第五章---基于纹理映射算法的地形三维显示技术--虚拟现实技术教学课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,基于纹理映射算法的地形三维显示技术,第五章,1,5.1 概 述,5.2 以扫描地形图为纹理图象的地形三维可视化算法,5.3 基于地形要素矢量数据的三维地形图的绘制,5.4 纹理库的建立,5.5 纹理映射算法中的反混淆处理,本 章 要 点,5.1 概 述本 章 要 点,2,5.1 概 述,对于地形表面的三维模拟（仿真）而言，由分形几何学中的fBm以及其它算法（如法向扰动、粒子系统、谱函数合成等）产生的表面纹理，使得三维地形模型具有一定的真实感。但是应该看到，这类图形由于不能从根本上摆脱其数学模型的局限性，其纹理终究给人以“伪造品（forgeries）”之感。具体地说，存在二点不足：,（1）真实性不够；,（2）信息量少。,而解决这两个问题的思路只能,采用纹理映射算法,。,5.1 概 述 对于地形表面的三维模拟（仿真）而言,3,选择或找到该目标地区的地形纹理图，依据各种图象间的映射关系，从而将纹理图象按规定的要求“贴”在三维地形图表面，使所生成的三维地形图既有立体感又有真实性。,本章以地形图作为数据来源，着重讨论如何充分利用地形图上的所有信息，将其可视化处理后生成一幅既有立体感又具有真实性的三维地形图。,其,基本思路,是:,选择或找到该目标地区的地形纹理图，依据各种图象间的映射关,4,5.2 以扫描地形图为纹理图象的,地形三维可视化算法,5.2.1 问题的提出,利用纹理映射算法，可生成真实性好、信息丰富、现势性强的三维影像（实景）图。然而，从实际运用的角度来看，仍然有二方面的问题值得进一步思考：,（1）资料的来源问题。,（2）地形图的充分利用问题。,5.2 以扫描地形图为纹理图象的5.2.1 问题的提出,5,5.2.2 三维地形图的生成算法,一绘制三维（立体）地形图的基本思想是：,以扫描数字化地形图（也称“像素地形图”）作为纹理图像，依据地形图和DEM数据建立纹理空间、景物空间和图像空间（计算机屏幕空间）这三者之间的映射关系，根据真实感三维图形绘制的基本理论生成以地形要素的地图符号作为表面纹理的立体地形图,。,5.2.2 三维地形图的生成算法一绘制三维（立体）地形图,6,第五章-基于纹理映射算法的地形三维显示技术-虚拟现实技术教学课件,7,像素地形图的纹理映射,像素地形图的纹理映射,8,景物空间与纹理空间之间的映射实际上是实现地形图与相应地面之间在平面位置上的配准。顾及地形图扫描时可能产生的平移、旋转和比例尺的变化，其映射关系是一种仿射变换:,式中（x，y）是任一点在像素地形图中的坐标；,（X,T,Y,T,)是对应地面点的平面位置；,（a,i,，b,i,；i=0，1，2，3）为8个变换参数。,依据像素地形图的四个角点即可求解出这8个变换参数，从而确定其映射关系。,二景物空间与纹理空间之间的映射关系,景物空间与纹理空间之间的映射实际上是实现地形图与相应,9,三景物空间与三维地形图（屏幕空间）之间的映射关系,景物空间与屏幕空间之间的映射关系就是透视投影变换，由视点、视角以及三维地形图的大小所确定。,具体计算公式见3.3 节。,映射关系,三景物空间与三维地形图（屏幕空间）之间的映射关系,10,四光色效应处理,光照模型需做到：,（1）基本保持原地形图的色调；,（2）映射后的纹理保持清晰；,为此采用二种算法实现明暗处理：,（,l,）挂网法,（,2,）简单光照模型法,四光色效应处理 光照模型需做到：,11,5.2.3 实验结果,平面地形图,三维地形图,5.2.3 实验结果平面地形图三维地形图,12,5.3 基于地形要素矢量数据的,三维地形图的绘制,基于地形要素矢量数据的三维图就是充分地利,用已获取的各类地形矢量要素，将其栅格化和符号,化处理，再结合三维地形图绘制的基本算法，生成,以模拟灰度或颜色为背景，叠加各种地形要素（包,括等高线、居民地、河流、道路、文字注记等）的,地形矢量要素三维图。（,3D Vectorial factors image,）,5.3 基于地形要素矢量数据的 基于地形要素矢量数据的,13,根据前几节所述的纹理映射算法原理和地形矢量要素的结构特点，下面介绍二种生成地形矢量要素三维图的方法：,（1）纹理映射法；,（2）直接绘制法。,根据前几节所述的纹理映射算法原理和地形矢量要素的结,14,纹理映射法与三维地形图（三维像素地形图）的生成算法基本相同，只是其纹理图象应该是由各类地形要素矢量所绘制的矢量要素平面图。,其中，作为纹理图象的地形矢量平面图和景物空间之间的映射关系可表示为：,一纹理映射法,纹理映射法与三维地形图（三维像素地形图）的生成算法基,15,该算法的实现过程可由下面图53描述：,绘制矢量要素平面图,绘制模拟灰度立体图,纹理映射,三维地形矢量要素图,注记叠加,输 出,图 5 3,该算法的实现过程可由下面图53描述：绘制矢量要素平面图绘制,16,二直接绘制法,直接绘制法是依据地形矢量的数据结构，在绘制完成摸拟灰度三维地形图之后，再逐一对地形矢量数据进行处理，经过坐标投影变换消隐、取色、绘制等一系列过程，将各矢量要素的相应的符号绘制在背景三维图上，形成地形矢量要素三维图。,二直接绘制法 直接绘制法是依据地形矢量的数据结,17,其基本处理过程由图5-4表示。,按光照模型,计算灰度,读入地物的矢量数据,逐点获得平面坐标,从,DEM,内插出,Z,i,透 视 变 换,按地物和颜色 属性选择符号,绘制和输出,是,否,可见否,其基本处理过程由图5-4表示。按光照模型 读入地物,18,三实验结果,三实验结果,19,数字化产品(部分),DOM+DLG+DEM,DOM,DEM,DLG,数字化产品(部分)DOM+DLG+DEMDOMDEMDLG,20,DOM+DLG+DEM,DOM+DLG+DEM,21,电子沙盘,电子沙盘,22,北京城市景观（亚运村）,北京城市景观（亚运村）,23,三维分层设色晕渲显示,三维分层设色晕渲显示,24,三维分析之剖面分析,三维分析之剖面分析,25,GIS应用于交通,GIS应用于交通,26,5.4 纹理库的建立,一对于不同地区的地形三维显示，在采用纹理 映射算法时，就必须选择符合实地状态的纹理图象。因此，为了保证地形三维可视化软件系统的广泛适用性和较好的逼真效果，就必须建立一个纹理库，以存储和管理各种地貌纹理图象。,5.4 纹理库的建立 一对于不同地区的地形三维显示,27,二建立纹理库的方法,纹理库的建立实际上是一系列栅格图象的获取和管理。主要内容可包括：,1、纹理的分类,2、纹理图象的存放和检索方法,3、纹理图象的压缩,4、纹理图象的处理的相应软件包,二建立纹理库的方法 纹理库的建立实际上是一系,28,三纹理图象的获取通常有以下几种途径：,从专业摄影图片中获取,；,实地摄影获取纹理图象,；,从航天、航空遥感图象中获取纹理,；,直接以该地区的地形图或其它专题图经扫描得 到的数字图象（像素图）作为纹理图象；,将该地区的矢量数据与地貌纹理图象复合，生成纹理图象,。,三纹理图象的获取通常有以下几种途径：从专业摄影图片中获,29,第五章-基于纹理映射算法的地形三维显示技术-虚拟现实技术教学课件,30,四生成纹理图象过程中的有关问题,纹理图象的大小与所绘制三维图象的大小相适应,；,纹理图象中的景物视角、视距应尽量与所要生成 的三维地形图的视角、视距相一致,；,纹理图象应选择亮度均匀的区域而避免阴影和强光部分的影象，这样在三维显示算法中，经光照模型处理可以获得较理想的阴影和起伏,；,可以在一幅纹理图象中按一定格式构成多种纹理,。,四生成纹理图象过程中的有关问题纹理图象的大小与所绘制三维,31,第五章-基于纹理映射算法的地形三维显示技术-虚拟现实技术教学课件,32,第五章-基于纹理映射算法的地形三维显示技术-虚拟现实技术教学课件,33,第五章-基于纹理映射算法的地形三维显示技术-虚拟现实技术教学课件,34,透明纹理模拟花草树木,透明纹理模拟地球外层大气效果,透明纹理模拟花草树木透明纹理模拟地球外层大气效果,35,第五章-基于纹理映射算法的地形三维显示技术-虚拟现实技术教学课件,36,第五章-基于纹理映射算法的地形三维显示技术-虚拟现实技术教学课件,37,无纹理映射地球模型,纹理映射地球模型,地球表面纹理,纹理映射,无纹理映射地球模型纹理映射地球模型地球表面纹理纹理映射,38,5.5 纹理映射算法中的反混淆处理,5.5.1,概述,地形的纹理图象一般是通过扫描得到的。它的每一个象素所代表的实际上是一定区域内景物的影像，因此当象素区域内所包含画面各部分的实际光亮度不致时（事实上往往如此），仅因象素中心点处的光亮度来代替整个象素的光亮度，就会产生图形混淆现象，又叫混叠现象（Aliasing）。,在纹理映射算法中，各种地形图的绘制都包括对纹理图象的重采样这过程。这种重采样必然会导致三维图画面上的细节（如果物轮廓边、光亮度急剧变化区域或细小物体）的丢失，同样也会产生混淆现象。,5.5 纹理映射算法中的反混淆处理5.5.1 概述,39,5.5.2 几种反混淆措施,一保证纹理图象的较高分辨力,从采样定理上讲，图象分辨力的高低，也就是采样频率的高低，它直接影响映射图象以及重采样图象的质量。然而，图象分辨力的提高势必增加图象的存贮量。因此，兼顾计算机的处理能力和图形质量的要求，一般映射图象扫描分辨力在20060ODPI之间选择为宜。,5.5.2 几种反混淆措施 一保证纹理图象的较高分辨,40,二纹理图象的预处理,对于一些原始图象并不理想的纹理图象，可采用一系列滤波算子处理。需要指出的是，对于地形纹理图象而言，地形特征是最主要的纹理信息，因此在滤波处理中采取一些保特征的滤波算子（高频滤波器）。,二纹理图象的预处理 对于一些原始图象并不理想的纹理图,41,考虑到计算量和精度，我们采用对采样点相邻的4个象素进行双线性内插的算法，如图58所示，设（u,1,，v,1,），（u,1,，v,2,），（u,2,，v,1,）和（u,2,，v,2,）是四个包围采样点（u，v）的4个象素，则采样点灰度S（u，v）由下式求得：,三重采样算法,考虑到计算量和精度，我们采用对采样点相邻的4个象素进,42,V,O,U,S,4,(u,1,，v,2,),S,3,(u,2,，v,2,),S,1,(u,1,，v,1,),S,2,(u,2,，v,1,),S(u，v),图 58,VOUS4(u1，v2)S3(u2，v2)S1(u1，v1),43,纹 理 分 块,纹 理 分 块,44,白金汉宫建筑三维重建,白金汉宫建筑三维重建,45,