng)，很少網(wǎng)絡(luò)三維可視化系統(tǒng)關(guān)鍵要解決大容量空間數(shù)據(jù)的快速實(shí)時(shí)傳輸、動(dòng)態(tài)顯示以及多源海量數(shù)據(jù)的管理和高效索引。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]1997年，Lindstrom等人提出了三維地球的初步設(shè)計(jì)模型VGIS[3]，對(duì)于虛擬三維地球的研究做出了很好的探索.美國(guó)Keyhole公司[4]在2001年開(kāi)發(fā)的EarthSystem是迄今為止較為完善的網(wǎng)絡(luò)三維圖形信息系統(tǒng).但它對(duì)計(jì)算機(jī)的配置特別是顯卡要求很高，一般運(yùn)行在配有NVIDIA顯卡的客戶端上.Teler等人提出了服務(wù)器端只渲染最低層次的元素，并把處理結(jié)果以圖像的形式返回客戶端，而其他的LODs作為三維模型傳到客戶端，可視化工作在客戶端進(jìn)行這樣做的好處是最低一層的LOD渲染時(shí)間加上圖像傳輸時(shí)間比直接傳輸三維模型的時(shí)間要少；但大量元素和客戶機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，即使最低層次數(shù)據(jù)的可視化過(guò)程也會(huì)非常復(fù)雜，服務(wù)器的負(fù)載過(guò)重.用ScenseS和SGI的OpenGL Vizserver開(kāi)發(fā)的虛擬環(huán)境軟件WorldToolKit提供了一個(gè)基于client/server虛擬場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)環(huán)境[6].WorldToolKit雖然能夠提供高質(zhì)量的圖形，但所有的渲染工作全部在SGI服務(wù)器上完成，三維場(chǎng)景作為圖片傳到客戶端上，即使客戶端的計(jì)算機(jī)配置很高，也需要昂貴的服務(wù)器。
[0004]本發(fā)明是Internet/Intranet環(huán)境下的三維可視化系統(tǒng)GeoVirtual的數(shù)據(jù)發(fā)布和三維顯示的實(shí)現(xiàn)方法.GeoVirtual提供了一種瀏覽地球的新途徑，用戶使用鼠標(biāo)(或查詢操作)就可以對(duì)地球進(jìn)行定位漫游，它對(duì)客戶端的要求不高.由于采用自己的一套核心技術(shù)，使得客戶機(jī)對(duì)象和服務(wù)器對(duì)象之間能夠直接對(duì)話，合理分配系統(tǒng)負(fù)荷，從而Web服務(wù)器不會(huì)負(fù)擔(dān)過(guò)重。網(wǎng)絡(luò)三維可視化系統(tǒng)的基本要求是三維場(chǎng)景能夠快速傳輸?shù)蕉鄠€(gè)客戶端，最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)阻塞，場(chǎng)景的復(fù)雜度要適應(yīng)客戶機(jī)的實(shí)際處理能力.考慮到:(I)如果將場(chǎng)景的渲染工作放在服務(wù)器端，多用戶訪問(wèn)時(shí)，即使最低層次元素的繪制都會(huì)超出服務(wù)器的運(yùn)行能力；(2)基于服務(wù)器渲染的系統(tǒng)，對(duì)服務(wù)器硬件配置要求很高，并且傳輸?shù)娇蛻舳说膱D片只能描述二維信息，缺少交互和變換的功能。我們?cè)O(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)GIS GeoVirtual的架構(gòu)體系.該結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn):(I)由于采用了高效的空間索引技術(shù)、漸進(jìn)傳輸技術(shù)和地形簡(jiǎn)化算法，客戶端場(chǎng)景的顯示速度與數(shù)據(jù)量大小無(wú)關(guān)，滿足了多用戶并發(fā)訪問(wèn)的需要，并且最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)堵塞和傳輸時(shí)間；(2)采用異步多線程技術(shù)，客戶機(jī)可視化場(chǎng)景的同時(shí)能在后臺(tái)實(shí)時(shí)請(qǐng)求和處理地形數(shù)據(jù)。
[0005]Web服務(wù)器主要包括若干數(shù)據(jù)庫(kù)和一個(gè)離線數(shù)
據(jù)預(yù)處理模塊.它主要負(fù)責(zé)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、索引、壓縮等，并把被請(qǐng)求的數(shù)據(jù)提交給客戶端.DEM數(shù)據(jù)庫(kù)、紋理數(shù)據(jù)庫(kù)和矢量數(shù)據(jù)庫(kù):全球的DEM、矢量數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)按照分辨率、空間位置分層次存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)內(nèi)部關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成.索引模塊根據(jù)客戶端的請(qǐng)求在全庫(kù)內(nèi)進(jìn)行快速檢索，自動(dòng)調(diào)用不同層次的數(shù)據(jù).三維模型數(shù)據(jù)庫(kù):數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)記錄了模型的名稱、坐標(biāo)、紋理以及一些重要的描述信息，用以城市或小區(qū)三維建筑的模擬.屬性數(shù)據(jù)庫(kù):記錄了地形的坐標(biāo)、注記、特征點(diǎn)的信息等屬性，用以實(shí)現(xiàn)地物地貌的查詢。客戶端是與遠(yuǎn)程用戶交互的接口和界面，通過(guò)http協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通訊.它使用三層結(jié)構(gòu)體系來(lái)實(shí)現(xiàn)，即VC++，JavaScript和HTML.客戶端應(yīng)用程序的場(chǎng)景管理線程負(fù)責(zé)向Web服務(wù)器請(qǐng)求特定區(qū)域、一定分辨率和類(lèi)型的數(shù)據(jù).當(dāng)數(shù)據(jù)位于四叉樹(shù)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)上時(shí)，客戶端在共享高級(jí)緩存內(nèi)為數(shù)據(jù)分配空間并通過(guò)共享內(nèi)存優(yōu)先隊(duì)列向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，相關(guān)請(qǐng)求的級(jí)別由場(chǎng)景渲染線程決定.當(dāng)前層四叉樹(shù)結(jié)點(diǎn)中的靜態(tài)、視相關(guān)數(shù)據(jù)放在一組哈希表中.哈希表在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就進(jìn)行了初始化，管理器知道哪些結(jié)點(diǎn)在表的外面，因此不會(huì)向服務(wù)器請(qǐng)求冗余的數(shù)據(jù)。
[0006]本發(fā)明利用層次傳輸方法的流能力擴(kuò)充了基于細(xì)節(jié)層次的外存算法，綜合了視相關(guān)幾何流渲染、預(yù)取、內(nèi)外緩存等理論技術(shù)，將其應(yīng)用到大尺度、高分辨率的地形數(shù)據(jù)傳輸和渲染中.為了減少內(nèi)存的消耗，構(gòu)建三維場(chǎng)景的結(jié)點(diǎn)采用算術(shù)編碼壓縮，先傳輸可見(jiàn)子結(jié)點(diǎn)中較粗的模型，并將其保留在客戶機(jī)內(nèi)存中，漸進(jìn)可視化更高層次的場(chǎng)景.如果遍歷停止，就用較粗細(xì)節(jié)層次模型渲染.在遍歷四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)搜索當(dāng)前待渲染結(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，將流和預(yù)取過(guò)程分為兩個(gè)異步線程進(jìn)行。在交互的過(guò)程中必需的數(shù)據(jù)放在緩存中，每個(gè)細(xì)節(jié)層次中保留數(shù)據(jù)塊的緩存，如果塊立即使用，就存儲(chǔ)在內(nèi)存緩存中，否貝1J，放在磁盤(pán)緩存中.客戶端的應(yīng)用程序根據(jù)本機(jī)硬件配置、數(shù)據(jù)尺度和基于視相關(guān)的原則，確定合適的多進(jìn)制小波、靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差，利用三角網(wǎng)構(gòu)建多分辨率三維場(chǎng)景.從分辨率為幾公里的大場(chǎng)景到分辨率只有幾米的城市地區(qū)，如果場(chǎng)景變化的太快，地形管理器跨越四叉樹(shù)而定位到合適位置的速度會(huì)落后于用戶變換場(chǎng)景的速度，這種管理機(jī)制讓四叉樹(shù)能快速定位到合適的空間位置以獲得重要的屬性信息和地理空間邊界盒，從而決定哪些數(shù)據(jù)和模型顯示在當(dāng)前視景體內(nèi)。
[0007]在保持三維場(chǎng)景繪制質(zhì)量的同時(shí)加快顯示速度是可視化領(lǐng)域重點(diǎn)解決的問(wèn)題.很多參考文獻(xiàn)提出了用二叉樹(shù)或者四叉樹(shù)簡(jiǎn)化地形場(chǎng)景[12，13]，如果數(shù)據(jù)的分辨率很高，僅靠二叉樹(shù)(或四叉樹(shù))簡(jiǎn)化的計(jì)算量非常大，消耗內(nèi)存多，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模DEM的實(shí)時(shí)可視化.為了迅速將數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)化到給定的誤差范圍之內(nèi)，本文提出用多進(jìn)制小波變換和層次三角形技術(shù)實(shí)時(shí)簡(jiǎn)化DEM和紋理。
[0008]小波具有良好的視域和頻域特性，被省略的地形細(xì)節(jié)可以通過(guò)合適的小波基重構(gòu)出來(lái)，利用小波
基序列，只需要很少的點(diǎn)就可以逼近原始數(shù)據(jù).多進(jìn)制小波理論[14~16]在對(duì)稱性、光滑性等方面與二進(jìn)制小波相比，有其獨(dú)特的特點(diǎn)，它能解決二進(jìn)制小波不能解決的問(wèn)題.多進(jìn)制小波將原數(shù)據(jù)分解成I個(gè)低頻成分(地形的輪廓)和#2 -1個(gè)高頻成分(細(xì)部特征).低頻成分經(jīng)小波變換又可以生成新的高頻和低頻成分.根據(jù)影像和DEMs的特性，給出適合簡(jiǎn)化地形模型的多進(jìn)制小波變換公式第j層的低頻成分\aj，k, 1}。
[0009]在多進(jìn)制小波分解過(guò)程中，第只I層{a>l，k, 1}的低頻成分能夠很好的保留第J層\aj，k, 1}的基本信息.客戶端的應(yīng)用程序能夠根據(jù)自己的硬件配置和數(shù)據(jù)尺度的大小采用合適的多進(jìn)制小波構(gòu)建地形，接下去，對(duì)多進(jìn)制小波變換后的濾波數(shù)據(jù)，采用多分辨率三角形構(gòu)建地形表面模型.作者以視相關(guān)和地形地貌起伏為準(zhǔn)則，提出用靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)建立。
[0010]為了比較本文算法的優(yōu)越性，作者對(duì)本文算法與Hoppe提出的VDPM方法[13]、原始數(shù)據(jù)不簡(jiǎn)化直接顯示，在幀速率和內(nèi)存消耗上作了對(duì)比.可以看出，隨著DEM采樣點(diǎn)數(shù)目的增長(zhǎng)，本文的方法在幀速率和內(nèi)存消耗上要優(yōu)于VDPM方法，大約能保持25幀/秒的速率.由于VDPM三角網(wǎng)建模，
三角形之間需要消耗內(nèi)存保持拓?fù)潢P(guān)系，尋找合適的頂點(diǎn)需要一定的時(shí)間.而本文的方法先通過(guò)多進(jìn)制小波變換剔除冗余點(diǎn)，保留關(guān)鍵的頂點(diǎn)，然后用濾波數(shù)據(jù)構(gòu)建地球表面模型，明顯加快了建模速度，降低了內(nèi)存的消耗.在不同的靜態(tài)誤差ε和動(dòng)態(tài)誤差Y下，幾幅多分辨率地表模型，同時(shí)定量說(shuō)明了渲染三角形的數(shù)目、以及與之相應(yīng)的幀速率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下三維可視化信息系統(tǒng)其特征是網(wǎng)絡(luò)三維可視化系統(tǒng)的基本要求是三維場(chǎng)景能夠快速傳輸?shù)蕉鄠€(gè)客戶端，最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)阻塞，場(chǎng)景的復(fù)雜度要適應(yīng)客戶機(jī)的實(shí)際處理能力。2.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征是1.如果將場(chǎng)景的渲染工作放在服務(wù)器端；多用戶訪問(wèn)時(shí)，即使最低層次元素的繪制都會(huì)超出服務(wù)器的運(yùn)行能力；2.基于服務(wù)器渲染的系統(tǒng)；對(duì)服務(wù)器硬件配置要求很高，并且傳輸?shù)娇蛻舳说膱D片只能描述二維信息，缺少交互和變換的功能。3.根據(jù)權(quán)利要求2其特點(diǎn)由于采用了高效的空間索引技術(shù)、漸進(jìn)傳輸技術(shù)和地形簡(jiǎn)化算法。4.客戶端場(chǎng)景的顯示速度與數(shù)據(jù)量大小無(wú)關(guān)，滿足了多用戶并發(fā)訪問(wèn)的需要，并且最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)堵塞和傳輸時(shí)間。5.采用異步多線程技術(shù)，客戶機(jī)可視化場(chǎng)景的同時(shí)能在后臺(tái)實(shí)時(shí)請(qǐng)求和處理地形數(shù)據(jù)。
【專利摘要】一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下三維地形可視化信息系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展,但在海量數(shù)據(jù)管理和傳輸、大規(guī)模場(chǎng)景建模和逼真顯示等方面仍然缺少成熟而簡(jiǎn)單易行的方法,在綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,論述了快速訪問(wèn)多尺度、多層次地理數(shù)據(jù)的橢球四叉樹(shù)空間索引技術(shù)以及流傳輸與細(xì)節(jié)層次渲染技術(shù)相集成的原理;提出以視相關(guān)和地形坡度為準(zhǔn)則,多進(jìn)制小波和層次三角網(wǎng)技術(shù)為核心的大規(guī)模地形場(chǎng)景的簡(jiǎn)化算法.根據(jù)這些理論和技術(shù),借助于COM？技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的三維可視化系統(tǒng).通過(guò)把海量空間數(shù)據(jù)發(fā)布到PCs上，滿足多用戶并發(fā)瀏覽、查詢和分析的需要.該系統(tǒng)在軍事模擬訓(xùn)練和城市規(guī)劃等方面有良好的應(yīng)用前景。
【IPC分類(lèi)】G06F17/30, G06T17/05
【公開(kāi)號(hào)】CN105631934
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410618608
【發(fā)明人】楊際榮
【申請(qǐng)人】鎮(zhèn)江華揚(yáng)信息科技有限公司
【公開(kāi)日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2014年11月6日