【摘 要】
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三维建筑物模型是虚拟地理环境中的主要元素之一,在三维导航、智慧城市和电脑游戏等领域都有广泛应用。随着倾斜摄影测量和三维激光雷达扫描等三维数据获取技术的快速发展,三维建筑物模型越来越真实,细节越来越丰富,数据量也越来越大。当前,三维GIS成为推进交通、电力和水利等各个行业信息化的重要技术手段。为了使用户能够与三维场景流畅交互,传统GIS系统都将模型数据提前存储在客户端以供渲染,但这种方式数据更新不便
【基金项目】
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`National NaturalScience Foundation of China “Study on Construction and Visualization of Continuous LODs of 3D Building Model”','0001','ApLJNybhrH-9KFRZ4dAaWaH8MzCi_eP-GjC-stdwgr4DuEj5vki01w==');
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三维建筑物模型是虚拟地理环境中的主要元素之一,在三维导航、智慧城市和电脑游戏等领域都有广泛应用。随着倾斜摄影测量和三维激光雷达扫描等三维数据获取技术的快速发展,三维建筑物模型越来越真实,细节越来越丰富,数据量也越来越大。当前,三维GIS成为推进交通、电力和水利等各个行业信息化的重要技术手段。为了使用户能够与三维场景流畅交互,传统GIS系统都将模型数据提前存储在客户端以供渲染,但这种方式数据更新不便,使用场景有限。基于网络的三维数据实时传输与渲染,因其便捷灵活的特点,逐渐成为需求热点。尽管近年来计算机的性能和网络速度已经得到很大提升,但面对建筑物这样的复杂三维模型,实时传输与渲染依然面临很大挑战。在网络带宽的限制下,三维建筑物模型传输的关键问题是如何降低瞬时传输数据量。基本策略是,在浏览三维场景时先传输简化的模型以满足当前视点下的渲染需求,随着视点推进再逐步细化三维模型。传统离散LOD(Level of Detail)方法在模型细化时,直接丢弃粗糙模型,传输更精细的模型,前期传输数据未得到充分利用,瞬时传输数据量依然有大幅降低空间。渐进式的传输方法在粗糙模型基础上追加增量数据,进行模型细化。但现有渐进传输方法仍然面临数据冗余、数据依赖和网格重建效率低等问题。本研究受国家自然科学基金面上项目“三维建筑物连续LOD模型的生成及可视化研究”(41871293)支持,以降低三维建筑物模型的实时传输压力为目标,提出了一种视点相关的三维建筑物模型渐进传输方法。方法分为两个阶段,预处理阶段采用多层次顶点聚类算法简化建筑物模型,每个聚类单元内的网格被重组成一棵节点树。树中的每个节点包含一个顶点以及该顶点的关联三角形集合。整个建筑物模型被重组成一个节点森林。实时交互阶段,所有根节点被首先传输以构建基本模型,它们的后代节点会在视点移动的过程中按需传输以进一步完成模型细化。研究的主要内容如下:1)研究在多层次顶点聚类简化过程中,顶点树的构建与重编码方法。进行顶点聚类时,聚类单元中的特征顶点作为父顶点,其它被聚类顶点为子顶点。经过多层次顶点聚类,构建出顶点树。根据每个顶点的树深度和分裂深度,调整顶点树。为了避免额外存储和传输大量顶点关系数据,对顶点树进行重编码,以编码值反映顶点之间的代表关系。2)研究在模型简化的过程中,顶点的关联三角形集合的提取方法。在初始状态下,一个三角形索引被存储在它所指向的三个顶点的关联三角形集合中。简化过程中,根据三角形状态的变化,不断调整三角索引的存储位置。完成简化之后,删除冗余的存储。在顶点树重编码时,同步改变三角索引的内容。3)研究在实时交互阶段,某一特定视角下,数据的调度与模型的快速细化方法。节点森林的所有根节点被首先传输,用来构建基础模型。交互阶段通过视锥体裁剪、遮挡判断和视点与模型间距离等条件,调度所需数据。客户端根据已传输的数据和顶点间的代表关系,快速更新顶点列表和实际索引列表,完成模型细化。实验表明,本研究提出的三维建筑物模型渐进传输方法不仅实现了视点相关的数据调度与模型细化,而且实现了前期传输数据的充分复用。相比于传统方法,实时传输的数据量显著降低,传输效率得到有效提高。低延迟和高帧率的实验结果证明,模型细化过程足够高效,可以满足用户与三维场景实时交互的需求。
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