顾及拓扑的三维地理空间实体群的线消隐方法技术

一种顾及拓扑的三维地理空间实体群的线消隐方法，所述三维地理空间实体群的三维空间数据模型包括节点、边、环、平面片和体这5类基元，预设的规则包括给予消隐的每个实体必须是剖分完全的，设定了只共面、只共边、只共点、共面面、共边面、共边边、共点面、共点边、共点点的情况；进行消隐过程，包括顾及拓扑关系的消隐预处理，扩展的第一类线消隐处理处理自遮挡的情况，扩展的第二类线消隐处理处理互遮挡的情况。与现有三维实体集合线消隐的相关技术相比，本发明专利技术能够实现三维实体集群的线消隐处理，对实体的各种情况都能准确进行处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维地理空间数据组织与可视化的
，尤其是涉及一种顾及拓 扑的三维地理空间数据的线消隐方法。
技术介绍
用计算机生成三维形体的真实感图形，是计算机图形学研究重点之一。真实感图 形在仿真模拟、几何造型、科学计算可视化等多个领域具有广泛应用，其生成过程涉及消 隐。消隐，就是运用某种技术手段判别物体的隐藏部分（不可见的线或面）并将其从画面 中消除或用虚线绘制的过程，也称可见性测试。消隐后的图形，称为ShadedPicture或者 Half-tonePicture,与物体的可见性判定（VisibilityDetermination)在原则上等价。采 用消隐后的二维线框图形来表达真实的三维图形，输入数据为三维实体群，输出数据为二 维线框。因为输出数据是线框，面在输出结果中是不表达的，所以核心是线状实体在最终输 出结果中的可见或不可见表达。消隐的过程，其实是不断趋近最真实的面与线可见性判定 的过程。 之所以消隐在真实感图形生成过程中非常重要，是因为：（1)三维信息在经过二 维投影变换后失去了深度信息，往往导致图形表达的二义性，需要在绘制二维图形同时通 过隐藏物体的不可见部分来辅助展现三维立体形态；（2)消隐是生成真实感图形的重要组 成部分，它为后续的光照模型设置、表面渲染（包括纹理映射）提供了基础。 消隐方法至今研究众多。面对迄今为止众多的消隐算法研究，分类方法也有所不 同，可归纳如下：⑴根据消隐方法分类，包括物空间消隐和像空间消隐；⑵根据消隐对象 分类，包括线消隐和面消隐；(3)根据实现途径分类，包括计算机软件实现和硬件实现。现 有多采用第一种和第二种分类方法，特别是第一种分类方法。具体的，物空间消隐以三维场 景中对象为处理单元，在所有对象之间进行比较，除去不可见部分。物空间消隐多用于线消 隐，也用于面消隐。像空间消隐以构成图形的每一个像素为处理单元，针对场景中所有在该 像素上有投影的表面，确定其中相对于观察点的可见表面，用该表面颜色填充该像素。像空 间消隐多用于面消隐。 自从Robert于1963年提出处理隐藏线、Weiler等于1977年提出处理隐藏面的算 法以来，消隐算法层出不穷。针对现有大量的针对消隐处理的文献研究，往往采用像空间、 物空间、像空间和物空间结合这三个分类。 针对基于像空间的诸多消隐算法，其中Z缓冲器算法最为有名，它也是最为目前 常用的作用于像空间的隐藏面消除算法，它在工业界被广泛采用，可通过硬件实现。例如， OpenGL作为工业界事实上的标准，其采用的就是Z缓冲器算法。针对基于像空间的消隐算 法，以像素为基本研究单位，与完全基于物空间的消隐算法相比其涉及计算几何内容较少， 其本质上属于图形图像学领域。故而，完全基于像空间的消隐算法、结合像空间和物空间的 消隐算法不是本专利技术的研究重点，基于物空间的消隐算法才是本专利技术的借鉴对象。 此外，针对完全基于像空间、结合像空间和物空间的消隐方法，它们的算法复杂度 与环境复杂度无关（如与三维实体包含了多少面片、多少线段无关），只与输出设备的像 素分辨率有关，故而无法在图像缩放时依然保持足够清晰度，可视化效果不理想；相对的， 针对完全基于物空间的消隐方法（包括Apprel方法、Loutrel方法、Galimberti方法、 Mononari方法等）的空间复杂度，都与环境复杂度的平方呈现正相关，在图像缩放时依然 保持足够清晰度，可视化效果理想。这也是本专利技术的重点参考对象是基于物空间的消隐方 法的原因。 按照不同消隐客体分类，还包括针对机械零件、针对曲面、针对地形、针对地质栅 栏等消隐。还有许多研究关注如何设计应用于消隐的数据模型或数据结构，基于现有不同 数据结构能够实现一定程度的物空间消隐，但各自存在局限性，因为受本身数据结构的局 限较大（之后详述）。 由上可见，有的研究注重消隐方法的输入数据类型（如针对机械零件、针对曲面、 针对地形、针对地质栅栏），有的研究注重输出结果的表达形式（如P缓冲器算法中输出结 果的不同类型表达），有的研究注重应用于消隐的数据结构设计（如半边结构、B-rep结构、 B-rep与CSG结合、有限元组织形式），更多的研究关注消隐方法的设计原理（如各类物空 间算法、像空间算法、物空间与像空间结合算法）。 综上所述，每一个消隐方法事实上都可以从它们共同拥有的五个方面着手给予归 纳，即每一个消隐方法可以看成是一个五元组集合，即：HA= (1，0,0汁，幻。其中：撤是一个 消隐方法，I(Input)为要进行消隐处理的三维对象的集合，简称输入；O(Output)为经过消 隐处理的二维对象的集合，简称输出；D(DataStructure)为进行消隐处理时采用的数据结 构，简称数据结构；P(Pr〇Cedure)为进行消隐所需基本操作过程的集合，主要包括：分类、 排序、三维坐标变换、透视投影变换，基本图形元素的求交计算，两个区域重叠判断，点与区 域的包含测试，面的朝向测试，简称过程；S(Strategy)为消隐策略，即规定P(Procedure) 中各操作过程被采用的先后次序，简称策略。 消隐方法之所以不同，主要在于因素I，D，P，S，其次在于因素0。针对I，只有保证 输入数据是正确的，才有可能通过正确的消隐过程得出正确的消隐结果。针对D，即消隐处 理时采用的数据结构，针对同一消隐方法往往可以采用不同的数据结构进行算法实现，算 法效率有所差异，如BSP树算法就是利用了二叉树来分割和显示场景从而加速消隐速度； 再如针对采用边界表达模型组织的实体，可以用半边结构（Half-edge)组织，还可以用翼 边结构（Winged-edge)组织，采用何种结构对算法效率有影响。因素I与因素D密切相关。 针对P(即分类、排序、包含性测试、可见性测试）和S(即P中各基本操作过程被采用的先 后次序），它们也紧密相关，共同描述了消隐算法的基本原理，从根本上影响算法正确性。针 对〇,其对输出结果的可视化效果产生影响，但不影响算法正确性。故而，认为因素I，D，P，S 是决定因素，因素〇是辅助因素，且I与D关系紧密，P与S关系紧密。可进一步如下归纳： 正确的输入I(合适的数据结构D)+正确的处理过程P与S=正确的输出0 尽管如此，现有的文献与研究极少深入分析消隐方法的I(Input)，特别是针对众 多的物空间消隐方法，没有深入分析输入数据中各类基元的特征，尤其包括用于消隐的线 是怎么样的线、面是怎么样的面、体是怎么样的体，同时没有系统归纳这些基元之间的拓扑 关系，尤其是体与体之间拓扑关系的分类。哪些算法有能力实现单个凸多面体的消隐、哪些 算法能实现单个凹多面体的消隐、哪些算法能够实现带洞的多面体的消隐、哪些算法能够 实现多个凸多面体的消隐（包括凸体与凸体之间可能分离、可能相邻等）、哪些算法能够实 现多个凹多面体的消隐（凹体与凹体之间可能分离、可能相邻等）、哪些算法能够实现凹多 面体与凸多面体混合时的消隐处理（凸体与凹体可能分离、可能相邻等），这些在现有研究 与文献中都没有给予系统归纳（本专利技术中稍后归纳）；同时，能够实现以上消隐处理的各个 数据模型或结构有何特点、有何约束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种顾及拓扑的三维地理空间实体群的线消隐方法，其特征在于：所述三维地理空间实体群的三维空间数据模型包括节点、边、环、平面片和体这5类基元，其中，点是0维基元，边与环是1维基元，平面片是2维基元，体是3维基元；预设的规则如下，规则1，待消隐的每个实体必须是剖分完全的；规则2，当某体与另一个体存在的公共元素为2维时，称只共面；规则3，当某体与另一个体存在的公共元素为1维时，称只共边；规则4，当某体与另一个体存在的公共元素为0维时，称只共点；规则5，当某体与另两个体存在的公共元素分别为2维时，称共面面，按照只共面的情况处理；规则6，当某体与另两个体存在的公共元素分别为1维与2维时，称共边面，按照只共面的情况处理；规则7，当某体与另多个体存在的公共元素分别为1维时，称共边边，按照只共边的情况处理；规则8，当某体与另两个体存在的公共元素分别为0维与2维时，称共点面，按照只共面的情况处理；规则9，当某体与另两个体存在的公共元素分别为0维与1维时，称共点边，按照只共边的情况处理；规则10，当某体与另多个体存在的公共元素分别为0维时，称共点点，按照只共点的情况处理；    基于以上预设规则，进行消隐过程，包括以下步骤，步骤1，顾及拓扑关系的消隐预处理，包括进行平面片的分类和边的分类，进行平面片的分类如下，(i)针对体与体之间存在只共面情况时，设定公共面为不可见面；(ii)针对体与体之间存在只共边情况时，本步骤不做处理；(iii)针对体与体之间存在只共点情况时，本步骤不做处理；进行边的分类如下，(i)针对体与体之间存在只共面情况时，公共面包含的边暂设定为可见面；(ii)针对体与体之间存在只共边情况时，暂设定公共边为可见边；(iii)针对体与体之间存在只共点情况时，本步骤不做处理；步骤2，扩展的第一类线消隐处理，包括子步骤如下，步骤2.1，进行后向面剔除，包括找到法向量与视线方向一致的平面片，这些平面片称后向面，后向面设定为不可见面，不参与后续步骤3；找到法向量与视线方向不一致的平面片，这些平面片称前向面，前向面设定为可见面；步骤2.2，进行平面片的分类如下，(i)将通过后向面剔除找到的所有不可见面，加上步骤1所得所有不可见面，取和得到完整的不可见面簇；(ii)根据通过后向面剔除找到的可见面得到完整的可见面簇；步骤2.3，针对仅相接于2个面的边，进行边的可见性判定如下，  (i)相接于2个不可见面的边，设定为不可见边；(ii)相接于1个可见面和1个不可见面的边，暂设定为可见边；(iii)相接于2个可见面的边，暂设定为可见边；步骤2.4，进行边的分类，包括 将步骤2.3得到的所有可见边，加上步骤1得到的所有可见边，取和得到完整的可见边簇，步骤2.3得到的所有不可见边为完整的不可见边簇；步骤3，扩展的第二类线消隐处理，包括子步骤如下，步骤3.1，边的细分，包括以步骤2.4所得完整可见边簇中的每条边为潜在可见边，判断潜在可见边是否被可见面遮挡，当被可见面部分遮挡时，对此边根据与平面片的相交情况进进行裁切，裁切后的最终每条边称为最简边；步骤3.2，最简边的可见性判定，包括采用最简边的中点的可见性来代表整条最简边的可见性。...

【技术特征摘要】
1. 一种顾及拓扑的三维地理空间实体群的线消隐方法，其特征在于：所述三维地理空 间实体群的三维空间数据模型包括节点、边、环、平面片和体这5类基元，其中，点是0维基 元，边与环是1维基元，平面片是2维基元，体是3维基元； 预设的规则如下， 规则1，待消隐的每个实体必须是剖分完全的； 规则2,当某体与另一个体存在的公共元素为2维时，称只共面； 规则3,当某体与另一个体存在的公共元素为1维时，称只共边； 规则4,当某体与另一个体存在的公共元素为0维时，称只共点； 规则5,当某体与另两个体存在的公共元素分别为2维时，称共面面，按照只共面的情 况处理； 规则6,当某体与另两个体存在的公共元素分别为1维与2维时，称共边面，按照只共面 的情况处理； 规则7,当某体与另多个体存在的公共元素分别为1维时，称共边边，按照只共边的情 况处理； 规则8,当某体与另两个体存在的公共元素分别为0维与2维时，称共点面，按照只共面 的情况处理； 规则9,当某体与另两个体存在的公共元素分别为0维与1维时，称共点边，按照只共边 的情况处理； 规则10,当某体与另多个体存在的公共元素分别为〇维时，称共点点，按照只共点的情 况处理； 基于以上预设规则，进行消隐过程，包括以下步骤， 步骤1，顾及拓扑关系的消隐预处理，包括进行平面片的分类和边的分类， 进行平面片的分类如下， (i) 针对体与体之间存在只共面情况时，设定公共面为不可见面； (ii) 针对体与体之间存在只共边情况时，本步骤不做处理； (iii) 针对体与体之间存在只共点情况时，本步骤不做处理； 进行边的分类如下， (i) 针对体与体之间存在只共面情况时，公共面包含的边暂设定为可见面； (ii) 针对体与体之间存在只共边情况时，暂设定公共边为可见边； (iii) 针对体与体之间存在只共点情况时，本步骤不做处理； 步骤2,扩展的第一类线消隐处理，包括子步骤如下， 步骤2. 1，进行后向...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞昌彬，李霖，赵志刚，贺彪，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42