第三章 地形三维显示的基本理论和算法.pptVIP

地形的三维显示技术是计算机图形学、数字摄影测量、地理信息系统的重要研究内容。 本章将以实用的角度出发，结合计算机图形学与测绘学科的有关原理，阐明地形三维显示技术的基本理论和算法，并给出基于微机完成的部分实验结果。 §3.1 地形三维显示的基本过程 数据准备：获取地形三维可视化所需的各类地形数据，详见§2.1和§2.2。 DEM递归细分：将DEM细分成子网格，再进一步细分为三角形面素，以便下一步绘制处理。 透视投影变换：建立地面点（DEM结点）与三维图像点间的透视关系，由视面、视角、三维图形大小等参数确定。 光照模型：建立一种能逼真反映地形表面明暗、颜色充化的数学模型，逐点计算每像素的颜色和灰度。 消隐和裁剪：消去（或不显示）三维图形的可视部分，裁剪掉三维图形尺寸范围之外的部分。 图形绘制和存贮：依各种相应算法（如模拟灰度、分形几何、纹理映射等）绘制并显示各种类型的三维地形图，并以标准图像文件格式（如PCX，TIFF，BMP等）存贮。 三维图形的后处理：在三维透视图上添加各种地物符号、注记等，进行颜色、亮度、对比度等处理。 基于三维地形图的分析：在三维地形图上依据有关参数、数据库或数据文件以及有关算法，进行空间信息查询或地形分析。 首先对DEM每一格网进行细分，第 i 次细分后得4i个子格网，每子格网的结点的高程和平面位置由上一层（级）网格结点经双线性内插得到。 递归终止标准是每子格网在计算机屏幕上的投影面积在4象素之内。递归细分的次数可由程序控制。然后对于每子格网用二条对角线分为4个三角形，格网中心点的坐标由四周网格结点内插得到。 Quad tree分层 §3.2.3 透视投影变换原理 §3.3 投影变换的数学模型 §3.2.3 透视投影变换原理 §3.3 投影变换的数学模型 不难看出，上述坐标变换的数学模型具有以下特点： 1）该数学模型在理论上是严密的； 2）改变视点S的位置，就可以在屏幕上绘制出在不同方位观察地面的立体透视图； 3）若视点位置不变，只改变参数θ，这意味着代表地形表面的DEM数据场绕视点和投影平面P旋转不同的角度，也同样可以在屏幕上生成不同视角条件下的立体透视图。 §3.4 消隐与裁剪处理 §3.4.3 图形裁剪 图形裁剪就是将落入显示器范围外的部分图形裁剪掉，从面使显示屏给出一完整的三维图形画面，算法描述如下： §3.5 光照模型 所谓光照模型，是根据光学物理的有关定律计算画面上景物表面各点投影到观察者眼中光亮度和色彩组成的公式。 本书采用一个以Phong模型为基础的光照模型： §3.5.2 几种矢量的计算 [二]视线方向矢量 则视线方向矢量 ： §3.7 地物符号迭加和注记 为了增加三维地形图的实用性，在已生成三维地貌图的基础上，叠加显示实地区域内一些主要目标或地物的符号和有关注记是十分必要的。符号和注记叠加功能必须在汉字库、三维地物符号库、实体模型库等支撑下实现。 §3.5.1 光照模型的选择 对于地形立体图的绘制而言，一个好的光照模型应该满足以下要求： （1）能产生较好的立体视觉效果； （2）在理论上具有一定的合理性或严密性； （3）较小的计算量，以保证较快的绘制速度； 对于自然景物中的地形表面，光照模型可考虑到以下几项影响： （1）光源的位置； （2）光源的强度； （3）视点的位置； （4）地面的漫反射光； （5）地面对光的反射和吸收特性。 式中：Maxgrey为最大灰度级，一般为255； ka是漫反射分量的比例系数； kd是环境反射分量的比例系数，其中一般取Kd＋Ks=1； ks是镜面反射分量的比例系数； i是光源的入射角。 Cosi=cos（ ， ）， 为光线矢量， 为法向量； θ是镜面反射方向和视线方向的夹角， cosθ=cos( , )，为镜面反射向量，为视线向量。 n 是镜面反射光的会聚指数，地面越粗糙n值越小。 法矢量 光源（太阳） 视点 [一]三角形面素的法矢量