基于虚幻引擎的倾斜摄影模型快速可视化技术研究

作     者：霍煜昊 

作者单位：国防科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李军;贾庆仁

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0818[工学-地质资源与地质工程] 081602[工学-摄影测量与遥感] 0816[工学-测绘科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：倾斜摄影测量模型 3D GIS 游戏引擎 数据组织 数据动态加载调度 内存管理 

摘      要：倾斜摄影模型作为最主要的城市三维空间数据来源,在数字孪生城市建设中发挥着空间数据底板的作用。已经有许多研究基于web端的三维GIS平台对倾斜摄影模型进行快速可视化,但随着倾斜摄影模型的精细度和数据量的不断增加,现有三维平台逐渐难以满足大范围、高保真的倾斜摄影模型可视化需求。游戏行业对三维场景的渲染既追求流畅性,也强调真实感,其特点与数字孪生城市的要求相匹配。因此,为提高三维GIS平台的渲染效果,可以将GIS中三维数据管理技术和游戏引擎的三维渲染能力结合,基于游戏引擎实现真实三维场景的构建。地理信息系统研究人员已经从数据组织,场景调度和加载方法以及内存管理等方面进行研究来实现大规模的倾斜摄影模型场景可视化,但针对游戏引擎平台仍存在一些问题,例如,1)基于现有区域分块的金字塔模型,对模型中的多个瓦片四叉树进行组织与可视化时,在大范围场景下存在节点索引效率低的问题;2)可视化时瓦片的选择调度参数依赖于瓦片节点的几何范围,因此不能用于加载不同区域划分的瓦片四叉树;3)在实时可视化过程中,当可视化范围快速改变时,未加载完成的任务中可能存在跨层父子节点,即同一瓦片树内不同层级、不同精细度的、存在“祖先-后代关系的瓦片节点,这些节点加载任务占用了过多的GPU渲染时间。且加载完成后,内存中会存在跨层父子节点,造成了内存浪费。针对上述问题,本文对基于虚幻引擎的倾斜摄影模型快速可视化技术展开具体研究,主要工作如下:1.为解决数据组织的问题,本文提出了一种基于虚拟重构四叉树的数据组织方法,将可视化场景内所有场景树合并,并按照四叉树结构向上重构虚拟节点,实现了对大规模倾斜摄影模型的统一组织与索引,加快了瓦片的索引速度。2.为解决调度方法不准确的问题,提出了一种基于单位像素的三角形网格面积来衡量瓦片精度的算法,并实现不依赖瓦片节点几何划分的倾斜摄影模型的统一数据调度方法,解决了在地理划分不同时无法正确加载瓦片的问题。3.为解决加载和内存管理的问题,本文提出了一种基于二进制的四叉树编码方法,以及一种用于快速计算瓦片节点之间的父子关系的二进制位运算方法。在此基础上,本文提出了一种基于父子关系的异步加载和内存管理策略,提高了实时可视化速度,并减少了可视化过程中的内存占用量。为了说明本文提出方法的有效性,我们基于虚幻引擎实现了大尺度倾斜摄影测量模型的可视化平台,并在固定漫游路径的前提下进行了三组对比实验,其中三组实验的结果表明,本文提出的方法可以加快瓦片节点的索引速度,同时能够显著提高可视化过程中的瓦片加载速度,并减少了内存的占用量。