大场景三维渲染关键技术研究及实现
姚春雨1,2，彭桂辉1,2，段梦琪1,2
【摘 要】三维模型的海量特性和计算机硬件的制约给三维场景的渲染提出了严峻的挑战，优化三维场景中数据的组织管理方式及模型调度算法是提高三维场景渲染效率的有效途径。基于此，对三维场景的组织及模型调度进行了深入研究，提出了一些提高渲染效率的方法及算法，包括支持并行计算的快速地形制作方法、一种自适应的模型数据四叉树组织算法、基于边折叠算法的LOD模型自动生成技术，海量模型数据的内外存调度策略，地下管网的实时自动生成等，通过具体应用案例对研究结果的有效性进行了很好的验证。 【期刊名称】《地理空间信息》 【年(卷),期】2019(017)010 【总页数】4
【关键词】LOD； 模型调度；四叉树；地下管网
项目来源：陕西省科学技术研究发展计划项目（2012K06-11）。
在三维场景渲染的系统中，需要动态调度和渲染显示大量的三维模型，如：地形地貌、城市部件、房屋建筑、桥梁河流、树木绿化、地下设施、地下管网等[1-2]。这些模型通常数据量大，占用存储空间大。一个中等规模的城市市区的三维精细模型需要的存储空间数百GB，将如此巨大的数据全部载入计算机内存中进行实时渲染是不可能的。因此海量数据的组织和调度就变得非常关键[3-4]。
本文采用开源三维图形引擎OSG配合开源数据库系统，研究OSG在海量三维地物模型的存储管理、渲染表达、动态调度等方面的问题。利用西安西京医院、
新疆库尔勒的三维模型数据为实验数据设计开发了一套三维场景渲染系统，用以检验本文研究结果的有效性。
1 三维数据组织
三维模型数据组织方式直接影响三维场景的加载速度与渲染效果，高效合理的场景组织方式可以大大提高场景的渲染效率，提高绘制帧率[5-6]。本文将三维场景分为3层：地上模型、地形地貌、地下模型。 1.1 地上模型的数据组织方式
地上三维模型都是离散的分布，模型与模型之间并无明确的拓扑或者空间关系[7]。本文提出一种自适应的四叉树组织算法，并应用该算法对模型数据进行组织，将索引信息存储在数据库中。其基本思路是将模型信息存储在完全包含它的最小矩形节点中，每个三维模型都只在树中存储1次，避免了存储空间的浪费。四叉树构建步骤如下：
1）遍历模型数据，记录模型相关信息并存储到模型要素表中（如图1），计算出能够包含所有模型的外接包围盒作为四叉树根节点包围盒。
2）遍历模型数据，将根节点作为当前节点，检测模型外接包围盒和当前节点的子节点外接包围盒的拓扑关系。如果模型外接包围盒与子节点外接包围盒相交，将模型加入当前节点；如果模型在某个子节点内部，则将该子节点作为当前节点，递归调用步骤2，直到子节点至四叉树规定层数的最底层。将四叉树信息存储到四叉树要素表中（如图2）。
3）地上三维模型往往顶点多，纹理精细，即便是创建了四叉树结构，一个四叉树格网索引中的数据量相对于计算机内存来说也是相当大的，如果把这些精细模型全部加载到内存中，不仅对内存的消耗巨大，同时载入过程也非常耗时，
甚至导致系统崩溃。
因此本文提出了一种基于边折叠算法及纹理压缩的LOD模型自动生成算法。其基本思想是：每次选择模型中折叠代价最小的一条边进行折叠，并用单一点替代，且将与该边2个端点之一相邻的每一顶点都和新顶点相连，同时删除所有退化的边和面。每次可从原始网格中删除1个顶点、3条边、2个三角形。同时简化纹理贴图并计算纹理贴图坐标，确保获得准确的折叠顶点的纹理坐标，生成新的简化的LOD模型。本文设计的LOD模型自动生成工具生成精模、中模和粗模3套模型。 1.2 地形地貌数据组织
地形地貌数据包括地形数据模型及某些为了提高美观效果而制作的地面单体模型，如地板、草坪、低矮地面设施等[8]。
在基于OSG的三维场景渲染系统中，大规模地形数据的生成大部分是使用OSG的一个开源插件VPB制作。其用途是将航拍影像数据和高程DEM数据叠加制作地形瓦片数据用于三维场景渲染显示。但VPB地形生成工具海量地形生成易发生中断、生成速度慢等缺点。本文在基于VPB地形生成工具的基础上引入多线程机制，使用线程池控制内存，大大降低了地形处理的时间，同时支持海量地形数据的生成。本文研究的地形制作工具支持TB级地形数据的生成,比传统的地形生成速度提高50%以上。
地形地貌中的地面单体模型如地上模型一般利用四叉树生成工具存放到四叉树中。在模型属性项中和地上模型有标注区分。 1.3 地下模型数据组织
本文实验的地下模型数据主要是指地下管网数据。在高度发达的现代化城市中
大场景三维渲染关键技术研究及实现
