專利名稱：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下超大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的三維可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下超大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的三維可視化方法，屬于空間信息技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近幾年，由于傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不斷發(fā)展，大范圍、高分辨率影像和數(shù)字高程模型的廉價獲取成為可能，空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量呈幾何級數(shù)增長。同時，人們也在研究如何獲取城市中諸如人工目標(biāo)等幾何實(shí)體的三維模型，隨著幾何對象數(shù)量的不斷增加和幾何表達(dá)精度的不斷提高，用于描述幾何對象的數(shù)據(jù)量也變得越來越多。再加上從其它方法(如測量方法)獲取的地理信息系統(tǒng)(GIS)數(shù)據(jù)，一個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總量往往達(dá)到幾百兆字節(jié)甚至兆兆字節(jié)(TB)數(shù)量級，可能分布于異構(gòu)環(huán)境中，而且這些數(shù)據(jù)的格式也不盡相同。從而使得傳輸和可視化這些空間數(shù)據(jù)需要的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前計(jì)算機(jī)設(shè)備的承受能力。目前，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)軟硬件的推陳出新，如何在保證場景真實(shí)感的前提下，快速實(shí)現(xiàn)多源海量數(shù)據(jù)的可視化成為當(dāng)前空間信息領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下超大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的三維可視化方法，它解決了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下大規(guī)模多源空間數(shù)據(jù)格式不一致的問題。借助于本發(fā)明的建模、漸進(jìn)傳輸和渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多源海量空間數(shù)據(jù)的快速可視化。具有(1)在分布式環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的共享和互操作；(2)低配置在移動終端上(如個人數(shù)字助理PDA)，就能完成自適應(yīng)可視化。
在分布式異構(gòu)環(huán)境中，本發(fā)明通過空間數(shù)據(jù)的獲取模型、空間索引技術(shù)、自適應(yīng)傳輸技術(shù)和自適應(yīng)可視化技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的三維可視化，其技術(shù)方案如下本發(fā)明一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下超大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的三維可視化方法，其方法步驟如下(1) 分布式異構(gòu)環(huán)境中空間數(shù)據(jù)的獲取模型提出以下兩種模型實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)環(huán)境中空間數(shù)據(jù)的快速獲取 數(shù)據(jù)配置模型針對分布式環(huán)境的特點(diǎn)，提出數(shù)據(jù)配置模型，該模型包含數(shù)據(jù)的類型、大小、所在的位置、所在計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)類型、空間范圍等信息，它用來管理放在每臺服務(wù)器上的待可視化的多源空間數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)啟動時，數(shù)據(jù)配置模型通知客戶端的管理器空間數(shù)據(jù)分布的具體位置； 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型通過設(shè)計(jì)和建立三維標(biāo)識數(shù)據(jù)模型3DGML，以此解決多源空間數(shù)據(jù)格式不一致性問題。該3DGML在傳統(tǒng)地理標(biāo)識語言基礎(chǔ)上增加了第三維描述信息，即高程。并且還帶有一個時間變量以描述隨時間變化的地理信息。本專利的空間數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都是以3DGML的格式來傳輸給客戶端的。
(2)高效的空間索引技術(shù)以橢球四叉樹和漸進(jìn)樹(P-Tree)技術(shù)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的高效索引。本發(fā)明提出優(yōu)化橢球四叉樹實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地理數(shù)據(jù)的快速檢索。具體是，沿著經(jīng)緯格網(wǎng)把地球表面劃分成若干左右相鄰全等的，上下相鄰相似的四邊形，四叉樹的每個結(jié)點(diǎn)代表的是顧及地球曲率的、等面積的四邊形。
橢球四叉樹每個結(jié)點(diǎn)描述了一定分辨率下確定的、等邊長(以m為單位)的四邊形面片。
隨著視點(diǎn)和視線不斷移近城區(qū)，場景會出現(xiàn)三維建筑等實(shí)體。本發(fā)明設(shè)計(jì)的空間索引保證靠近視點(diǎn)或用戶最感興趣的實(shí)體應(yīng)先傳輸，次要的目標(biāo)而后傳輸和渲染。在此情況下，提出一種P-tree的空間索引結(jié)構(gòu)，它在傳統(tǒng)R樹基礎(chǔ)上，增加了一個元素g(e)來存儲地理空間信息。如果在第L層次上的結(jié)點(diǎn)n是一個內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，g(e)表示在該分支中所有實(shí)體集合。返回的集合在包圍盒精度高于閾值時，就合并P-tree的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，否則遍歷P-tree的下一層。P-tree與橢球四叉樹通過一定的閾值相連來實(shí)現(xiàn)多分辨率地形和三維幾何模型的索引。
從分辨率為幾公里的大場景到分辨率只有幾米的城市地區(qū)，如果場景變化的太快，地形管理器跨越四叉樹而定位到合適位置的速度會落后于用戶變換場景的速度，這種管理機(jī)制讓四叉樹能快速定位到合適的空間位置以獲得重要的屬性信息和地理空間邊界盒，從而決定哪些數(shù)據(jù)和模型顯示在當(dāng)前視景體內(nèi)。
(3)海量空間數(shù)據(jù)的自適應(yīng)傳輸技術(shù)集成了在線高效壓縮與釋放、動態(tài)流媒體化技術(shù)、外存漸進(jìn)傳輸算法等混合技術(shù)，解決在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速率下，以及保持?jǐn)?shù)據(jù)和模型最大精度的同時，滿足海量空間數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)囊蟆?br> 為了減少內(nèi)存的消耗，構(gòu)建三維場景的結(jié)點(diǎn)采用算術(shù)編碼壓縮，先傳輸可見子結(jié)點(diǎn)中較粗的模型，并將其保留在客戶機(jī)內(nèi)存中，漸進(jìn)可視化更高層次的場景。如果遍歷停止，就用較粗細(xì)節(jié)層次模型渲染。在遍歷四叉樹結(jié)構(gòu)搜索當(dāng)前待渲染結(jié)點(diǎn)的過程中，將流和預(yù)取過程分為兩個異步線程進(jìn)行。在交互的過程中必需的數(shù)據(jù)放在緩存中，每個細(xì)節(jié)層次中保留數(shù)據(jù)塊的緩存，如果塊立即使用，就存儲在內(nèi)存緩存中，否則，放在磁盤緩存中。
發(fā)送新的請求前，客戶端預(yù)先計(jì)算索引后發(fā)送消息到服務(wù)器獲取它預(yù)先設(shè)有存儲的模型結(jié)點(diǎn)。從服務(wù)器上接收到空間數(shù)據(jù)時，客戶端做部分簡單的計(jì)算，建立數(shù)據(jù)模型一部分拷貝。服務(wù)器建立從屬圖，避免冗余數(shù)據(jù)的傳輸避免不必要數(shù)據(jù)的傳輸；客戶端的簡化算法修改服務(wù)器端的場景描述，形成設(shè)備圖形，該圖形包含漸進(jìn)入口，它們依連續(xù)的順序存儲數(shù)據(jù)。如果客戶端不能存儲整個細(xì)節(jié)層次模型時，客戶端就刪除當(dāng)前不用的數(shù)據(jù)。若后續(xù)的操作需要這部分?jǐn)?shù)據(jù)，它只簡單向服務(wù)器發(fā)送一個請求。這樣，服務(wù)器非常容易的處理大量的客戶端連接，因?yàn)樗恍枰涗浢總€連接點(diǎn)的狀態(tài)。
(4)大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的自適應(yīng)可視化技術(shù)傳統(tǒng)的可視化技術(shù)只能在中央處理器(CPU)上實(shí)現(xiàn)，因而速度較慢，交互性不好。本發(fā)明采用視點(diǎn)相關(guān)的基于圖形處理器(GPU)的多分辨率動態(tài)可視化技術(shù)。該技術(shù)將空間信息重新組成一系列層，并簡化為兩個視相關(guān)的幾何緩沖器。利用GPU的可編程性，基于外存和細(xì)節(jié)層次模型算法，進(jìn)而在GPU中實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模幾何實(shí)體的動態(tài)多分辨率顯示。
本發(fā)明一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下超大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的三維可視化方法，其優(yōu)點(diǎn)及其達(dá)到的功效是它在分布式環(huán)境下，將海量多源空間信息在統(tǒng)一的三維環(huán)境中可視化，能實(shí)現(xiàn)多用戶并發(fā)訪問的要求。具體說就是(1)通過建立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型并形成三維GML規(guī)范，以此解決分布式異構(gòu)環(huán)境下多源空間數(shù)據(jù)的格式不一致性問題；(2)實(shí)現(xiàn)了一個并行的、可以擴(kuò)充的海量幾何模型傳輸方案，包括預(yù)處理算法、多分辨視相關(guān)模型簡化等?？蛻舳四芡瓿杉?xì)節(jié)層次模型(LOD)查詢并實(shí)時選擇性簡化幾何實(shí)體的表面，而不必接收和存儲整個LOD模型。滿足多用戶并發(fā)訪問的要求；(3)在復(fù)雜三維城市場景顯示中，絕大多數(shù)算法用一個層次包圍體做體空間或者圖像空間剔除驗(yàn)證，并計(jì)算潛在的視集，這樣在運(yùn)行期間會產(chǎn)生突跳現(xiàn)象。為了避免該現(xiàn)象，研究和集成了基于GPU超大規(guī)模數(shù)據(jù)多分辨率可視化技術(shù)與保守阻擋消除法實(shí)時可視化場景。
四

圖1本發(fā)明三維可視化方法的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)流程2本發(fā)明所述的空間索引結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明之渲染和流線程的流程示意4本發(fā)明之服務(wù)器產(chǎn)生從屬圖，避免冗余數(shù)據(jù)的傳輸示意5本發(fā)明之簡化算法修改服務(wù)器端的場景描述，形成設(shè)備圖形，該圖形包含漸進(jìn)入口，它們依連續(xù)的順序存儲數(shù)據(jù)示意6本發(fā)明之?dāng)?shù)據(jù)塊的更新示意7本發(fā)明之?dāng)?shù)據(jù)塊頂點(diǎn)索引順序示意圖五具體實(shí)施方式
通過圖1所示的流程圖來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提出的可視化方法，其過程步驟如下(1)分布式異構(gòu)環(huán)境中空間數(shù)據(jù)的更新模型 數(shù)據(jù)配置模型該模型包含數(shù)據(jù)的類型、大小、所在的位置、所在計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)類型、空間范圍等信息，它用來管理放在每臺服務(wù)器上的待可視化的多源空間數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)啟動時，數(shù)據(jù)配置模型通知客戶端的管理器空間數(shù)據(jù)分布的具體位置； 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型通過建立三維標(biāo)識數(shù)據(jù)模型3DGML，以此解決多源空間數(shù)據(jù)格式不一致性問題。該3DGML在傳統(tǒng)地理標(biāo)識語言基礎(chǔ)上增加了第三維描述信息，即高程。并且還帶有一個時間變量以描述隨時間變化的地理信息。本發(fā)明的空間數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都是以3DGML的格式來傳輸給客戶端的。
(2)高效的空間索引技術(shù)本發(fā)明提出優(yōu)化橢球四叉樹實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地理數(shù)據(jù)的快速檢索。具體是，沿著經(jīng)緯格網(wǎng)把地球表面劃分成若干左右相鄰全等的，上下相鄰相似的四邊形，四叉樹的每個結(jié)點(diǎn)代表的是顧及地球曲率的、等面積的四邊形。
假設(shè)待分割的數(shù)字高程模型(DEM)大地坐標(biāo)的范圍為(λmin，φmin)和(λmax，φmax)，行列數(shù)為M×N，每個瓦片有row×col格網(wǎng)點(diǎn)，那么瓦片在地球平行圈方向的數(shù)目為qλ＝int(N/col)，在地球子午圈方向的數(shù)目為qφ＝int(M/row)，因此，經(jīng)度差Δλ＝(λmax-λmin)/qλ，緯度差Δφ＝(φmax-φmin)/qφ。為了能夠支持多層次細(xì)節(jié)模型，所有的結(jié)點(diǎn)應(yīng)均含有數(shù)據(jù)，所以，橢球四叉樹的索引值key，必須滿足 這里，M，N分別是DEM的行數(shù)和列數(shù)；row、col分別是每個瓦片的行數(shù)和列數(shù)；int( )代表取整數(shù)的含義；∑代表加和。
在創(chuàng)建橢球四叉樹時，需要從已知索引值key中，知道當(dāng)前層索引數(shù)據(jù)的最大坐標(biāo)(λ2，φ2)和最小坐標(biāo)(λ1，φ1)，利用方程(1)和已知參數(shù)qφ，qλ，Δλ，Δφ獲得λ1，φ1，λ2，φ2的值
橢球四叉樹每個結(jié)點(diǎn)描述了一定分辨率下確定的、等邊長(以m為單位)的四邊形面片。
隨著視點(diǎn)和視線不斷移近城區(qū)，場景會出現(xiàn)三維建筑等實(shí)體。本發(fā)明設(shè)計(jì)的空間索引保證靠近視點(diǎn)或用戶最感興趣的實(shí)體應(yīng)先傳輸，次要的目標(biāo)而后傳輸和渲染。在此情況下，提出一種P-tree的空間索引結(jié)構(gòu)，它在傳統(tǒng)平衡樹基礎(chǔ)上，增加了一個元素g(e)來存儲地理空間信息。如果在第L層次上的結(jié)點(diǎn)n是一個內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，g(e)表示在該分支中所有實(shí)體集合。返回的集合在包圍盒精度高于閾值時，就合并P-tree的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，否則遍歷P-tree的下一層。P-tree與橢球四叉樹通過一定的閾值相連(如圖2)來實(shí)現(xiàn)多分辨率地形和三維幾何模型的索引。
從分辨率為幾公里的大場景到分辨率只有幾米的城市地區(qū)，如果場景變化的太快，地形管理器跨越四叉樹而定位到合適位置的速度會落后于用戶變換場景的速度，這種管理機(jī)制讓四叉樹能快速定位到合適的空間位置以獲得重要的屬性信息和地理空間邊界盒，從而決定哪些數(shù)據(jù)和模型顯示在當(dāng)前視景體內(nèi)。
(3)海量空間數(shù)據(jù)的自適應(yīng)傳輸技術(shù)為了減少內(nèi)存的消耗，構(gòu)建三維場景的結(jié)點(diǎn)采用算術(shù)編碼壓縮，先傳輸可見子結(jié)點(diǎn)中較粗的模型，并將其保留在客戶機(jī)內(nèi)存中，漸進(jìn)可視化更高層次的場景。如果遍歷停止，就用較粗細(xì)節(jié)層次模型渲染。在遍歷四叉樹結(jié)構(gòu)搜索當(dāng)前待渲染結(jié)點(diǎn)的過程中，將流和預(yù)取過程分為兩個異步線程進(jìn)行(如圖3所示)。在交互的過程中必需的數(shù)據(jù)放在緩存中，每個細(xì)節(jié)層次中保留數(shù)據(jù)塊的緩存，如果塊立即使用，就存儲在內(nèi)存緩存中，否則，放在磁盤緩存中。
發(fā)送新的請求前，客戶端預(yù)先計(jì)算索引后發(fā)送消息到服務(wù)器獲取它預(yù)先沒有存儲的模型結(jié)點(diǎn)。從服務(wù)器上接收到空間數(shù)據(jù)時，客戶端做部分簡單的計(jì)算，建立數(shù)據(jù)模型一部分拷貝。服務(wù)器建立從屬圖，避免冗余數(shù)據(jù)的傳輸(如圖4所示)避免不必要數(shù)據(jù)的傳輸；客戶端的簡化算法修改服務(wù)器端的場景描述，形成設(shè)備圖形，該圖形包含漸進(jìn)入口，它們依連續(xù)的順序存儲數(shù)據(jù)(如圖5)。如果客戶端不能存儲整個細(xì)節(jié)層次模型時，客戶端就刪除當(dāng)前不用的數(shù)據(jù)。若后續(xù)的操作需要這部分?jǐn)?shù)據(jù)，它只簡單向服務(wù)器發(fā)送一個請求。這樣，服務(wù)器非常容易的處理大量的客戶端連接，因?yàn)樗恍枰涗浢總€連接點(diǎn)的狀態(tài)。
(4)大規(guī)模空間數(shù)據(jù)的自適應(yīng)可視化技術(shù)為了提高數(shù)據(jù)的利用效率，使用環(huán)狀數(shù)組和模運(yùn)算的方式來存儲每一層顯示的數(shù)據(jù)塊，隨著視點(diǎn)的移動，每次只更新“L”形的新區(qū)域(如圖6)，由于使用環(huán)狀數(shù)組和模運(yùn)算來存儲和訪問數(shù)據(jù)，這使得對于每一個固定頂點(diǎn)在數(shù)組中存儲的位置保持不變，新的“L”形區(qū)域數(shù)據(jù)正好保存在數(shù)組中舊的“L”形數(shù)據(jù)位置上。
當(dāng)移動速度太快時，所有需要更新層次的操作就會變得比較費(fèi)時，為了提高繪制速度，我們采取從粗到精的更新順序，當(dāng)某一層的頂點(diǎn)更新數(shù)量超過n×n時，該層(以及其包含的所有精細(xì)層)暫時停止更新和繪制，當(dāng)視點(diǎn)的移動速度變慢時，再重新開啟更新和顯示狀態(tài)。這種視覺效果就是快速移動時，損失地形的繪制細(xì)節(jié)，也符合人的視覺習(xí)慣。
在進(jìn)行繪制時，根據(jù)數(shù)據(jù)塊視覺的重要性，采取從精到粗的順序進(jìn)行。視覺最重要的數(shù)據(jù)塊，優(yōu)先級最高，最先繪制，細(xì)節(jié)層次也最高。根據(jù)數(shù)據(jù)塊視覺重要性的大小，依次繪制整個視景體內(nèi)的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)塊視覺重要性的計(jì)算偽代碼

impt的計(jì)算公式impt=α×max_dist-disttsum_dist+β×heighttsum_height---(3)]]>
對數(shù)據(jù)塊t來說，distt是數(shù)據(jù)塊的中心到視點(diǎn)的距離。heightt是數(shù)據(jù)塊t包圍盒的高度。Max_dist是所有可見數(shù)據(jù)塊中distt的最大值；sum_dist和sum_height分別是distt和heightt累加和；權(quán)α，β滿足α+β＝1，為了折衷數(shù)據(jù)塊的距離和高度，通常取α＝β＝0.5。所有可見數(shù)據(jù)塊的視覺重要值impt要進(jìn)行歸一化，這樣∑timpt＝1。
為了利用圖形硬件的頂點(diǎn)緩存和索引緩存，必須構(gòu)建三角形條帶。由于該算法中每一個最小子塊都是矩形，所以構(gòu)建三角形條帶的方式一樣。本專利采取如圖7所示的頂點(diǎn)順序來指定矩形塊中的頂點(diǎn)，這樣只有換行處的頂點(diǎn)指定了3次，其余大部分頂點(diǎn)只指定了兩次。
當(dāng)前每一幀數(shù)據(jù)更新和變化后頂點(diǎn)索引數(shù)組的建立都需要CPU重新計(jì)算，因?yàn)榫匦紊扇切螚l帶的函數(shù)調(diào)用過程一致，在新的圖形硬件上利用頂點(diǎn)紋理，進(jìn)而將索引的計(jì)算完全由高效的GPU來完成。為每一矩形塊實(shí)時計(jì)算三角形條帶索引數(shù)組，并通過圖形顯卡的頂點(diǎn)緩沖和索引緩沖來提高繪制速度。相比起層次算法中遍歷每一個頂點(diǎn)，CPU重新計(jì)算索引的開銷要小很多。
驗(yàn)證在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對上述方法進(jìn)行了驗(yàn)證。服務(wù)器配置是P4 2.8GHz處理器，1G&NVIDIAFX3400的顯卡，操作環(huán)境為IIS/Windows XP。使用3臺計(jì)算機(jī)充當(dāng)客戶端一臺是Pentium 1.73GHZ處理器，512MB內(nèi)存，64M ATI顯卡的筆記本電腦(稱之PC-I)。第二是臺式計(jì)算機(jī)，P4 512M內(nèi)存，GeForce2顯卡(稱之PC-II)。第三臺是P4 1G內(nèi)存，GeForce3顯卡臺式計(jì)算機(jī)(稱之PC-III)。
使用美國Defense Mapping Agency的JGP95E 5′全球地形數(shù)據(jù)；USGS的GTOP030數(shù)據(jù)；1∶25萬全球地形數(shù)據(jù)；1∶1萬荊江DEM數(shù)據(jù)，全球影像為21600×21600的“blue marble”；30m的全國TM影像；以及建筑等三維模型庫進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
基于組件對象模型(COM)，用VC++和OpenGL語言開發(fā)了運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)上的分布式三維可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)由三個模塊構(gòu)成第一個是基于超文本傳輸協(xié)議(HTTP)的客戶端模塊，負(fù)責(zé)從服務(wù)器上下載數(shù)據(jù)；第二個是場景管理器模塊，負(fù)責(zé)在數(shù)據(jù)儲存器中加載數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生多分辨率的三維場景；第三個是三維分析模塊，用于地理空間分析，比如最短路徑分析，通視分析，水文分析等。
描述地形和三維模型(例如數(shù)據(jù)路徑，范圍，比例尺和配置)的元數(shù)據(jù)文檔，首先通過文件傳輸協(xié)議(例如HTTP協(xié)議)發(fā)送到客戶端，系統(tǒng)就可以利用文件中的這些信息管理這些數(shù)據(jù)。
下列表1列出了可視化地形數(shù)據(jù)和三維模型的統(tǒng)計(jì)信息。對于每一幀的場景數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)量＞80兆字節(jié))，可以看出數(shù)據(jù)從服務(wù)器端加載到客戶端的時間小于4秒，并且能實(shí)時處理多個用戶并發(fā)訪問。
表1

權(quán)利要求
1.一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下超大規(guī)模空間數(shù)據(jù)的三維可視化方法，其特征在于其方法步驟如下(1)分布式異構(gòu)環(huán)境中空間數(shù)據(jù)的獲取模型提出以下兩種模型實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)環(huán)境中空間數(shù)據(jù)的快速獲取 數(shù)據(jù)配置模型針對分布式環(huán)境的特點(diǎn)，提出數(shù)據(jù)配置模型，數(shù)據(jù)配置模型該模型包含數(shù)據(jù)的類型、大小、所在的位置、所在計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)類型、空間范圍等信息，它用來管理放在每臺服務(wù)器上的待可視化的多源空間數(shù)據(jù)；在系統(tǒng)啟動時，數(shù)據(jù)配置模型通知客戶端的管理器空間數(shù)據(jù)分布的具體位置； 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型通過建立三維標(biāo)識數(shù)據(jù)模型3DGML，以此解決多源空間數(shù)據(jù)格式不一致性問題；該3DGML在傳統(tǒng)地理標(biāo)識語言基礎(chǔ)上增加了第三維描述信息，即高程；并且還帶有一個時間變量以描述隨時間變化的地理信息；本發(fā)明的空間數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都是以3DGML的格式來傳輸給客戶端的；(2)高效的空間索引技術(shù)以橢球四叉樹和漸進(jìn)樹技術(shù)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的高效索引；以優(yōu)化橢球四叉樹實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地理數(shù)據(jù)的快速檢索，具體是，沿著經(jīng)緯格網(wǎng)把地球表面劃分成相鄰全等的、上下相鄰相似的四邊形，四叉樹的每個結(jié)點(diǎn)代表的是顧及地球曲率的、等面積的四邊形；橢球四叉樹每個結(jié)點(diǎn)描述了一定分辨率下確定的、等邊長的四邊形面片；隨著視點(diǎn)和視線不斷移近城區(qū)，場景會出現(xiàn)三維建筑等實(shí)體；設(shè)計(jì)的空間索引保證靠近視點(diǎn)或用戶最感興趣的實(shí)體應(yīng)先傳輸，次要的目標(biāo)而后傳輸和渲染；在此情況下，提出一種漸進(jìn)樹的空間索引結(jié)構(gòu)，它在傳統(tǒng)平衡樹基礎(chǔ)上，增加了一個元素g(e)來存儲地理空間信息；如果在第L層次上的結(jié)點(diǎn)n是一個內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，g(e)表示在該分支中所有實(shí)體集合；返回的集合在包圍盒精度高于閾值時，就合并漸進(jìn)樹的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，否則遍歷漸進(jìn)樹的下一層；漸進(jìn)樹與橢球四叉樹通過一定的閾值相連來實(shí)現(xiàn)多分辨率地形和三維幾何模型的索引；從分辨率為幾公里的大場景到分辨率只有幾米的城市地區(qū)，如果場景變化的太快，地形管理器跨越四叉樹而定位到合適位置的速度會落后于用戶變換場景的速度，這種管理機(jī)制讓四叉樹能快速定位到合適的空間位置以獲得重要的屬性信息和地理空間邊界盒，從而決定哪些數(shù)據(jù)和模型顯示在當(dāng)前視景體內(nèi)；(3)海量空間數(shù)據(jù)的自適應(yīng)傳輸技術(shù)集成了在線高效壓縮與釋放、動態(tài)流媒體化技術(shù)、外存漸進(jìn)傳輸算法等混合技術(shù)，解決在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速率下，以及保持?jǐn)?shù)據(jù)和模型最大精度的同時，滿足海量空間數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)囊?；為了減少內(nèi)存的消耗，構(gòu)建三維場景的結(jié)點(diǎn)采用算術(shù)編碼壓縮，先傳輸可見子結(jié)點(diǎn)中較粗的模型，并將其保留在客戶機(jī)內(nèi)存中，漸進(jìn)可視化更高層次的場景；如果遍歷停止，就用較粗細(xì)節(jié)層次模型渲染；在遍歷四叉樹結(jié)構(gòu)搜索當(dāng)前待渲染結(jié)點(diǎn)的過程中，將流和預(yù)取過程分為兩個異步線程進(jìn)行；在交互的過程中必需的數(shù)據(jù)放在緩存中，每個細(xì)節(jié)層次中保留數(shù)據(jù)塊的緩存，如果塊立即使用，就存儲在內(nèi)存緩存中，否則，放在磁盤緩存中；發(fā)送新的請求前，客戶端預(yù)先計(jì)算索引后發(fā)送消息到服務(wù)器獲取它預(yù)先沒有存儲的模型結(jié)點(diǎn)；從服務(wù)器上接收到空間數(shù)據(jù)時，客戶端做部分簡單的計(jì)算，建立數(shù)據(jù)模型一部分拷貝；服務(wù)器建立從屬圖，避免冗余數(shù)據(jù)的傳輸避免不必要數(shù)據(jù)的傳輸；客戶端的簡化算法修改服務(wù)器端的場景描述，形成設(shè)備圖形，該圖形包含漸進(jìn)入口，它們依連續(xù)的順序存儲數(shù)據(jù)；如果客戶端不能存儲整個細(xì)節(jié)層次模型時，客戶端就刪除當(dāng)前不用的數(shù)據(jù)；若后續(xù)的操作需要這部分?jǐn)?shù)據(jù)，它只簡單向服務(wù)器發(fā)送一個請求；(4)大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的自適應(yīng)可視化技術(shù)采用視點(diǎn)相關(guān)的基于圖形處理器的多分辨率動態(tài)可視化技術(shù)，將空間信息重新組成一系列層，并簡化為兩個視相關(guān)的幾何緩沖器，利用GPU的可編程性，基于外存和細(xì)節(jié)層次模型算法，進(jìn)而在GPU中實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模幾何實(shí)體的動態(tài)多分辨率顯示。
全文摘要
一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下超大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的三維可視化方法，其步驟如下1.分布式異構(gòu)環(huán)境中空間數(shù)據(jù)的獲取模型提出以數(shù)據(jù)配置模型和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)環(huán)境中空間數(shù)據(jù)的快速獲??；2.高效的空間索引技術(shù)以橢球四叉樹和漸進(jìn)樹技術(shù)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的高效索引；3.海量空間數(shù)據(jù)的自適應(yīng)傳輸技術(shù)集成了在線高效壓縮與釋放、動態(tài)流媒體化技術(shù)、外存漸進(jìn)傳輸算法等混合技術(shù)，解決在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速率下，滿足海量空間數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)囊螅?.大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的自適應(yīng)可視化技術(shù)將空間信息重新組成一系列層，并簡化為兩個視相關(guān)的幾何緩沖器，利用GPU的可編程性，進(jìn)而在GPU中實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模幾何實(shí)體的動態(tài)多分辨率顯示。
文檔編號H04L29/06GK101082934SQ20071011907
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者張立強(qiáng) 申請人:北京師范大學(xué)