[發明專利]基于自適應R-樹的大數據量鐵路三維設計模型渲染方法

有效

• 申請號: 201310305534.0
• 申請日: 2013-07-18
• 公開（公告）號: CN103714192A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 楊緖坤;劉義勤;王召祜
• 申請（專利權）人: 鐵道第三勘察設計院集團有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T15/00
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 呂志英

技術領域

本發明涉及地理信息系統和鐵路設計技術領域，具體的說是一種基于自適應R-樹的大數據量鐵路三維設計模型渲染方法，該方法可用于鐵路三維設計軟件的開發實現。

背景技術

隨著計算機軟、硬件技術的發展，鐵路三維設計技術逐漸走向成熟。鐵路系統比較復雜，涉及線路、站場、路基、橋梁和隧道等數十個設計專業，并且經過的省、市地域廣，空間跨度大，這決定了鐵路三維設計模型的數據量相當巨大。采用一般的渲染方法直接繪制大數據量的鐵路三維設計模型，對計算機顯卡的繪圖性能要求非常高，需要高性能圖形工作站才能夠正常顯示出圖形效果。如果不解決普通顯卡條件下的大數據量鐵路三維設計模型渲染速度慢的問題，鐵路三維設計軟件也就無法在廣大鐵路設計人員的普通PC機中推廣使用。

普通顯卡條件下的大數據量三維模型渲染的核心思想是：在場景渲染階段使用基于空間索引的模型濾除方法，對無需繪制的三維模型進行快速濾除，減少顯卡的繪圖數據量，從而提高渲染速度。其中，濾除的速度主要由空間索引的檢索效率決定。不同的空間索引適合不同分布形態的三維模型，合適的空間索引匹配合適的空間分布形態，才能產生最高的檢索效率，才能最大程度的提高渲染速度。

傳統的大數據量三維模型渲染方法主要使用格網、BSP樹、四叉樹和八叉樹等規則型空間索引技術，適合于在空間各個方向分布較為均勻的三維模型。鐵路空間跨度大，并且沿線設施集中于線路附近，這決定了鐵路三維設計模型的空間分布形態為大范圍、狹長條帶狀、不規則空間分布，顯然與傳統方法的空間索引不匹配。相對而言，R-樹更適合鐵路三維設計模型的空間分布形態，但是各專業設計方案不斷進行優化調整的過程中，可能會頻繁觸發比較費時的R-樹節點分裂或結構緊湊操作，從而影響鐵路設計的工作效率，還可能使R-樹的深度和廣度比例失衡，導致R-樹的檢索效率降低。

發明內容

本發明的目的在于克服上述已有技術的缺點，提出一種普通顯卡條件下的大數據量鐵路三維設計模型快速渲染方法，使鐵路三維設計軟件能夠在廣大鐵路設計人員的普通PC機中較為流暢的運行，擺脫對高性能圖形工作站的依賴。

本發明的技術方案是：一種基于自適應R-樹的鐵路三維設計模型渲染方法，具體包括以下步驟：

（1）在鐵路三維設計軟件中生成鐵路線路、站場、路基、橋梁和隧道專業的設計方案；

（2）生成上述鐵路各專業設計方案對應的三維模型，統稱為鐵路三維設計模型；

步驟（1）和（2）已有成熟技術。

（3）實現適應設計方案頻繁調整并匹配三維設計模型空間分布形態的自適應R-樹：

3-1）自適應R-樹數據結構：

3-1-a）將自適應R-樹的數據結構派生于Guttman?R-樹數據結構，繼承Guttman?R-樹的所有特征；

步驟3-1-a）已有成熟技術。

3-1-b）將自適應R-樹的葉子節點中存儲的空間對象分為有效對象和無效對象；

3-1-c）在自適應R-樹的數據結構內設一個有效對象數組，用于存儲所有葉子節點中的有效對象；同時內設一個計數變量統計葉子節點中存儲的無效對象的個數；

3-2）自適應R-樹的插入方法：

3-2-a）使用Guttman選擇葉子節點方法，在自適應R-樹中選中待插入的有效對象應該存入的葉子節點；

3-2-b）在步驟3-2-a）選中的葉子節點中查找第一個無效對象，如果找到，則將待插入的有效對象存儲到第一個無效對象所占用的存儲位置，然后自底向上更新自適應R-樹的各層節點的包圍盒，從而避免觸發費時的自適應R-樹的節點分裂操作；如果沒有找到，則執行步驟3-2-c）；

3-2-c）使用與Guttman插入方法插入當前處理的有效對象；插入成功之后，判斷自適應R-樹的深度是否超過單個葉子節點的最大存儲空間對象個數M；如果超過，則銷毀自適應R-樹的所有節點，計算合適的M值，然后對有效對象數組中的空間對象使用Guttman插入方法重新生成各層節點，從而優化R-樹的深度和廣度比例；

3-2-d）M值通過枚舉逼近法求解以下方程得到：

M^(M+1)<=N，

式中：M為單個葉子節點的最大存儲空間對象個數，N為有效對象數組中的元素個數；

3-3）自適應R-樹的刪除方法：

3-3-a）使用與Guttman查找葉子節點方法，找到當前處理的有效對象所在的葉子節點；