CN105069841A - 一种基于osg三维引擎的海陆接合可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于OSG三维引擎的海陆接合可视化方法，属于图形可视化技术领域。包括：使用OSG三维渲染引擎进行三维场景框架搭建；使用VPB生成大规模地形模型文件；使用海洋绘制插件生成海洋节点；将海洋节点与地形模型文件同时加载入OSG的场景树中进行可视化；如果海洋绘制插件绘制出的海洋节点不会跟随视点移动而移动，设置海洋节点为动态节点；设置海洋高度随视点高度动态变化并根据海洋高度进行显示。对比现有技术，本发明方法通过在一个场景中同时加入大规模陆地节点与海洋节点，并根据视点高度动态调整海洋的高度，使得视点远离海陆场景时，海洋与陆地的深度缓存相差不会过小，从而避免海陆频闪的问题；同时简单高效。

Description

一种基于OSG三维引擎的海陆接合可视化方法

技术领域：

本方法涉及一种使用OSG三维渲染引擎，将海洋与陆地同时进行可视化的解决方案；特别涉及使用VPB生成大规模地形模型，并在场景中加入海洋的大规模场景，属于图形可视化技术领域。

背景技术：

三维场景的可视化是多年以来计算机图形学，尤其是虚拟现实领域所研究的热点与重点。近几年来，大规模地形的绘制成为了大量论文与期刊的热门话题，在大规模地形的基础上，将海洋加入场景内，即海陆同时进行可视化是各个三维仿真平台都需要重点实现的功能之一。

OSG三维渲染引擎是一款渲染效率高、开源的可视化编程工具包。利用OSG所提供的API，可以快速高效地完成三维场景的建模。VirtualPlanetBuilder简称VPB，是一款基于OSG的大规模地形建模插件，通过配置VPB的命令行参数，可以将已有的地形高程数据与纹理数据处理生成OSG可直接解析的三维模型，存储为IVE格式。使用如上所述的OSG三维渲染引擎与VPB大规模地形绘制插件，可以快速地将大规模地形进行可视化。

然而，大规模地形通常用于陆地可视化，可以很好地表现出山脉丘陵、地表起伏的信息，而海洋的部分则只是简单的贴图。为了将海洋与陆地同时进行可视化，通常需要在已经绘制完成的大规模地形场景中单独加入海洋节点，这就带来一个问题：当摄像机在三维场景中漫游，并且视点距离海陆场景很远时，海洋与陆地的绘制深度会变得越来越接近，以至于海洋有时会盖过陆地、有时低于陆地，产生不合理的海陆频繁闪动的可视化效果，在此将此问题简称为海陆频闪问题。

目前解决频繁闪动问题的方法有两种：其一避免视点高度过高，大多数应用并不需要视点与场景保持很远距离，可以通过限制视点高度避免海陆频闪问题；其二使用海陆交接线的检测算法，即实时计算海岸线，此种方法从根本上解决了海陆频闪问题，但是计算代价很高，很大程度影响了场景绘制效率。

发明内容：

本方法的目的是针对以上所述的海陆频闪问题，提出一种基于OSG三维渲染引擎进行场景建模、使用VPB生成大规模地形模型的海陆同时可视化的解决方案。该方案在一个场景中同时加入大规模陆地节点与海洋节点，根据视点高度动态调整海洋的高度，使得视点远离海陆场景时，海洋与陆地的深度缓存相差不会过小，从而避免海陆频闪的问题。

大多数三维场景需要集中观察的是陆地模型，并不需要过分强调海面细节。所以在陆地模型优先于海洋模型被观察时，可以适当降低海洋高度增加海陆二者的深度缓存。根据测试，使用如下的公式作为海洋高度调整的数学模型较为合理。

$H=\left\{\begin{array}{cc}{H}_0-\frac{dis\tan ce}{\frac{5}{6}\×W\÷h}& dis\tan ce\≤\frac{5}{6}\×W\\ H_0-h& dis\tan ce>\frac{5}{6}\×W\end{array}\right.;---\left(1\right)$

其中，W为海陆场景规模，H₀为初始化海洋绘制高度，distance为视点距离海陆场景的高度，h为海洋波浪高度。需要说明的是，该解决方案中所使用的海洋显示方案为动态海洋，陆地模型为静态陆地。即随着视点移动，陆地模型位置不会变化，但是海洋中心会随着视点移动而移动，使得海洋中心始终处于视点在地表投影的位置。当视点远离地表时，陆地模型会进行缩放变得越来越小，海洋模型大小不会改变。实验测试当视点高度达到5/6场景大小时，海陆场景细节已经变得足够模糊，海洋已不需要进行显示。当海洋高度降低h时，海洋已处于地平线之下，此时如果有海洋贴图则移除海洋节点，不再绘制动态海洋；如果无海洋贴图则海洋高度不再改变。此时三维场景不会发生海洋与陆地频繁闪动的问题。

如果需要集中观察海面细节，可以适当升高海洋高度增加海陆二者的深度缓存。此时将公式中的减号换为加好即可，即：

$H=\left\{\begin{array}{cc}{H}_0+\frac{dis\tan ce}{\frac{5}{6}\×W\÷h}& dis\tan ce\≤\frac{5}{6}\×W\\ H_0+h& dis\tan ce>\frac{5}{6}\×W\end{array}\right.;---\left(2\right)$

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种使用OSG三维渲染引擎，将海洋与陆地同时进行可视化的方法，包括以下步骤：

步骤一、使用OSG三维渲染引擎进行三维场景框架搭建。

步骤二、使用地形建模插件，如VPB，生成大规模地形模型文件。将已有的地形高程数据与纹理数据作为输入，通过配置VPB命令行参数，输出大规模地形的ive模型文件。

步骤三、使用海洋绘制插件，如osgocean，生成海洋节点，将海洋节点与地形模型文件同时加载入OSG的场景树中进行可视化。

步骤四、如果海洋绘制插件绘制出的海洋节点不会跟随视点移动而移动，设置海洋节点为动态节点。即设置海洋绘制范围为固定大小，在OSG漫游器的键盘回调函数中设置海洋中心坐标为视点坐标。

步骤五、设置海洋高度随视点高度动态变化，然后根据海洋高度进行海洋场景显示。

步骤5.1在三维场景中加入漫游器，比如trackmanipulator等。

步骤5.2修改漫游器的缩放回调函数，比如OSG自带的trackmanipulator漫游器中的zoommodel函数，将数学模型中的distance值赋为类成员变量_distance。对数学模型各个变量进行初始化。在回调函数中按照上述公式(1)或(2)设置海洋高度值，公式(1)是针对着重观察陆地模型时的情况，公式(2)是针对着重观察海洋效果时的情况。

步骤5.3根据计算得到的海洋高度值，区分如下情况进行显示：

i.如果地形建模插件所绘制出的地形模型中的海洋部分有贴图，则distance增长到5/6W之后，海洋节点不再显示，只显示贴图即可。

ii.如果地形建模插件所绘制出的地形模型中的海洋部分没有贴图，则distance增长到5/6W之后，海洋节点继续显示，高度不再发生变化；此时视点高度已足够高，距离海陆模型也已足够远，不需要从更远的地方观察整个三维场景，可以限制视点高度最大值为5/6W。

通过以上步骤就可以绘制出海洋与陆地同时进行显示的三维场景，并且此场景在视点远离场景时，不会发生海陆频繁闪烁的问题。

一种使用OSG三维渲染引擎，将海洋与陆地同时进行可视化的装置，包括海陆三维场景绘制模块与海洋高度随视点高度动态调整模块。绘制模块在程序初始化时就已完成，高度调整模块在图形界面可视化时不断循环直至程序退出。

所述海陆三维场景绘制模块用于使用OSG三维渲染引擎绘制产生场景，并且使用VPB生成大规模地形模型；

所述海洋高度调整模块用于在每次视点位置发生变化时，按照前述公式(1)或公式(2)调整海洋高度，并按照调整后的海洋高度进行海洋场景显示。

所述大规模地形模型中可能包括海洋部分，表现为海洋贴图，或者不包括海洋而只有陆地起伏的部分。陆地加载到场景中为静态陆地，即陆地位置与大小不会随着视点的变化而变化；海洋加载到场景中为动态海洋，不论视点移动到哪里，海洋中心始终与视点坐标相同。

所述海洋高度的调整在漫游器的视点位置变化的回调函数中实现，比如zoommodel函数。

有益效果：

在海洋与陆地同时显示的三维场景中，以较简单的方式避免了视点高度过高时海洋与陆地频繁闪动的问题，同时保证了场景绘制的效率。

附图说明：

图1为本发明实施例一种基于OSG与VPB的陆地与海洋同时显示的三维场景绘制流程示意图；

图2为一般视点下的海陆三维场景示意图；

图3为一般视点下的海陆三维场景的各个参数，绘制帧率大约在7～10之间。

图4为未采用本方法时视点过高时的海陆三维场景示意图，图中方形框标识处有频闪问题。

图5为未采用本方法时视点过高时的海陆三维场景各个参数。

图6为采用本方法时视点过高时的海陆三维场景示意图，方形框标识位置频闪问题已经被解决。帧数稳定在7-10之间。

图7为采用本方法时视点过高时的海陆三维场景各个参数。

图8为未采用本方法时视点过高时的海陆三维场景与参数，更大范围的地形更可以看出频闪问题的存在。

图9为采用本方法时视点过高时的海陆三维场景与参数，图8与图9的对比可以清楚看出频闪问题被解决。

图10为采用本方法时视点最高时的海陆三维场景与参数。视点足够远离场景后则只加载海洋贴图，不再加载海洋绘制节点。帧数依然在7～10之间。此时视点高度达到5/6W最大值。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

如图1所示为本发明实施一种使用OSG三维渲染引擎，将海洋与陆地同时进行可视化的解决方案流程示意图，下面对流程中的步骤进行详细描述：

步骤一、使用OSG三维渲染引擎进行三维场景框架搭建。

分别建立地形节点与海洋节点，挂载到OSG场景树根节点中。示例代码如下：

osgViewer::Viewerviewer；

osg::Group*root＝newosg::Group；//建立根节点

root->addChild(scene->getScene())；//加入海洋节点

root->addChild(islandTransform.get())；//加入地形节点

viewer.setSceneData(root)；//用场景树链接视景器

步骤二、使用VPB生成大规模地形模型文件。将已有的地形高程数据与纹理数据作为输入，通过配置VPB命令行参数，输出ive模型文件。

在CGIAR-CSI网站下载90米分辨率的台湾地区高精度高程数据，在GoogleEarth下载获取纹理数据，二者均可以框选下载。使用GoogleMapper14对纹理图进行重投影，选用统一的坐标***例如WGS84。之后配置VPB命令行参数，将高程数据与纹理数据tif文件输入，运行输出模型文件。命令行示例：

Osgdem--xx10--yy10-t纹理数据--xx10--yy10-d高程数据-v1-l6-otaiwan.ive

生成后将模型加载到OSG场景树的地形节点中。

步骤三、使用海洋绘制插件，如osgocean，生成海洋节点，将海洋节点与地形模型文件同时加载入OSG的场景树中进行可视化。

步骤四、如果海洋节点不随视点的移动而移动，则设置海洋节点为动态节点。

首先设置海洋绘制范围为固定大小，建立海洋节点时，默认情况下海洋绘制范围固定，即不要在三维场景的漫游器缩放回调函数中比如trackballmanipulator的zoommodel函数中动态改变海洋绘制范围即可。

然后在OSG漫游器的键盘回调函数中设置海洋中心坐标为视点坐标。可以在三维场景的漫游器回调函数中比如trackballmanipulator的keyboard事件回调函数中设置海洋中心坐标。即使用setpositon函数，使得每一次视点水平移动时，海洋中心坐标都移动相同的量。

步骤五、设置海洋高度随视点高度动态变化。

步骤5.1在三维场景中加入漫游器，比如trackballmanipulator等。代码示例：

osgGA::TrackballManipulator*tb＝newTrackballManipulatorI；

viewer.setCameraManipulator(tb)；

步骤5.2修改漫游器的缩放回调函数，按照上述公式设置海洋高度值；。

修改OSG自带的trackballmanipulator漫游器中的zoommodel函数，此函数在每一次使用鼠标进行场景缩放的时候都会调用。将数学模型中的distance值赋为类成员变量_distance。对数学模型各个变量进行初始化。加入如下语句：

pubscene->getOceanScene()->setOceanSurfaceHeight(-38.0-_distance/2000)；

该语句即在每一次视点高度发生变化时，取视点高度值代入公式中，重新设置海洋高度。其中pubscene为海洋节点指针。随着视点升高，海洋高度降低，使得海洋与陆地绘制深度差值变大，避免二者频繁闪烁的问题。

步骤5.3根据计算得到的海洋高度值，区分如下情况进行显示：

i.如果VPB所绘制出的地形模型中的海洋部分有贴图，则distance增长到5/6W之后，海洋节点不再显示，只显示贴图即可。此时将scene节点移除。

root->removeChild(scene->getScene())

ii.如果VPB所绘制出的地形模型中的海洋部分没有贴图，则distance增长到5/6W之后，海洋节点继续显示，高度不再发生变化。此时视点高度已足够高，距离海陆模型也已足够远，不需要从更远的地方观察整个三维场景，可以限制视点高度最大值为5/6W。

此示例针对着重观察陆地模型时，海洋与陆地频闪的解决方案。程序运行过程中，海洋模型高度不断降低以增大海洋与陆地的深度缓存。对应的结果图为4、5、6、7所示。

实施例2

如果针对着重观察海洋效果时的海洋与陆地频闪的解决方案，则将公式中的减号改为加号，即：

$H=\left\{\begin{array}{cc}{H}_0+\frac{dis\tan ce}{\frac{5}{6}\×W\÷h}& dis\tan ce\≤\frac{5}{6}\×W\\ H_0+h& dis\tan ce>\frac{5}{6}\×W\end{array}\right.$

程序运行过程中，海洋模型高度不断升高以增大海洋与陆地的深度缓存，避免二者频闪。对应运行结果为图8、9所示。

试验结果

台湾区域场景规模大约30000个OSG世界坐标系单位，绘制帧数在7～10帧之间，达到了实时绘制的要求，如图2、3所示。在视点高度达到OSG世界坐标系单位11000左右时，陆地场景中的部分区域出现海洋陆地频闪问题，如图4、5所示。通过使用该方法，相同场景在视点高度达到OSG世界坐标系单位11000左右时，陆地频闪问题消除，此时绘制帧数仍然在10帧左右，如图6，7所示。视点高度达到18000左右时，整个场景海面部分频闪问题严重，此时绘制帧率7～10之间，如图8所示。通过使用该方法，避免了视点高度达到18000左右时整个场景海面部分的频闪问题，帧率依然稳定在7～10之间，场景稳定性良好，如图9所示。视点高度达到25000单位可以俯瞰到台湾地区场景全貌时，加载海洋贴图，不再绘制实际海洋模型，此时帧率为9～10之间，如图10所示。综上所述，此基于OSG三维渲染引擎与VPB地形绘制插件，将海洋与陆地同时进行可视化的解决方案很好地解决了海陆频闪的问题，并且保证了场景绘制效率。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于OSG三维引擎的海陆接合可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，使用OSG三维渲染引擎进行三维场景框架搭建；

步骤2，使用地形建模插件生成大规模地形模型文件；

步骤3，使用海洋绘制插件生成海洋节点；并将海洋节点与地形模型文件同时加载入OSG的场景树中进行可视化；

步骤4，如果海洋绘制插件绘制出的海洋节点不会跟随视点移动而移动，设置海洋节点为动态节点,即海洋节点绘制范围不会动态变化，并且应跟随视点移动而移动；

步骤5，设置海洋高度随视点高度动态变化，然后根据海洋高度进行海洋场景显示，具体过程如下：

步骤5.1在三维场景中加入漫游器；

步骤5.2修改漫游器的缩放回调函数，在回调函数中按照下述公式(1)或(2)设置海洋高度值，公式(1)是针对着重观察陆地模型时的情况，公式(2)是针对着重观察海洋效果时的情况：

$H=\left\{\begin{array}{cc}{H}_0-\frac{dis\tan ce}{\frac{5}{6}\×W\÷h}& dis\tan ce\≤\frac{5}{6}\×W\\ H_0-h& dis\tan ce>\frac{5}{6}\×W\end{array}\right.;---\left(1\right)$

$H=\left\{\begin{array}{cc}{H}_0+\frac{dis\tan ce}{\frac{5}{6}\×W\÷h}& dis\tan ce\≤\frac{5}{6}\×W\\ H_0+h& dis\tan ce>\frac{5}{6}\×W\end{array}\right.;---\left(2\right)$

其中，W为海陆场景规模，H₀为初始化海洋绘制高度，distance为视点距离海陆场景的高度，h为海洋波浪高度；

步骤5.3根据计算得到的海洋高度值，区分如下情况进行显示：

(1)如果地形建模插件所绘制出的地形模型中的海洋部分有贴图，则distance增长到5/6W之后，海洋节点不再显示，只显示贴图即可；

(2)如果地形建模插件所绘制出的地形模型中的海洋部分没有贴图，则distance增长到5/6W之后，海洋节点继续显示，高度不再发生变化。

2.一种基于OSG三维引擎的海陆接合可视化装置，其特征在于：海陆三维场景绘制模块与海洋高度随视点高度动态调整模块；

所述海陆三维场景绘制模块用于使用OSG三维渲染引擎绘制产生场景，并且使用VPB生成大规模地形模型；

所述海洋高度调整模块用于在每次视点位置发生变化时，按照权利要求1所述公式(1)或公式(2)调整海洋高度，并按照调整后的海洋高度进行海洋场景显示。

3.根据权利要求2所述的一种基于OSG三维引擎的海陆接合可视化装置，其特征在于，所述大规模地形模型中或者包括海洋部分，表现为海洋贴图，或者不包括海洋而只有陆地起伏的部分；陆地加载到场景中为静态陆地，即陆地位置与大小不会随着视点的变化而变化；海洋加载到场景中为动态海洋，不论视点移动到哪里，海洋中心始终与视点坐标相同。

4.根据权利要求2或3任一所述的一种基于OSG三维引擎的海陆接合可视化装置，其特征在于，所述海洋高度的调整在漫游器的视点位置变化的回调函数中实现。