[發明專利]一種基于光錐圖的三維數字地球實時地形陰影仿真方法

有效

• 申請號: 202010871453.7
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112017284B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 牛玉剛;陳超;梁長青;肖劍
• 申請（專利權）人: 北京國遙新天地信息技術有限公司
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T15/60
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于光錐圖的三維數字地球實時地形陰影仿真方法，包括以下步驟：根據相機或視角的高度不同調度四叉樹結構的地形瓦塊，加載影像和DEM數據生成地形網格；對每個可見瓦塊，應用其某一級父節點瓦塊為中心的若干個相鄰同輩瓦塊的DEM數據生成地形光錐圖；渲染地形每個像素時，將太陽光方向和光錐圖中采樣出來的光錐信息進行比較，為每個像素描繪陰影顏色，生成陰影圖像；將陰影圖像和影像等其它圖層數據融合，從而在三維數字地球地形上顯示出實時動態陰影，輸出到顯示設備。摘要附圖是本發明實現的流程圖。

技術領域

本發明涉及三維地理信息系統數字地球仿真技術領域，尤其涉及一種三維數字地球實時地形陰影仿真方法。

背景技術

三維地理信息系統數字地球仿真技術結合計算機技術、圖形圖像技術、控制技術等多個學科，對現實世界進行三維建模并在三維場景中實時驅動顯示，從而延伸人類感覺器官。在數字地球上使用高程數據、衛星影像等構建地表模型，能夠直觀地展示地理位置、地形地貌、土壤水文、植被建筑等地理信息，并且用戶可以自由地在三維場景中操控、漫游。為了增強地形地貌的立體感，現有的技術是使用計算機圖形學光照模型，根據太陽方位和地表模型的法線方向對地表模型進行著色，一般體現為山坡面向太陽的一面較亮，背向太陽的一面較暗，從而增加了視覺上的立體感。但是這類方法無法體現地形對自身的遮擋，比如一個向陽的小山坡和太陽之間被一座大山遮擋，那么這個小山坡應該在大山的陰影中，應該較暗而不是較亮，因此需要應用考慮遮擋關系的陰影仿真技術?，F有的三維模型陰影仿真技術包括模板陰影技術、紋理陰影技術等，但這些方法在應用到數字地球地形仿真上時，都面臨處理巨大山脈的陰影時陰影投射距離不夠、陰影圖像不清晰、陰影圖像邊緣鋸齒嚴重、渲染幀率大幅降低等問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中存在的缺點，而提出的一種能夠處理巨大尺度模型、運行效率高和圖像效果逼真等特點的基于光錐圖的三維數字地球實時地形陰影仿真方法。

為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

一種基于光錐圖的三維數字地球實時地形陰影仿真方法，包括以下步驟：

1)根據相機或視角的高度不同調度四叉樹結構的地形瓦塊，加載影像和DEM數據生成地形網格；

2)對每個可見瓦塊，應用其某一級父節點瓦塊為中心的9個相鄰同輩瓦塊的DEM數據生成地形光錐圖；

3)渲染每個地形像素時將太陽光方向和光錐圖中采樣出來的光錐信息進行比較，為每個像素描繪陰影顏色生成陰影圖像；

4)將陰影圖像和影像等其它圖層數據融合，從而在三維數字地球地形上顯示出實時動態陰影，輸出到顯示設備。

進一步地，步驟1)包括，根據相機或視角的高度不同，調度按墨卡托或WGS84投影切片規則構建的地形瓦塊四叉樹，選取一定級別范圍內的不同區塊的地形瓦塊進行顯示。通過計算瓦塊投影到三維渲染窗口的投影面積，當投影面積大于一定數值時，則切換到下一級瓦塊，從而使得離相機近的地方顯示高級別的瓦塊，離相機遠的地方顯示低級別的瓦塊，達到顯示效果和顯示效率的平衡。加載地形瓦塊時根據其級別和地理范圍讀取DEM柵格數據生成高度圖紋理傳入GPU，該DEM柵格數據可以是.tif/.egc/.egx等格式的DEM數據，也可以是預先切割好的DEM瓦塊金字塔數據；讀取DOM影像數據生成影像圖紋理傳入GPU，該DOM柵格數據可以是.tif/.img等格式的影像數據，也可以是預先切割好的影像瓦塊金字塔數據。