三維地景仿真

三維地景仿真（three-dimensional landscape simulation）是指以地理基礎或專題數據為依據，用計算機生成某地區的地景三維圖像。

基本介紹

• 中文名： 三維地景仿真 
• 外文名：three-dimensional landscape simulation
• 拼音：sānwéidìjǐngfǎngzhēn
• 作用：虛擬自然環境
• 特點：生成三維圖像
• 階段：高度真實感立體繪製時期

三維地景仿真概述

地形是自然界最複雜的景物之一，對地形的仿真一直是計算機圖形學的重要研究內容。伴隨現代數學、計算機圖形學、計算機科學等理論和技術的不斷發展，該領域已經歷了線劃二維地形圖、模擬灰度三維地形圖、高度真實感三維地形圖等幾個發展階段。在計算機圖形學技術發展初期，由於計算機處理速度、存貯空間、顏色數、顯示器解析度等限制，人們只能繪製以線劃符號表示的二維線劃圖，其內容單調、信息貧乏、真實感差。20世紀60年代以來，人們通過引用光照模型，繪製具有表而明暗灰長連續變化的地形實體地形圖，這種立體圖，立體效果更強，有一定真實感，但信自變數仍不足，實用性不強。隨著計算機圖形顯示設備性能的改進，真實感圖形的生成算法的不斷完善，使地形的三維顯示技術進入了高度真實感立體繪製的發展時期。

三維地景仿真的作用

三維地景是虛擬自然環境中不可缺少的因素，也是虛擬仿真領域中視景系統的重要組成部分。由於三維地形通常與虛擬環境中物體的運動直接有關，更由於它的數據量龐大，因此在建模和實時顯示兩個方面都有較高的要求。人們在不斷提升硬體處理能力的同時，也努力研究如何通過軟體算法和技術來降低處理的數據量，以實現虛擬效果和硬體能力之間的平衡。

地形生成與仿真技術

基於真實地形數據的地形生成及實時顯示技術

簡單的地形生成技術根據真實地形數據進行地形生成是實際工作中使用最多的一類。其核心思想是通過減少實時繪製的頂點數據量來加快繪製速度。基於真實地形數據的地形生成及實時顯示渲染效果如圖1和圖2。

圖1地形起

圖2地形平緩

大多採用數字地面模型（Dig-ital Terrain Model， DTM）來生成，DTM數據由在規則格線地形圖上採樣所得的高程值構成，與飛機或衛星上所拍攝的遙感紋理圖象數據相對應，這些紋理圖象在重構地形表面時被映射到相應的部位。

基於分形技術的地景仿真技術

分形幾何（fractal）是Mandelbrot於1975年造出的一個名詞，分形幾何關注的是物體的隨機性、奇異性和複雜性，他試圖透過混亂現象和不規則構型揭示隱藏在背後的局部與整體的本質聯繫和運動規律。分形幾何具有細節無限以及統計自相似性的典型特性，它用遞歸算法使複雜的景物可用簡單的規則來生成，在現代的計算機圖形學中，分形幾何在對自然現象的真實繪製和建模方面起著重要作用。

地景建模是自然景物建模中很重要的一類，許多分形地景建模都與分數維布朗運動(fractionalBrownian motion, fBm)這一數學模型有關。fBm是現代非線性時序分析中的重要隨機過程，它能有效地表達自然界中許多非線性現象和描述真實地形的隨機過程。

分形地景建模大致可歸納為泊松階躍法(Pois-son faulting)、傅立葉濾波法(Fourier filtering)、中點位移法(midpoint displacement)、逐次隨機增加法(Successive random additions)和帶限噪聲累積法(Summing band limited noises)5類。

基於數據擬合的地形仿真技術

最簡單且常用的地形仿真方法是由稀疏分布點的高程值構成一些簡單的三角形平面，從而形成地形框架，並貼以紋理圖象的方法。這種方法顯示速度很快，但基本框架過於簡略，且常有很強的卡通效果，因此，地景的真實感受到影響。很多情況下，地形仿真也用曲面（如二次、三次曲面等）進行擬合。曲面不需作分段線性近似，仍可以保證相鄰面的斜率連續性，因此非常靈活。但由於其數學計算的複雜性,對於複雜場景來說，計算量較大。另外，為了增加逼真效果，也可以用分形技術直接對用上述方法生成的光滑平面或曲面進行噪聲擾動，從而形成真實感較強的地形表面。後來又出現了用小波技術進行地形數據擬合的算法。

另一類方法，則注重根據地學圖形數據的精確描述，來進行真實地形的仿真，如張繼賢等提出的一種根據地形特徵參數進行地形生成的方法，這些特徵參數包括平均高程、最大/最小高程及其位置、高程標準差、相關長度、地形粗糙度等。在地形分析領域中。地形則被看做是一種隨機統計過程。如平穩正態均方連續的馬爾可夫過程。該算法將這一觀點與分形幾何模型、隨機點生成技術以及實用回歸技術相結合，首先利用給定的地形參數，通過模擬符合地形統計特徵的隨機過程，形成一定數量用來表示地形骨架的特徵點，再進行一定的處理，統一為用規則格線分布形式表示的地形整體骨架。然後利用分形技術中的中點位移法產生地形局部細節。從而生成與某個真實地形非常相似的仿真地景。並且，該類方法還進一步地將小波技術引入到地形的多細節生成中，即利用小波機制產生多尺度地形局部細節信號，與已生成的表示地形骨架的特徵點相綜合，再通過小波多尺度合成，以獲得符合要求的具有任意細節水平的真實三維仿真地形，因而這是真實地景仿真中的一種連續LOD技術。

三維地形的可視化技術

三維地形的可視化技術分為兩種，面繪製技術和體繪製技術。由於體繪製技術具有離散及計算和存貯量大的特性，對硬體的性能要求很高，所以地形的實時繪製主要採用面繪製技術。

基於面繪製的三維地形建模技術可以歸納為三類：基於真實地形數據的多邊形模擬、曲面擬合地形仿真和分形地景仿真。基於真實地形數據的多邊形模擬是指利用對真實地形的採樣點，通過插值、剖分等方法建立多邊形集合，並用此多邊形集合模擬地形表面。數字高程模型DEM便是典型的也是基於真實採樣點的二維地表模型主要表示方法，是人們對三維地形實時顯示算法進行研究的基礎。曲面擬合地形仿真是根據控制點選擇合適的曲面對地形進行擬合，其優點是保證了相鄰面的斜率連續性，缺點是曲面方程及參數不易控制，且生成地形過於光滑，真實感較差，這種建模技術套用的較少。分形地景仿真是利用分形幾何所具有的細節無限和統計自相似的典型特性，通過遞歸算法使複雜景物可用簡單的規則來生成。它的優點是數據量小，缺點是算法的複雜度高，且沒有與實際所需的真實地形、地貌相聯繫，因此在套用上受到一定的限制。

相關三維仿真軟體

隨著三維可視化仿真技術的飛速發展，三維仿真軟體如雨後春筍般不斷湧現。MultiGen-Paradigm公司在2005年開發了專門針對大地形場景仿真環境的構建與渲染工具Creator Terrain Studio和Vega Prime。其中Creator Terrain Studio是創建大場景地形的工具，而Vega Prime則是三維大地形的視景仿真渲染工具。

Creator Terrain Studio 地形建模技術

Creator地形模組可以滿足一般形式的地形建模需求。它對創建出來的地形進行基本的邊界修改，提供了Polymesh、Delaunay、CAT、TCT四種地形生成算法，每種算法都有各自很強的適用針對性，都能根據DED格式的高程數據自動地生成基本的地形曲面。

Creator Terrain Studio地形模組的主要功能是創建，編輯地形，並且使得可視化的仿真地形能夠運動起來。 通過操作簡單但流程複雜的嚮導， 進程和工作流程，CTS提供了一個有序的結構化的環境，使得可以創建並且反覆創建任何尺寸和細節的地形。因為最後是產生 openflight 格式的地形檔案。所以CTS的資料庫都以openflight作為其數據輸入格式。

CTS在地形建模方面功能非常強大，它提供了一個自動化的工作流程，通過這個工作流程可以管理地形產生過程的每一個環節，並且每一個數據和流程作為一個對象保存在POD（持續對象資料庫）里，以便隨時的查閱和編輯。通過這個功能可以在任何部分重複工作流程，重建部分或者全部的資料庫，並且運用個別或整個工作流程來建立新的資料庫生成項目。

CTS 中還提供一個軟體開發工具包（SDK）可以使得CTS使用任何與組件兼容的程式語言，如Visual Basic, Visual C++, Delphi 等。通過SDK也編寫適合自己的組件，嚮導和瀏覽界面，並且還可以把它們插入到工作流程裡面去。所以通過CTS中提供的自動化的工作流程和嚮導，會使得創建地形的步驟變得很方便和簡單，並且CTS 支持映射解析度很高的虛擬紋理，大大提高了模型的可視化仿真程度。

CTS在地形創建之前，首先會自行地檢查相關的數據來源，並且進行整理和細分。參照數據源來創建相關的數據集，如創建一個Elevation資料夾來存放所有的地形檔案，而創建一個culture資料夾來存放所有的文化檔案。根據數據集再來創建工作流程，按照預期的順序來進行數據處理，在數據轉換和創建過程中，可以在在操作界面里觀看和確認產生的資料庫，如果產生了錯誤的數據，則可以單獨重新進行出現錯誤的工作流，並且由機器自行完成，創建的便捷度和工作效率大大提高，而創建的錯誤率則控制到最低。

Vega Prime 仿真渲染技術

MultiGen-Paradigm 公司開發的 Vega Prime 系列視景仿真渲染工具軟體， 用來渲染戰場仿真、娛樂、城市仿真、訓練模擬器和計算可視化等領域的視景資料庫，實現環境效果的加入和互動控制。Vega Prime具有諸多高級視景仿真功能，可以迅速地創建各種實時互動的三維視覺環境，它擁有一些特定的功能模組，如大面積地形管理等。Vega Prime使視景仿真應用程式的開發具有更好的適應性和擴展性。

針對於大地形場景的渲染，Vega Prime提供了大規模資料庫管理工具LADBM，用於解決超過圖像生成器硬體處理能力的圖形數據調度問題的技術和方法。為了能夠方便地控制覆蓋大面積範圍的場景模型資料庫，或者場景資料庫包含了密度較大的模型數據，這時就需要對場景資料庫按照一定的規則進行適當的分割並且重新組織其結構，否則圖形硬體無法一次性地處理整個場景資料庫。Vega Prime LADBM模組中的“區域”就是提供了一種將場景資料庫元素按照嚴格的空間關係進行分組的機制。大規模資料庫通過區域進行重新分組和組織後，Vega Prime系統通過“興趣區域”機制來隨時確定當前視點位置上所有的可見區域。“興趣區域”與“區域”機制都是用邊界體及其空間位置來描述的，在實時仿真進行過程中，那些場景中暫時用不到的部分在進入圖形處理管道之前就會被忽略掉，從而可以提高圖形硬體的實際吞吐量，提高Vega Prime系統對於大地形場景模型資料庫的處理能力。