Grid构建算法研究及OpenGL下三维可视化

苏幸黄临平郑盛贵胡小红　Ｓｕ　Ｘｉｎｇ　Ｈｕａｎｇ　Ｌｉｎｐｉｎｇ　Ｚｈｅｎ　Ｓｈｅｎｇｇｕ　ｉ　Ｈｕ　Ｘｉａｏｈｏｎｇ　（东华理工学院，抚州３４４０００）　（Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｚｈｏｕ　３４４０００）　摘　要：规则格网（Ｇｒ１ｄ）是数字地面模型（ＤＴＭ）最常用的表示方法，有着广泛的应用。本文介绍了面绘制的栅　格网的自动联结过程，同时在ＯｐｅｎＧＬ开放式三维环境下，，进行光照渲染等处理，实现了对电磁资料测量数据的可视化处理，　并成功地应用于实际的工程项目，取得了很好的效果。　、　关键字：数字地形模型：规则格网：三维可视化：ＯＤｅｎＧＬ　中图分类号：ＴＰ３０１．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１　６７１—４７９２－（２００６）４—００８９—０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｇｕｌａｒ　Ｇｒｉｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ＤＴＭ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ　ｕｓｅ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｒｅｇｕｌａｒ　Ｇｒｉｄ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｎｎｉｎｇ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｉｔ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄａｔａ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｉｎ　ＯｐｅｎＧＬ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｂｙ　１ｉｇｈｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｌｏｕｒｉｎｇ．　Ｉｔ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄ　ｈａｄ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｇｏｏｄ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｋｅｖｗｏｒｄｓ：ＤＴＭ；Ｒｅｇｕｌａｒ　Ｇｒｉｄ；３Ｄ　Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ＯｐｅｎＧＬ　０引言　ｄｏｕｂｌｅ　ｘ，ｙ；／／散乱点坐标　实现地形三维可视化，数字地面模型（ＤＴＭ）是一种很　ｄｏｕｂｌｅ　ｖａｌｕｅ；／／散乱点物性值　有效的途径。ＤＴＭ主要是由栅格和不规则三角网（ＴＩＮ）两种　）；　数据格式来表示。按平面上等间距规则采样，或内插所建立　ｓｔｒｕｃｔ　ｇｒｉｄ—ｎｏｄｅ／／四边形的网格结点类型　的数字地面模型，称为栅格的数字地面模型，通常也称为规　｛　则格网（Ｇｒｉｄ）模型。相对于ＴＩＮ，Ｇｒｉｄ具有规则、简单的　ｄｏｕｂｌｅ　ｘ，Ｙ；／／网格结点坐标　数据结构，便于存储、管理以及分析计算等优点。因此，Ｇｒｉｄ　‘＝；ｌ－Ｉｄ陶毫算法研究及ＯＤ西３０广下三维可规化　ｄｏｕｂｌｅ　ｖａｌｕｅ；／／网格结点物性值　具有构造视觉表现良好地表模型的优势。本文主要介绍构建　・规则格网的过程以及距离成反比的加权法的内插方法。　／／矩形内离中心结点的距离的结点类　●　１构建Ｇｄｄ涉及的数据结构　‘　散乱数据的可视化是对散乱数据进行插值或按拟合，形　｛　成曲线或曲面并用图形或图像表示出来的技术…・［２１。为了　ｄｏｕｂｌｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ；／／散乱点点离插值点的距离　对离散数据进行有效管理，论文在构建Ｇｒｉｄ规则网格时采用　ｉｎｔ　ｉｎｄｅｘ；／／对应原始点数组的索引号　的数据结构为点结构。数据结构定义如下：　ｓｔｒｕｃｔ　ｒｅｃｔｎｏｄｅ　ｎｅｘｔ；　—ｓｔｒｕｃｔ　ｓｃｐｏｉｎｔ—ｎｏｄｅ／／原始散乱点结构　）；　ｆ　２　Ｇｒｉｄ构建算法实现　维普资讯 http://www.cqvip.com

２．１与距离成反比加权法　这个方法也称为Ｓｈｅｐａｒｄ方法，最早是由气象学及地质　ｃ　，ｄ，　＋：｛　一ｄｆ，　Ｌ　当１，。一ｄｆ　０　当１，。一ｄｆ＜０　学工作者提出来的。Ｓｈｅｐａｒｄ方法的插值结果只能是Ｃ。连续，　而且当增加、删除或改变一个点时，权函数ｐ，（ｘ，ｙ）均需重　新计算。为了克服上述缺点，Ｆｒａｎｋｅ及Ｘｉｅｌｓｏｎ［３，４］提出　这说明，在（３）式中，当ｄ　（ｘ　，ｙ　）＞Ｙ。时，点（ｘ　，ｙ　）　点的值就不起作用。于是，Ｑ１只与相邻点的值有关，因而是　了一种改进，称为ＭＱｓ（Ｍｏｄ　ｉ　ｆ　ｉ　ｅｄ　Ｑｕａｄｒａｔ　ｉ　ｃ　Ｓｈｅｐａｒｄ）方法，　它通过引入一常量Ｙ　，使得己知点（ｘ　，ｙ　）与待求点间的距　离大于Ｙ　时，权值ｐ　（　，ｙ）为零。　二维权函数定义为：　＝　一ｄｋ）＋　ｄ　）　（１）　ｐ女【　，　Ｊ　式中，Ｙ　为一个常数。而　’＝　＋当　：　。　因此，当（　，ｙ　）点与某一点的距离大于Ｙ　时，其权值　就为０。　Ｑ　（ｘ，ｙ）是一个插值于（ｘ　，ｙ　）点的二次多项式，即有Ｑ　（ｘ　，ｙ　）＝ｆ　，ｋ＝ｌ，…，ｎ。而且Ｑ　（ｘ，ｙ）在点（ｘ　，ｙ　）附近与函数　值ｆ（ｘ，ｙ）具有局部近似的性质。因此，如果认为距离（ｘ，，ｙ，）　较远的点对Ｑｋ（ｘ，ｙ）影响不大，则可以认为在（ｘ　，ｙ　）点附近　Ｑ，（ｘ，ｙ）就可以近似地表示ｆ（ｘ，ｙ）了。　根据上述性质，Ｑ　可由下式表示：　Ｑｊ（ｘ，ｙ）＝　＋　ｈ　一ＪＩ）＋　ｔ１（ｙ—ＹＩ）＋　ｔ‘　一ＪＩ）　＋　一ＪＩＸｙ—ＹＪ）＋一ａｋ６（ｙ—ＹＩ）　式中口　（Ｊ＝２，…，６）是按最小二乘方法由下式得出的优　化解：　粪　‘…　Ｙｉ－Ｙｋ　２－　式中，ｆ　，ｆ　分别为（ｘ　，ｙ　）及（ｘ　，ｙ　）点的函数值，而ｐ　．可按下式选取。　ｐ　一　：　ｄ　（３Ｊ　（３）　ｑ．　其中Ｙ。为一常数，而　函数的局部近似。　在求出Ｑｌ（ｘ，ｙ）后，插值函数可表示为　脚　＝　㈩　２．２大规模散乱数据的与距离成反比的差值方法　在介绍插值之前，首先我们给出三个概念，即影响域、　影响点集和数据块交集，定义如下：　定义１：在平面上，节点Ｐ的影响域０（Ｐ）是指该点能够　对其它点有所影响的最大的区域。本文中可以指半径为ｒ／２　的闭圆盘，或者为边长为ｒ　的正方形。在空间中，节点Ｐ的　影响域ｏ（Ｐ）是指该点能够对其它点有所影响的最大的区域。　本文中可以指半径为ｒ／２的闭球体，或者为边长为ｒ　的正　六面体。　定义２：节点Ｐ的影响点集Ｓ（Ｐ）是指能够对点Ｐ有所影　响的点的集合。本文中指元素个数为ｎ的点集，也就是说，能　够对点（ｉ，ｊ）的高程有所贡献的已知点的个数为ｎ个，这些点　一般为到点Ｐ最近的ｎ个点。　定义３：数据块的交集Ｑ（Ｐ）是指节点Ｐ处于若干数据块　中的点的集合　这里指各数据块中公共点的集合，当网格点　离哪个数据块中心距离最近，则此网格点放入哪个数据块中　计算。　根据上面的定义，在求任一平面点（ｉ，ｊ）的高程时，只　需要找出对该点高程有影响的所有节点，然后根据二维平面　拟合的内插算法即可求出点（ｉ，ｊ）的高程。在这里，我们就　以定义１，即影响域的方法来具体的说明求出点（ｉ，Ｊ）的高程　属性值的方法，对定义２也可以类似的求解。　２．３算法实现步骤　设有ｍ个离散点、ｎ个网格结点，划分１　ｗ个数据块，算　法描述如下：　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｖａｌｕｅ。　注意：在网格化过程中，要特别注意需要计算出插值点　Ｉ　。翟釜爱　～　一　墨越薯曩鬻　霹嚣鬻强嚣翟　燃离数据块中心最近的数据块，此后我们把此插值点放入距离　最近的数据块中进行内插运算。　罄州　‘　Ｉ　　．　．一　一ｌ　疆　器　一　３三维可视化　一　…　豳　电磁资料三维可视化我们使用的工具是、ｆＣ＋＋和ＯｐｅｎＧＬ　群　一　结合　，作为图形硬件的软件接口，ＯｐｅｎＧＬ最主要的工作就　－　；　是将二维及三维物体描绘到帧缓存［６１。在构网时，将ｖａｌｕ。　……●…●、　、　●　’｝　幽…　●　’ｍ　’……　值也参与构网，设计像素格式、选择视点以及投影模式、选　定光源等各项处理，同时进行光照渲染以达到三维可视化的　图一二维平面时矩形网格剖分　目的。本文还实现了对渲染后的三维图形的旋转、缩放、平　移，进而可以很好地为模型的后期应用开辟更广阔的空间。　该算法在实现中采用的是奔ＩＩＩ／ｓ４ｏ平台及Ｗｉｎｄｏｗ　２０００　ＸＰ　操作系统，开发工具为ｌｉｓｕａｌ　ｃ＋＋６．０及ＯｐｅｎＧＬ库。　参考文献　［１］唐泽圣．三维数据场可视化［圳．北京：清华大学出　版社，１９９９．　［２］徐青．地形三维可视化技术［、ｉＪ．北京测绘出版社，　２０００　［３］Ｆｒａｎｋｅ　Ｒ．ａｎｄ　Ｎｉｅｌｓｏｎ　Ｇ…Ｓｍｏｏｔｈ　ｉｎｔｅｒＤｏｌａ—　图二ＯｐｅｎＧＬ环境下的三维地形填充模式　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｓｅｔｓ　ｏｆ　ｓｃａｔｔｅｒｅｄ　ｄａｔａ．　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｆｏｒ网格结点ｇｒｉｄｐｏｉｎｔｓ　Ｊｏｕｒｎａｌ‘ｆｏｒ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８０，　｛计算适宜的动态影响域０（Ｐ）　１５：１６９１－Ｉ７０４．　ｒｅｃｔｔｏｐ。ｒｅｃｔｂｏｔｔｏｍ；　［４］Ｓｈｅｐａｒｄ　Ｄ．．　Ａ　Ｔｗｏ　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ＩｎｔｅｒＤｏｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ离散点ｔｏｔａｌｐｏｉｎｔｓ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｉｒｒｅｇｕｌａｒｌｙ　Ｓｐａｃｅｄ　Ｄａｔａ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　｛计算并保存网格结点所在数据块内各离散点与网格　Ｇｒ－ｄ构建算法研究及ＯＤｅ　０广下三维可视化　ＡＣＭ　２３ｒｄ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９６８．　结点的距离　’　［５］Ｋａｕｆｍａｎ．　Ａ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｆｏｒ　３Ｄ　ｓｃａｎ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ＝（ＧｒｉｄＮｏｄｅ．ｘ—ＳｃａｐｅＰｏｉｎｔ．ｘ）　（ＧｒｉｄＮｏｄｅ．Ｙ—　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｐｏｌｙｇｏｎｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ，１９８８，１２（２）：　ＳｃａｐｅＰｏｉｎｔ．ｙ）；　３７７　３９０．　累计各离散点高程与其对应距离比率及各离散点距离倒数　［６］廖朵朵，张华军．ＯｐｅｎＧＬ三维图形程序设计［、ｉＪ．北　ｓｕｍｌ　ｓｕｍｌ＋１／ｄｉｓｔａｎｃｅ；　京：星球地图出版社，１９９６．　ｓｕｍ２　ｓｕｍ２＋ＳｃａｐｅＰｏｉｎｔ．ｖａｌｕｅ／ｄｉｓｔａｎｃｅ；）　得出此网格结点高程ＧｒｉｄＮｏｄｅ．ｖａｌｕｅ：ｓｕｍ２／ｓｕｍｌ；　作者简介　重复以上步骤直到计算出所有网格结点高程ＧｒｉｄＮｏｄ。．　苏幸（１９７８一），女，硕士生，主要研究方向：ＧＭＳ三维　可视化。