三维可视化技术的多种类型

可视化是将不可见的事物转化为可见图像的过程。三维可视化就是将最终的图像以三维的方式显示出来。“三维”是一个数学概念，它表示我们生活的空间可以用三个数来描述，假设存在一个直角坐标系的话，那么用X,Y,Z坐标就能确定任意点的位置。

三维可视化是三维地理信息系统的一项基本功能。在建立、维护和使用三维GIS系统的各个阶段，不论三维对象的输入、编辑、存储、管理，还是对它们进行操作分析或是输出结果，都存在三维对象的可视表达问题。为了将客观世界尽量真实地再现，三维可视化需遵守五条基本原则，即代表性（representative）、精确性（accurate）、可信度（belief）、清晰度（clear）和无偏见性（broad-gauge）；在此基础上，邱茂林提出了抽象性、代表性、真实性、正确性、时间性的原则。

目前三维可视化技术主要包括计算机透视图法、计算机影像编修法、计算机绘图及3D模型、计算机模型及影像合成、录像仿真法与虚拟现实等。

三维数据采集技术的飞速发展为精确描述几何对象提供了海量数据，如何实现这些海量数据的裁剪截取、快速显示、实时漫游等仍有待解决。人们往往认为，可以利用高档计算机来处理、存储复杂的模型，如使用计算速度快、存储容量大、图形功能强的图形工作站等。虽然这是有效的方法，但不能完全解决问题。首先，随着应用需求的发展，模型复杂程度的增长几乎是无限的。机器的性能提高了，模型的复杂程度也在增加。其次，高档计算机需要大量的投资，非一般用户所能承受。特别是虚拟现实技术及交互式可视化的出现，对复杂模型的实时动态显示提出了更为迫切的要求。因此，在利用性能比较高的计算机的同时，人们提出了多种技术和算法，力求更有效率地解决复杂模型的处理、存储、传输和绘制问题。其中，复杂模型的简化和多分辨率表示是最有效的方法之一。

计算机图形学中的模型一般是由多面体表示的。模型简化指的是采用适当的算法减少该模型的面片数、边数和顶点数。模型的多分辨率表示则是指对于同一模型，存在着由简到繁、由粗到精的几种表示。模型的面片数减少以后，其表示精度必然下降。但是，在多种情况下，对应用并无影响。例如，当模型距图像平面很远时，其在图像平面上的投影必然很小，只有几个像素。那么，无论模型精确到何种程度，其细节都不可能在屏幕上显示出来。因此，用简化的、比较粗糙的模型表示就可以了，这样大大减少了存储容量、提高计算速度。当一个模型存在着多种分辨率表示时，可以根据不同要求选用不同分辨率的模型。具体地说，应根据模型在屏幕上覆盖像素的多少选择相应的层次。对近物体作绘制时，使用较精细的模型，对远物体则使用较粗糙的模型。其目的就是在保证对原模型的图像有良好的形状逼近的前提下，尽量减少用于表示该模型的多边形数目。

现有的模型简化方法可以按不同方式分为多种类型：

1.保持拓扑结构和不保持拓扑结构

现有的大多数模型简化方法具有保持拓扑结构不变的性质，如H.Hoppe提出的渐近网格(PM)法，A.D.Kalvin等人提出的超面方法等。J.Rossignac等人提出的不保持拓扑结构的模型简化方法也具有较强的实用价值。

2.逐步求精和几何简化

逐步求精方法从对原模型的最粗略的近似开始，不断地加入一些原模型上被认为是重要特征的顶点，并重新进行局部三角化，直到近似模型达到用户满意的精度为止。

几何简化方法则与之相反。其基本过程是：从原始的复杂模型开始，利用几何方法将可以被认为是共面的三角形面片合并形成一个更大的面，删去内部点，使得模型的顶点数减少。同时，将被合并的面的边界上被认为共线的点删去，从而进一步减少点数。几何简化法可以根据被删除的基本单元不同，分为点删除、边删除和三角形删除等方法。

3.误差受限和不受限

构成模型的多边形或三角形面片数减少以后，简化模型的精度必然降低。如果对模型简化后相对于原始模型的误差给以限制，则称为误差受限的模型简化方法，如超面方法等。否则，称为误差不受限的模型简化方法。在误差不受限的模型简化方法中，按照一定的准则，优先删除对模型的图像影响最小的点、边或三角形，并可重复进行，直到简化到用户所规定的三角面片数或一定的百分比为止。

4.静态和动态

模型简化的静态方法是指在复杂模型的绘制前，将其简化为几种不同分辨率的近似模型，而在实时绘制时，根据视点参数选择合适的分辨率的模型进行绘制。早期提出的模型简化方法大多属于这类。这种方法主要有两个缺点：一是占用较多的内存资源。当模型的复杂程度很高时，所需的内存本已较大，多个不同分辨率的模型的存在更加重了内存的负担；二是在绘制过程中，当不同分辨率的模型之间进行切换时，由于相邻两层模型之间的面片数差别较大，因而会引起视觉上的跳跃感。

为了克服上述缺点，动态方法越来越受到关注。其基本思想是在模型的绘制过程中，实时地得到具有所需要的分辨率的近似模型。一般是通过简单的局部几何变换来实现边删除或边恢复操作，从而生成具有连续的不同分辨率的近似模型。

5.与观察方向无关和与观察方向有关

大多数的模型简化方法都侧重于根据模型的结构在物体空间进行模型简化，所用到的来自图像空间的反馈信息很少，只有模型与图像平面的距离大小以及图像在屏幕上的面积等，模型的简化和使用是与观察方向无关的。与观察方向有关的简化方法可以满足观察者对感兴趣的部分进行细微观察，允许实时地在同一模型的不同区域选择不同的精度层次，而且使得不同区域的不同精度层次之间无缝连接。

作为模型简化的一种重要方法，LOD技术(LevelofDetail) 在提高场景显示速度、实现实时交互方面应用广泛，其原理就是对相同的景物制作出不同精细程度的版本，当用户离景物近时，显示精细版本；离远时，显示粗糙版本。LOD模型改变了传统的“图像质量越精细越好”的片面观点，依据视线的主方向、视线在景物表面的停留时间、景物离视点的远近以及景物在画面上投影区域的大小等因素来决定景物应选择的细节层次，已达到实时显示图形的目的。LOD模型可分为三类：不连续的LOD模型、连续的LOD模型和几何结构自身的LOD模型。第一类存储原始模型的多个副本，分别对应特定的分辨率。此类模型的优点是运行速度快，但由于存储多个副本，须占用较多的存储空间，同时由于模型的不连续性，显示时会产生视觉上的跳动。第二类是在运行时根据需要采用特定算法实时生成对应某一分辨率的模型。此类模型可以保证视觉上的连续性，但在算法设计上通常比较复杂。第三类模型本身是多分辨率的结构，模型的不同部件之间通过结点相连，在实际操作过程中根据不同部件间结点判断该部件是否需要被操作。此类模型结构简单，操作方便，适于表达复杂的不连续对象。

LOD模型的构造算法是目前人们研究的主要焦点，众多学者开展了广泛的研究工作。Schroeder提出了基于顶点杀死的模型简化方法，该方法首先利用各顶点的局部几何和拓扑信息将其分类，然后根据不同顶点的评判标准决定该顶点是否可以删除；如果可以删除，则采用递归环分割法对删除顶点后留下的空洞进行三角剖分。J.Rossignac提出一种多分辨率近似法自动生成物体的简化模型，首先分别给各顶点赋给一个权值，以物体特征变化大的点权值大为原则；再根据模型的复杂程度将物体所占空间划分为立方体单元，对同一单元中的顶点以各顶点的权值计算该单元的代表点；然后依据原模型中各多边形顶点的代表点是否为同一代表点合并多边形。A.D.Kalvin提出了利用面片合并方法自动生成物体的简化模型，首先以原模型中的任一多边形作为种子面片；然后按一组合条件不断合并种子面片周围的面片，直到周围面片不再满足合并条件。H.Hoppe提出采用能量函数最优化的网格简化方法，并提出了渐进网格的生成方法。