[發明專利]面向虛擬現實的空間數據引擎方法

有效

• 申請號: 201110416374.8
• 申請日: 2011-12-14
• 公開（公告）號: CN103164440A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 馬純永;韓勇;陳戈;田豐林;周圣川;馮玉康
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06F17/30
• 分類號: G06F17/30
• 代理公司: 青島發思特專利商標代理有限公司 37212
• 代理人: 鞏同海

技術領域

本發明涉及一種計算機領域的虛擬現實技術，尤其涉及到一種虛擬現實技術的空間數據引擎。

背景技術

1995年ESRI推出了SDE?1.0，使得空間數據和表格數據可以同時存儲在商業的關系型數據庫管理系統中，首次提出了空間數據引擎(spatialdata?engine)的概念形成了第一代空間數據引擎原型。隨后，由Skyline公司推出的空間數據引擎系統SFS(Streaming?Feature?Server)能夠讀取多種空間數據源，可通過網絡高效傳輸各種復雜的特征層數據(矢量數據)。

空間數據(Spatial?Data)是數據的一種特殊類型，它是指凡是帶有空間坐標的數據。現在，空間數據已廣泛應用于社會各行業、各部門，如城市規劃、交通、水利、航空航天等。隨著科學和社會的發展，人們已經越來越認識到空間數據對于社會經濟的發展、人們生活水平提高的重要性，這也加快了人們獲取和應用空間數據的步伐。

空間數據內容主要包括：三維模型數據、數字高程模型數據、地形影像數據，其中數字高程數據、地形影像數據的組織、調度、渲染研究已經比較成熟。傳統的空間數據庫，如Oracle?Spatial等往往對柵格、矢量數據有較好的支持，而不能很好的支持三維模型數據。

虛擬現實仿真中涉及大量的精細三維模型可視化，需要保存大量的相關數據，城市或區域級的三維場景數據總量可能達到幾十G甚至上百G，從而超過了系統的內存、顯存儲器配置，如此龐大的數據量和現有的硬件條件產生了很大矛盾，海量空間數據無法全部容于內存、顯存之中，這就需要在場景繪制過程中動態地在外存、內存、顯存之間進行數據交換。虛擬現實系統對渲染的實時性有很高的要求，內外存交換的效率高低直接影響到場景的視覺效果，對三維模型數據的組織與調度比其他類型的仿真系統有著更高的要求，采用當前的商業空間數據庫或空間索引技術尚不能滿足工程應用的需求。

發明內容

本發明的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種面向虛擬現實的空間數據引擎方法，其實現了基于外存的空間數據引擎，提供對空間數據的高效存儲與訪問服務。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：其包括以下步驟：

(1)在空間數據庫中建立數據索引，存儲三維模型數據；

(2)基于out-of-core的海量空間數據實時并發訪問高吞吐量傳輸方法；

(3)外存-內存-顯存自適應調度算法。

虛擬現實場景中實時計算的空間范圍和內容都是有限的，因此在可視化處理時，對于可見范圍以外的空間數據并不需要調入內存并加以計算，而是可以根據當前視點的變化，將所需要的空間數據動態地調入內存。本發明對空間數據進行分層組織、存取、調度，建立高效的數據索引；利用多線程及IOCP機制，實時調度三維模型數據；采用緩存(Cache)機制實現空間數據的高速傳輸和高效的可擴放性；利用內存池及LRU緩存算法，結合空間數據特點，建立三維空間數據緩沖區，提高緩存請求命中率；實現了基于外存的空間數據引擎，提供對空間數據的高效存儲與訪問服務。

空間數據庫包括外存、內存、顯存數據。

所述步驟(1)中包括三維模型數據網格索引組織，步驟如下：

(a)對三維模型進行多分辨率預處理，利用Progressive?meshe?s算法或手動建模的方法建立多級LOD模型，其它類型數據保持源格式；

(b)確定單個網格的大小區間[m，M]，其中m通常可等于該層空間數據包圍盒半徑的均值，而M由系統的內存量確定；建立網格對模型的索引，單個網格區域內包含或有相交的模型，都將被該網格索引；

(c)場景漫游過程中，以視點為中心的9個網格為最精細的LOD數據，外面一層為次級LOD，再向外一層為更次級LOD，如此規則分布下去需要載入到內存的數據量均值，高級LOD與低級LOD有一個網格的重疊區域；

(d)在保證不超出內存及顯存的前提下，取數據冗余最小的網格大小，進行網絡索引，用于組織，調度外存到內存間模型數據。

三維模型數據支持常規的數字高程模型數據、影像數據、矢量數據。

所述步驟(2)中，采用異步I/O讀取機制，并用IOCP實現了一個基于外存的空間數據調度設計，使用線程池處理異步I/O請求，依據視點的位置動態裝卸載空間數據。