【摘要】：如何高效地組織和管理全球海量多分辨率地形數(shù)據(jù),并利用有限的計算機硬件處理能力實現(xiàn)更好的實時渲染效果一直是全球地形可視化技術研究的核心問題。本文從地球離散網(wǎng)格模型入手,結合現(xiàn)代圖形硬件的新特性和現(xiàn)有系統(tǒng)存在的缺陷,系統(tǒng)地研究了基于GPU的全球多分辨率地形數(shù)據(jù)的實時呈現(xiàn)技術。主要研究內容與研究成果包括:1)全球海量多分辨率地形數(shù)據(jù)的組織與管理方法研究。首先,通過總結現(xiàn)有全球網(wǎng)格系統(tǒng)的特點和缺陷,結合圖形硬件的新特性和高效實時渲染技術對地球離散網(wǎng)格模型的要求,選擇了HEALPix地球離散網(wǎng)格模型作為本文研究的基礎。然后,根據(jù)應用的需要對原模型的存儲和索引方式進行了改進,將模型可存儲的最高分辨率數(shù)據(jù)由原來的0.012米提高至7.07×10-13米,可采用圖形硬件支持的壓縮算法,將所需存儲空間至少降至原來的1/3。最后,依據(jù)改進后的模型設計了全球海量多分辨率地形數(shù)據(jù)的組織和管理方案。2)基于GPU的全球地形數(shù)據(jù)實時繪制算法研究。結合改進的HEALPix模型和現(xiàn)有地形實時繪制算法,本文設計了一套基于改進HEALPix模型的全球多分辨率地形數(shù)據(jù)實時繪制方案。該方案將地形高程數(shù)據(jù)作為紋理數(shù)據(jù)存入到顯存中,實時繪制時由GPU硬件算法生成地形網(wǎng)格,然后由運行在GPU中的著色器程序完成三維地形的渲染過程。在該方案中,繪制過程幾乎完全在GPU中完成,充分地利用了GPU的硬件網(wǎng)格細分功能和GPU高度并行化特性,從而顯著提高了場景渲染速度,降低了對內存和CPU資源的消耗。對比現(xiàn)有方案,該方案解決了南北極極點附近的畸變問題,提高了實時渲染的速度和效果,并簡化了渲染引擎自身的復雜度。3)原型系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。為了驗證本文提出的方案,本文設計并實現(xiàn)了全球地形數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和全球地形實時繪制系統(tǒng),使用前者建立了全球地形高程數(shù)據(jù)庫和全球地形影像數(shù)據(jù)庫,使用后者對建立的數(shù)據(jù)庫進行實時繪制和模型測試,得到了較為理想的結果。
[Abstract]:How to efficiently organize and manage global massive multi-resolution terrain data and make use of limited computer hardware processing ability to achieve better real-time rendering effect has been the core problem of global terrain visualization technology. Based on the discrete grid model of the earth and the new characteristics of the modern graphics hardware and the shortcomings of the existing systems, this paper systematically studies the real-time rendering technology of global multi-resolution terrain data based on GPU. The main research contents and results are as follows: 1) the organization and management of global massive multi-resolution terrain data. Firstly, by summing up the characteristics and defects of the existing global grid system, combining the new characteristics of graphics hardware and the requirements of efficient real-time rendering technology for the discrete grid model of the earth, we select the HEALPix Earth discrete grid model as the foundation of this paper. Then, the storage and index method of the original model is improved according to the need of application. The maximum resolution data stored in the model can be increased from 0.012 meters to 7.07 脳 10 ~ (-13) meters. The compression algorithm supported by graphics hardware can be used. Reduce the required storage space to at least a third of the original. Finally, according to the improved model, the organization and management scheme of global massive multi-resolution terrain data is designed. 2) the real-time rendering algorithm of global terrain data based on GPU is studied. Combined with the improved HEALPix model and the existing real-time terrain rendering algorithm, this paper designs a real-time rendering scheme of global multi-resolution terrain data based on the improved HEALPix model. In this scheme, topographic elevation data is stored as texture data in the display memory, and the terrain grid is generated by the GPU hardware algorithm in real-time rendering, and then the rendering process of the 3D terrain is completed by the shader program running in GPU. In this scheme, the rendering process is almost complete in GPU, which makes full use of the hardware grid subdivision of GPU and the high parallelization of GPU, thus greatly improving the rendering speed of scene and reducing the consumption of memory and CPU resources. Compared with the existing schemes, the scheme solves the distortion problem near the poles of the Arctic and South Pole, improves the speed and effect of real-time rendering, and simplifies the complexity of the rendering engine itself. 3) the design and implementation of the prototype system. In order to verify the proposed scheme, this paper designs and implements the global terrain data management system and the global terrain real-time rendering system. Using the former, the global terrain elevation database and the global terrain image database are established. The latter is used for real-time rendering and model testing of the established database, and satisfactory results are obtained.
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P209;TP391.41

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本文編號：2340899