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基于地形熵的多分辨纹理选择方法(1)

2013-09-23 01:10 摘 要 三维场景真实感绘制是虚拟现实的重要手段之一，实时渲染的地形都需要使用巨量图像数据作为纹理。本文提出了一种新的基于地形熵的多分辨率纹理选择方法。预处理阶段将纹理分块，实时绘制时根据误差阈值计算所需纹理分辨率层次细节，不同分辨率模型之间无缝转换，满足了三维场景绘制的逼真度和实时性要求。 关键词 多层次细节模型；纹理层次细节；地形熵；视相关
1 引言 三维场景的真实感绘制在近十年来成为国内外计算机图形学领域研究和关注的热点。随着遥感及卫星技术的发展，使得获取高分辨率的数字高程数据以及影像纹理数据成为可能，对地形的实时绘制也提出了更高的要求。在三维场景绘制中要渲染的纹理数据量远远大于几何模型的数据量，所以对于纹理数据使用多层次细节模型(Level of Detail， LOD)技术来减少纹理渲染量可以有效减少整体数据量。 在对地形纹理数据进行简化时，主要有采用Mip-map[1]技术和Clip-map[2]技术。MIP-map技术预处理生成地形纹理的各级分辨率模型，绘制时根据实际需要决定使用哪种分辨率的纹理，对于纹理数据的尺寸和大小均有限制，不能适合大尺度纹理数据[3]-[5]。Clip-map技术突破Mip-map技术对纹理尺寸的限制，对纹理数据的装载进行剪切装入，但Clip-map技术对纹理的剪裁由硬件完成，所以此技术需要特殊的硬件支持，只能在大的图形工作站上完成。 在大规模真实感地形场景的绘制中，直接用原始纹理数据显然不太现实。如何根据视点及地形复杂度因子高效的生成与之相适应的动态网格是多分辨率纹理映射算法的关键。为此，本文提出一种新的基于地形熵的视点相关的多分辨率地形纹理的选择方法。算法分预处理和实时绘制两个阶段，预处理阶段，将在平面空间上把大规模纹理数据分割成一系列规则区域；实时绘制阶段，根据视点位置、地形熵、及程序控制绘制三角形总数和视觉层次等因子选择适合的纹理多分辨率层次模型，实时生成自适应地形三角网，纹理映射。2 纹理数据结构 本文采用的是Lok M.Hwa[6]提出的一种新的菱形纹理单元，该纹理数据结构如图1所示。它以无裂缝产生的类似于四叉树的形式遍历数据，并能达到相对于Mip-map等数据结构两倍的分辨率的细节呈现。并且该数据结构在不同分辨率之间的平滑转换不需要进行不同分辨率纹理之间的复杂混合运算。图1 菱形纹理单元数据结构 将菱形纹理单元为系统处理的最小纹理数据单位，每个菱形纹理单元都由两个斜边重叠的正二等边三角形组成的，每个正二等边三角形又由256或1024个三角形组成。每个菱形纹理单元有两个父亲节点，四个邻居节点，以及四个儿子节点。菱形纹理单元斜边的中点同时也是此菱形的中点d惟一标识此纹理单元。两个正二等边三角形的直角顶点即为此菱形的左右父节点(p1，p2)；正二等边三角形的两直角边中点即此菱形的四边中点为纹理单元的四个子节点记为C0-C4；连接同一分辨率互为邻居的两纹理单元节点d，其直线必定过菱形纹理单元儿子节点。q为以虚线组成的高一级纹理分辨率模型的中点，a为d的祖先节点。以C0-C4组成的高一级分辨率纹理块，其分辨率为原纹理块的两倍，而其每个子节点所覆盖的原菱形纹理单元的四分之一。将菱形纹理单元的儿子节点和其双亲节点的用下标联系，其邻居节点的访问通过遍历其儿子节点的另一个父亲节点来实现。纹理数据节点的分裂及合并运算采用ROAM的双对列处理。纹理网格以菱形纹理单元为单元逐层细分生成。3 纹理分辨率的选择 在纹理分辨率层次细节的选择过程中，误差阈值为菱形纹理单元是否被分割的依据。在纹理数据的分割的过程中，当纹理块的误差大于要求的误差阈值时，需要对其进行分割以获得更高一级的纹理分辨率图像；否则，不必分割，即当前的纹理数据已经符合所要求的误差阈值。如图2所示，利用视域四棱锥来确定可视的物体，除了在完全显示区域以外的物体其他物体全部绘制。对于显示区域内需要绘制的纹理根据由地形的粗糙度，视点相关，以及物体空间单位长度在投影平面上的像素数等因素所确定的误差阈值选择相应的纹理分辨率层次。