三維可視化技術(shù)是現(xiàn)在新興的一種技術(shù)，在很多工作中都會(huì)用到這項(xiàng)技術(shù)。本文主要對(duì)基于LOD與GPU的海量空間數(shù)據(jù)三維可視化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了一些研究，文章是一篇哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)投稿的論文范文，有需要發(fā)表文章的作者可以聯(lián)系本站在線編輯快速投稿。

  　　【摘 要】大數(shù)據(jù)量場景的顯示效率一直是三維GIS領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題，三維中涉及到的地形、影像、紋理等數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量都是十分龐大的。在目前的軟硬件環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)可視化是十分困難的。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)3DGIS平臺(tái)，研究了LOD金字塔模型與GPU并行計(jì)算等問題，取得了良好的大數(shù)據(jù)量場景實(shí)時(shí)可視化效果。

　　【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù),三維場景,快速可視化,LOD,GPU

　　1 引言

　　地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS )是一種采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。隨著人們對(duì)GIS行業(yè)越來越深入的了解，伴隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)和通信技術(shù)高速迅猛的發(fā)展，GIS已然滲透進(jìn)入國民生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)和國民生活的各個(gè)方面。然而傳統(tǒng)的GIS技術(shù)仍然存在著明顯的缺陷，主要表現(xiàn)為它以處理二維信息為主，把連續(xù)分布的三維現(xiàn)實(shí)世界抽象成二維的數(shù)字信息，不能給人以自然界三維空間真實(shí)物體身臨其境的感受。三維GIS是GIS技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域，是進(jìn)行全方位、多層次、多要素時(shí)空分析的基礎(chǔ)，開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、功能完善的真三維GIS軟件是當(dāng)前GIS研究人員的重要目標(biāo)。由于空間數(shù)據(jù)具有的數(shù)據(jù)量龐大、內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，使得三維GIS中要處理的空間數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件所能處理的能力，該特點(diǎn)已經(jīng)成為了三維GIS可視化的制約性因素。

　　層次細(xì)節(jié)(Level Of Detail， LOD)思想提供了一個(gè)解決龐大數(shù)據(jù)量與快速可視化問題�A方向LOD技術(shù)主要是根據(jù)人眼的視覺原理，一個(gè)物體距離人眼越遠(yuǎn)，人眼看到該物體的細(xì)節(jié)也就越少，因此系統(tǒng)就可以將距離觀察點(diǎn)較遠(yuǎn)的物體用較粗粒度的模型來代替，從而在不降低視覺效果的前提下大幅度降低了計(jì)算機(jī)需要處理的數(shù)據(jù)量，解決了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示效果。在同樣大小的顯示范圍內(nèi)，采用LOD技術(shù)可以使數(shù)據(jù)處理量基本保持不變，這一特性對(duì)海量空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)三維可視化是非常重要的。

　　近年來，隨著計(jì)算機(jī)圖形處理器(Graphic Processing Unit， GPU)的計(jì)算能力的提升，極大的提高了計(jì)算機(jī)圖形處理的速度和圖形生成的質(zhì)量。GPU技術(shù)的極速發(fā)展一方面提高了圖形處理的計(jì)算速度，另一方面還促使了一些與圖形處理相關(guān)的硬件技術(shù)的進(jìn)步，比如：具有可編程性功能的像素處理模塊和具有頂點(diǎn)處理功能的圖形硬件�@染管道。在3DGIS可視化方面，LOD模型正朝著與GPU集成的方向發(fā)展，建模的方法已經(jīng)不再是逐個(gè)選擇某個(gè)多邊形進(jìn)行繪制，而是在大量的多邊形組中選擇一組進(jìn)行批量繪制，建立適合于現(xiàn)代GPU處理的LOD框架，不再追求盡可能的減少多邊形的繪制，只要能達(dá)到硬件的繪制要求即可。

　　本文基于對(duì)LOD與GPU技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)3DGIS平臺(tái)，并利用該平臺(tái)解決了海量空間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)三維可視化問題。

　　2 LOD金字塔構(gòu)建

　　本文使用的LOD金字塔模型是基于四叉樹結(jié)構(gòu)，以分層分塊的方式構(gòu)建的。利用這種方式組織的金字塔模型具有以下特點(diǎn)：

　　(1)對(duì)于樹中任意相鄰的層，從上到下，分辨率呈雙倍遞增關(guān)系，這樣可以很方便的使用四叉樹索引技術(shù)進(jìn)行快速定位。

　　(2)樹中每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一塊區(qū)域，這樣可以直接提供不同分辨率的數(shù)據(jù)而無需實(shí)時(shí)重采樣。

　　在構(gòu)建金字塔時(shí)，首先把原始柵格數(shù)據(jù)作為金字塔的底層，并對(duì)其進(jìn)行分塊，形成底層瓦片矩陣。在底層的基礎(chǔ)上，從左下角開始，從左至右、從下到上按每2×2個(gè)像素合成一個(gè)像素的方法生成像素矩陣，并進(jìn)行分塊，形成上一層瓦片矩陣。

　　分層分塊后的文件命名要能反映出數(shù)據(jù)所在層數(shù)和數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息，本文采用如下命名規(guī)則：Dataset NameLevel of LODFileX FileX_FileY.abc，其中，Level of LOD為數(shù)據(jù)所在金字塔模型的層號(hào)，F(xiàn)ileX為塊的行號(hào)，F(xiàn)ileY為塊的列號(hào)。利用該規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)文件名與文件坐標(biāo)之間的換算。

　　3 GPU高速并行計(jì)算

　　圖形處理器(Graphic Processing Unit，GPU)是一個(gè)專門用于圖形渲染的微處理器，它可以快速的操作和改變內(nèi)存以加快輸出幀緩存中的圖像。

　　在GPU處理器出現(xiàn)以前，顯卡只負(fù)責(zé)圖形渲染的操作，大部分的運(yùn)算處理都由CPU來實(shí)現(xiàn)。在GPU出現(xiàn)以后，主流計(jì)算機(jī)中的處理器大都包含CPU和GPU，由CPU和GPU協(xié)同結(jié)合來完成大數(shù)據(jù)量運(yùn)算和圖形�@染的工作。CPU和GPU協(xié)調(diào)工作，CPU負(fù)責(zé)處理邏輯性強(qiáng)的事務(wù)處理和串行計(jì)算，GPU則專注于執(zhí)行高度線程化的并行處理任務(wù)。與CPU相比，GPU在運(yùn)算能力和存儲(chǔ)器帶寬上具有明顯的優(yōu)勢，它可以通過增加并行處理單元和存儲(chǔ)器控制單元的方式來提高計(jì)算機(jī)的并行處理能力和存儲(chǔ)器帶寬。與CPU相比，GPU具有很多優(yōu)勢：

　　(1)高度并行性：GPU具備多個(gè)�@染管道，能并行處理多個(gè)頂點(diǎn)和像素?cái)?shù)據(jù)，具有很高的并行性;

　　(2)GPU具有向量運(yùn)算架構(gòu)，使得其在處理大規(guī)模向量運(yùn)算時(shí)性能更佳;

　　(3)只讀高速緩存：GPU中的緩存是只讀的，其主要功能是用于過濾對(duì)存儲(chǔ)器的請(qǐng)求，減少對(duì)顯存的訪問，這使得它比CPU更適合于流處理計(jì)算，處理邏輯分支簡單的大規(guī)模數(shù)據(jù)并行任務(wù)。

　　4 3DGIS平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本文結(jié)合LOD與GPU技術(shù)，通過C++語言，使用Microsoft Visual Studio 2012開發(fā)工具開發(fā)了一套3DGIS軟件平臺(tái)，其功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　如上圖所示，配置文件中存儲(chǔ)一些系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，如默認(rèn)圖層等，系統(tǒng)初始化時(shí)通過配置文件模塊讀取配置文件內(nèi)容并創(chuàng)建默認(rèn)對(duì)象;場景控制模塊負(fù)責(zé)事件監(jiān)聽，并保存事件觸發(fā)后相關(guān)場景參數(shù)的修改;數(shù)據(jù)調(diào)度模塊使用基于四叉樹的瓦片檢索算法檢索當(dāng)前場景的可見瓦片，并負(fù)責(zé)在緩存或服務(wù)器中獲取數(shù)據(jù);渲染模塊通過構(gòu)建地形網(wǎng)格和紋理貼圖產(chǎn)生三維場景。測試結(jié)果顯示，當(dāng)三維窗口大小為800×600時(shí)，平均幀頻為24.8幀/秒。

　　5 結(jié)束語

　　本文利用LOD金字塔與GPU的高度并行計(jì)算能力和可編程性解決了3DGIS中大數(shù)據(jù)量場景的快速可視化的問題，并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是將LOD與GPU兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，并成功應(yīng)用到3DGIS軟件的開發(fā)中。

　　系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了明確系統(tǒng)目標(biāo)，降低編碼工作量和數(shù)據(jù)整理搜集的工作量，僅從局部角度考慮三維GIS的快速可視化，沒有像Google地球和NASA的WorldWind那些從全球的角度來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三維可視化，這也是本文下一步考慮解決問題。

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　　電子科技論文發(fā)表期刊推薦《中國儀器儀表》雜志(CHINAINSTRUMENTATION)創(chuàng)刊于1981年，是當(dāng)時(shí)國家儀器儀表總局的“官方刊物”，由國家新聞出版署批準(zhǔn)注冊(cè)、面向國內(nèi)外正式出版發(fā)行的綜合類技術(shù)期刊�，F(xiàn)由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)主管，機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所、中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)主辦。