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1 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

2 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 李 俊 山 王 蕊 李 建 军 著 北 京

3 内 容 简 介 本 书 从 着 重 于 达 到 非 常 逼 真 的 三 维 仿 真 效 果 和 更 侧 重 于 视 觉 和 听 觉 的 身 临 其 境 的 三 维 视 景 仿 真 技 术 的 内 涵 出 发, 以 三 维 视 景 仿 真 中 的 可 视 化 建 模 技 术 为 重 点, 系 统 阐 述 了 三 维 仿 真 模 型 处 理 中 的 配 准 曲 面 重 建 孔 洞 修 复 模 型 简 化, 以 及 巡 航 飞 行 地 形 跟 随 中 的 大 范 围 仿 真 场 景 简 化 可 见 性 数 据 调 度 和 纹 理 影 射 方 面 的 理 论 技 术 和 方 法 本 书 内 容 理 论 与 实 践 紧 密 结 合, 针 对 性 与 系 统 性 较 强, 在 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 的 理 论 技 术 和 方 法 及 应 用 技 术 方 面 具 有 典 型 的 代 表 性 本 书 可 供 计 算 机 科 学 与 技 术 信 号 与 信 息 处 理 通 信 与 信 息 系 统 控 制 科 学 与 工 程 摄 影 测 量 与 遥 感 空 间 信 息 科 学 与 技 术 等 学 科 中 从 事 计 算 机 视 景 仿 真 虚 拟 现 实 图 形 图 像 生 成 遥 感 信 息 处 理 和 数 字 地 球 等 技 术 方 面 的 研 究 人 员 和 工 程 技 术 人 员 参 考, 也 可 作 为 高 等 院 校 相 关 专 业 研 究 生 和 高 年 级 本 科 生 的 学 习 参 考 书 图 书 在 版 编 目 (CIP) 数 据 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 / 李 俊 山, 王 蕊, 李 建 军 著. 北 京 : 科 学 出 版 社, 2011 ISBN 978 唱 7 唱 03 唱 唱 3 Ⅰ 畅 1 三 Ⅱ 畅 1 李 2 王 3 李 Ⅲ 畅 1 视 景 模 拟 计 算 机 仿 真 Ⅳ 畅 1 TB24 唱 39 中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2011) 第 号 责 任 编 辑 : 鞠 丽 娜 / 责 任 校 对 : 柏 连 海 责 任 印 制 : 吕 春 珉 / 封 面 设 计 : 三 函 设 计 出 版 北 京 东 黄 城 根 北 街 16 号 邮 政 编 码 : http :// w w w.sciencep.co m 中 国 科 学 院 印 刷 厂 印 刷 科 学 出 版 社 发 行 各 地 新 华 书 店 经 销 倡 2011 年 2 月 第 一 版 2011 年 2 月 第 一 次 印 刷 印 数 : 开 本 : B5 ( ) 印 张 : 11 3/4 插 页 : 1 字 数 : 定 价 : 38 畅 00 元 ( 如 有 印 装 质 量 问 题, 我 社 负 责 调 换 枙 科 印 枛 ) 销 售 部 电 话 010 唱 编 辑 部 电 话 010 唱 唱 8002 版 权 所 有, 侵 权 必 究 举 报 电 话 : 010 唱 ; 010 唱 ; 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

4 图 １ 美军红旗军事演习模拟系统 图 ２ 南方某地区重建地形 图 ３ 地形简化实验结果 图 ４ 增量地平线的生成 图 ５ 网格的分割方法

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6 前 言 随 着 计 算 机 技 术 摄 影 测 量 与 遥 感 技 术 卫 星 技 术 和 现 代 电 子 技 术 的 迅 猛 发 展, 现 代 测 量 信 息 获 取 和 信 息 处 理 等 技 术 及 手 段 发 生 了 革 命 性 的 变 革 和 功 能 与 性 能 上 的 极 大 提 升, 使 得 获 取 各 种 高 精 度 三 维 视 景 数 据 高 分 辨 率 数 字 几 何 高 程 数 据 以 及 影 像 纹 理 数 据 等 成 为 可 能 ; 伴 随 着 计 算 机 图 形 学 图 像 处 理 计 算 机 视 觉 可 视 化 等 技 术 的 进 步, 为 三 维 视 景 的 图 形 学 表 示 图 像 表 示 结 构 信 息 表 示 体 视 特 征 表 示, 以 及 视 景 三 维 建 模 等 提 供 了 新 的 解 决 方 案 ; 同 时, 由 于 计 算 机 仿 真 高 性 能 计 算 处 理 图 形 图 像 生 成 信 息 合 成 和 三 维 显 示 等 技 术 的 飞 速 发 展, 为 建 立 非 常 逼 真 的 三 维 仿 真 效 果 重 建 逼 真 的 大 范 围 三 维 场 景 构 建 基 于 可 计 算 信 息 的 视 觉 与 听 觉 的 实 时 互 动 和 身 临 其 境 的 三 维 交 互 环 境 提 供 了 技 术 支 持 和 条 件 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 已 经 成 为 当 前 的 热 点 课 题 和 应 用 最 为 广 泛 的 实 用 技 术 之 一, 并 在 军 事 演 练 城 市 规 划 建 筑 设 计 影 视 制 作 模 拟 驾 驶 大 型 工 程 漫 游 名 胜 古 迹 虚 拟 旅 游 武 器 研 制 模 拟 训 练 以 及 交 互 式 娱 乐 仿 真 等 领 域 得 到 了 十 分 广 泛 的 应 用, 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 是 虚 拟 现 实 的 重 要 表 现 形 式, 虚 拟 现 实 是 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 的 延 伸 和 高 级 阶 段, 因 此 涉 及 众 多 的 技 术 领 域 和 交 叉 学 科 技 术 问 题 本 书 从 着 重 于 达 到 非 常 逼 真 的 三 维 仿 真 效 果 和 更 侧 重 于 视 觉 和 听 觉 的 身 临 其 境 的 三 维 视 景 仿 真 技 术 内 涵 的 角 度, 主 要 研 究 和 探 讨 三 维 视 景 仿 真 中 的 可 视 化 建 模 关 键 技 术 本 书 共 分 为 3 篇 9 章 第 一 篇 ( 第 1 章 ) 介 绍 视 景 仿 真 的 概 念 三 维 视 景 仿 真 数 据 的 获 取 和 主 要 建 模 方 法, 并 构 成 了 后 续 各 篇 内 容 的 基 础 ; 第 二 篇 ( 第 2 ~ 5 章 ) 主 要 针 对 三 维 仿 真 实 体 模 型 的 可 视 化 问 题, 采 用 ICP 匹 配 迭 代 算 法 Delaunay 三 角 剖 分 算 法 螺 旋 增 量 算 法 基 于 径 向 基 函 数 的 曲 面 插 值 算 法 等 理 论 和 方 法, 对 三 维 仿 真 模 型 处 理 中 的 配 准 曲 面 重 建 孔 洞 修 复 模 型 简 化 等 问 题 进 行 了 系 统 研 究, 建 立 了 多 种 有 创 新 性 的 可 视 化 建 模 方 法, 对 于 推 进 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 和 虚 拟 现 实 技 术 的 发 展 与 进 步 具 有 重 要 的 参 考 和 应 用 价 值 ; 第 三 篇 ( 第 6 ~ 9 章 ) 以 国 防 应 用 中 的 巡 航 飞 行 地 形 跟 随 应 用 为 背 景, 主 要 采 用 大 范 围 三 维 场 景 实 时 仿 真 技 术 三 维 重 点 目 标 重 建 技 术 可 见 性 判 断 算 法 大 规 模 地 形 数 据 调 度 与 纹 理 映 射 技 术 等, 对 大 范 围 仿 真 场 景 的 简 化 可 见 性 数 据 调 度 与 纹 理 影 射 以 及 地 行 跟 随 等 技 术 进 行 了 系 统 研 究, 提 出 和 建 立 了 多 种 有 创 新 性 的 大 范 围 场 景 地 形 重 建 大 规 模 真 实 感 场 景 重 建 和 地 形 跟 随 算 法, 实 现 了 轨 迹 光

7 ii 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 滑 连 续 实 时 的 紧 密 地 形 跟 随, 保 障 了 飞 行 器 飞 行 的 安 全 性 全 书 内 容 在 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 的 理 论 技 术 和 方 法 及 应 用 技 术 方 面 具 有 典 型 的 代 表 性 本 书 内 容 是 作 者 承 担 的 有 关 装 备 可 视 化 和 国 防 项 目 研 究 成 果 的 总 结 在 本 书 内 容 的 研 究 和 撰 写 过 程 中, 参 考 和 引 用 了 一 些 文 献 中 的 观 点 和 素 材, 在 此 向 这 些 文 献 的 作 者 表 示 衷 心 的 感 谢 限 于 作 者 水 平, 书 中 难 免 存 在 不 妥 之 处, 敬 请 读 者 批 评 指 正 李 俊 山 2011 年 10 月 1 日 于 西 安 电 子 信 箱 : 163.com 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

8 目 录 第 一 篇 三 维 视 景 仿 真 及 可 视 化 建 模 第 1 章 概 述 3 1 畅 1 视 景 仿 真 3 1 畅 1 畅 1 视 景 仿 真 概 念 3 1 畅 1 畅 2 视 景 仿 真 技 术 的 发 展 动 态 4 1 畅 1 畅 3 视 景 仿 真 技 术 的 应 用 6 1 畅 2 常 用 的 三 维 视 景 仿 真 数 据 获 取 技 术 8 1 畅 2 畅 1 GPS 测 量 技 术 8 1 畅 2 畅 2 摄 影 测 量 技 术 11 1 畅 2 畅 3 激 光 扫 描 测 量 技 术 12 1 畅 2 畅 4 遥 感 技 术 14 1 畅 2 畅 5 应 用 地 球 物 理 技 术 16 1 畅 3 视 景 仿 真 数 据 可 视 化 建 模 关 键 技 术 17 1 畅 3 畅 1 点 云 配 准 技 术 17 1 畅 3 畅 2 曲 面 重 建 技 术 19 1 畅 3 畅 3 网 格 孔 洞 修 复 技 术 21 1 畅 3 畅 4 网 格 简 化 技 术 22 1 畅 3 畅 5 可 见 性 判 断 算 法 24 1 畅 3 畅 6 大 区 域 纹 理 映 射 技 术 25 第 二 篇 三 维 仿 真 实 体 模 型 的 可 视 化 建 模 技 术 第 2 章 散 乱 点 云 的 配 准 技 术 29 2 畅 1 点 云 的 局 部 配 准 策 略 29 2 畅 2 点 云 数 据 的 几 何 属 性 估 计 30 2 畅 2 畅 1 k 唱 邻 域 的 建 立 31 2 畅 2 畅 2 法 矢 量 估 算 32 2 畅 2 畅 3 曲 率 估 算 32 2 畅 3 基 于 几 何 特 征 的 点 云 局 部 配 准 算 法 34 2 畅 3 畅 1 提 取 配 准 点 34

9 iv 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 2 畅 3 畅 2 点 云 初 配 准 35 2 畅 3 畅 3 基 于 ICP 算 法 的 二 次 配 准 37 2 畅 3 畅 4 配 准 误 差 度 量 38 2 畅 3 畅 5 实 验 分 析 39 2 畅 4 点 云 的 全 局 配 准 策 略 42 2 畅 4 畅 1 视 角 分 组 42 2 畅 4 畅 2 构 造 局 部 最 优 点 43 2 畅 4 畅 3 全 局 配 准 算 法 45 2 畅 4 畅 4 实 验 分 析 45 第 3 章 散 乱 数 据 点 的 网 格 曲 面 重 建 技 术 48 3 畅 1 问 题 的 提 出 48 3 畅 2 相 关 技 术 49 3 畅 2 畅 1 Voronoi 图 与 Delaunay 三 角 剖 分 49 3 畅 2 畅 2 螺 旋 生 长 法 51 3 畅 3 曲 面 重 建 算 法 描 述 52 3 畅 3 畅 1 相 关 定 义 53 3 畅 3 畅 2 重 采 样 53 3 畅 3 畅 3 网 格 曲 面 重 建 56 3 畅 4 数 据 存 储 结 构 60 3 畅 5 基 于 重 采 样 的 混 合 曲 面 重 建 算 法 61 3 畅 6 实 验 分 析 61 3 畅 6 畅 1 重 采 样 61 3 畅 6 畅 2 网 格 曲 面 重 建 62 第 4 章 网 格 曲 面 中 的 孔 洞 修 复 技 术 65 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 4 畅 1 问 题 的 提 出 65 4 畅 2 预 处 理 66 4 畅 3 孔 洞 识 别 67 4 畅 3 畅 1 三 角 网 格 模 型 中 常 见 的 几 种 孔 洞 类 型 67 4 畅 3 畅 2 孔 洞 检 测 68 4 畅 4 多 类 型 孔 洞 总 体 修 复 方 法 69 4 畅 4 畅 1 基 本 思 想 69 4 畅 4 畅 2 常 用 的 插 值 函 数 70 4 畅 4 畅 3 建 立 基 于 径 向 基 函 数 的 局 部 曲 面 方 程 74 4 畅 4 畅 4 确 定 约 束 点 区 域 75 4 畅 4 畅 5 局 部 曲 面 采 样 77

10 目 录 v 4 畅 4 畅 6 孔 洞 区 域 的 三 角 剖 分 及 法 向 调 整 77 4 畅 4 畅 7 孔 洞 区 域 特 征 增 强 78 4 畅 5 不 同 类 型 的 孔 洞 修 复 80 4 畅 5 畅 1 一 般 孔 洞 的 修 复 80 4 畅 5 畅 2 岛 屿 孔 洞 的 修 复 80 4 畅 5 畅 3 非 封 闭 孔 洞 的 修 复 81 4 畅 6 实 验 分 析 83 第 5 章 三 角 网 格 模 型 简 化 技 术 87 5 畅 1 问 题 的 提 出 87 5 畅 2 基 于 SOF M 神 经 网 络 的 几 何 模 型 的 区 域 分 割 算 法 88 5 畅 2 畅 1 自 组 织 特 征 映 射 神 经 网 络 88 5 畅 2 畅 2 三 维 几 何 模 型 中 SOFM 相 关 参 数 的 确 定 89 5 畅 2 畅 3 算 法 实 现 过 程 91 5 畅 2 畅 4 过 分 割 区 域 聚 合 92 5 畅 3 基 于 区 域 分 割 的 三 维 模 型 边 折 叠 简 化 算 法 92 5 畅 3 畅 1 相 关 内 容 92 5 畅 3 畅 2 新 顶 点 位 置 97 5 畅 3 畅 3 边 的 折 叠 代 价 98 5 畅 3 畅 4 各 区 域 简 化 程 度 控 制 及 局 部 效 果 调 节 99 5 畅 4 基 于 区 域 分 割 的 三 维 几 何 模 型 简 化 算 法 畅 5 实 验 分 析 畅 5 畅 1 基 于 SOFM 神 经 网 络 进 行 区 域 分 割 的 实 验 验 证 畅 5 畅 2 与 自 适 应 区 域 生 长 算 法 的 对 比 实 验 畅 5 畅 3 基 于 区 域 分 割 的 简 化 算 法 的 实 验 验 证 畅 5 畅 4 算 法 执 行 时 间 与 形 变 误 差 比 较 算 法 执 行 时 间 及 形 变 误 差 比 较 105 第 三 篇 大 规 模 仿 真 场 景 可 视 化 建 模 技 术 第 6 章 大 范 围 场 景 简 化 方 法 畅 1 基 于 金 字 塔 结 构 的 地 形 绘 制 算 法 畅 1 畅 1 金 字 塔 分 层 结 构 畅 1 畅 2 基 于 金 字 塔 结 构 的 LOD 地 形 简 化 算 法 畅 1 畅 3 基 于 视 场 范 围 的 简 化 畅 1 畅 4 层 次 间 裂 缝 的 消 除 畅 1 畅 5 实 验 及 算 法 性 能 分 析 畅 2 基 于 混 合 数 据 结 构 的 简 化 算 法 116

11 vi 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 6 畅 2 畅 1 四 叉 树 结 构 地 形 数 据 表 示 畅 2 畅 2 基 于 四 叉 树 结 构 的 地 形 分 块 畅 2 畅 3 基 于 四 叉 树 的 TIN 网 格 生 成 算 法 畅 2 畅 4 数 据 结 构 设 计 畅 2 畅 5 实 验 结 果 分 析 123 第 7 章 大 规 模 复 杂 场 景 的 可 见 性 畅 1 可 见 性 计 算 方 法 分 析 畅 1 畅 1 可 见 性 问 题 面 临 的 难 点 畅 1 畅 2 常 用 算 法 分 析 畅 2 视 域 剔 除 与 背 向 面 剔 除 畅 2 畅 1 视 域 剔 除 算 法 畅 2 畅 2 背 向 面 剔 除 畅 3 基 于 特 征 的 遮 挡 剔 除 方 法 畅 3 畅 1 地 形 特 征 的 提 取 畅 3 畅 2 基 于 增 量 地 平 线 的 遮 挡 剔 除 算 法 畅 4 实 验 结 果 分 析 144 第 8 章 大 规 模 地 形 数 据 调 度 与 纹 理 映 射 技 术 畅 1 大 规 模 地 形 数 据 调 度 算 法 畅 1 畅 1 大 规 模 地 形 数 据 处 理 技 术 畅 1 畅 2 基 于 网 格 分 割 的 数 据 存 储 与 调 度 畅 2 基 于 四 叉 树 的 多 级 纹 理 映 射 技 术 畅 2 畅 1 多 分 辨 率 纹 理 映 射 的 主 要 方 法 畅 2 畅 2 基 于 四 叉 树 的 纹 理 表 示 畅 2 畅 3 多 分 辨 率 纹 理 计 算 158 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 8 畅 2 畅 4 纹 理 调 度 算 法 畅 3 实 验 结 果 分 析 164 第 9 章 巡 航 仿 真 系 统 及 其 地 形 跟 随 技 术 畅 1 巡 航 仿 真 系 统 组 成 及 功 能 畅 2 地 形 跟 随 技 术 畅 2 畅 1 地 形 跟 随 技 术 的 实 现 畅 2 畅 2 基 于 局 部 熵 的 地 形 高 程 数 据 处 理 畅 2 畅 3 快 速 曲 率 限 制 平 滑 算 法 畅 2 畅 4 实 验 结 果 分 析 171 参 考 文 献 173

12 第 一 篇 三 维 视 景 仿 真 及 可 视 化 建 模 视 景 仿 真 技 术 是 近 几 年 来 随 着 计 算 机 技 术 与 仿 真 理 论 的 发 展 而 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 学 科, 其 采 用 计 算 机 图 形 图 像 技 术, 根 据 仿 真 的 目 的, 构 造 仿 真 对 象 的 三 维 模 型, 并 在 真 实 的 环 境 中 达 到 逼 真 的 仿 真 效 果 由 于 视 景 仿 真 具 有 真 实 性 逼 真 性, 其 已 越 来 越 多 地 受 到 各 行 各 业 的 青 睐 本 篇 主 要 对 视 景 仿 真 的 定 义 特 点, 三 维 视 景 仿 真 数 据 的 获 取, 以 及 主 要 建 模 方 法 进 行 了 分 析 研 究, 内 容 由 视 景 仿 真 的 概 述 三 维 视 景 仿 真 数 据 的 获 取 方 法 及 视 景 仿 真 数 据 的 主 要 建 模 方 法 等 三 部 分 组 成 首 先, 给 出 了 视 景 仿 真 的 定 义 和 功 能, 并 介 绍 了 这 几 年 来 视 景 仿 真 技 术 在 国 内 外 的 研 究 动 态 接 着, 详 细 介 绍 了 三 维 视 景 仿 真 数 据 的 获 取 方 法, 为 有 效 地 进 行 数 据 的 可 视 化 建 模 研 究 奠 定 了 必 要 的 基 础 最 后, 对 仿 真 数 据 的 主 要 可 视 化 建 模 方 法 进 行 了 详 细 的 分 析 和 研 究, 为 进 一 步 解 决 可 视 化 建 模 中 存 在 的 问 题 提 供 了 必 要 的 铺 垫 总 体 来 说, 本 篇 内 容 是 本 书 后 续 各 篇 内 容 的 基 础

13 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

14 第 1 章 概 述 三 维 视 景 仿 真 技 术 是 以 计 算 机 仿 真 技 术 计 算 机 图 形 学 图 像 生 成 技 术 信 息 合 成 技 术 三 维 显 示 技 术 等 为 基 础 而 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 学 科 分 支, 其 目 的 是 通 过 视 景 的 图 形 学 表 示 图 像 表 示 结 构 信 息 和 体 视 特 征 表 示, 以 及 视 景 三 维 建 模 等, 构 造 仿 真 对 象 的 三 维 模 型 ; 通 过 视 景 的 实 时 生 成 等 再 现 真 实 的 环 境, 获 得 逼 真 的 三 维 仿 真 视 觉 效 果 ; 为 用 户 创 造 一 个 逼 真 实 时 互 动 的 三 维 交 互 环 境 三 维 视 景 仿 真 的 关 键 是 基 于 三 维 视 景 仿 真 数 据 的 可 视 化 建 模 技 术, 而 可 视 化 建 模 的 基 础 是 三 维 视 景 仿 真 数 据 获 取 1 畅 1 视 景 仿 真 1 畅 1 畅 1 视 景 仿 真 概 念 计 算 机 仿 真 又 称 全 数 字 仿 真, 是 根 据 相 似 原 理, 利 用 计 算 机 来 逼 真 模 仿 所 研 究 系 统 中 的 研 究 对 象, 将 研 究 对 象 进 行 数 学 描 述, 建 模 编 程, 并 且 在 计 算 机 中 运 行 实 现 视 景 仿 真 是 计 算 机 仿 真 的 重 要 分 支, 其 主 要 特 征 是 通 过 计 算 机 技 术 计 算 机 图 形 学 图 像 处 理 及 生 成 技 术 信 息 合 成 技 术 三 维 显 示 技 术 等 高 新 技 术 的 综 合 运 用, 着 重 于 达 到 非 常 逼 真 的 三 维 仿 真 效 果, 使 用 户 产 生 基 于 可 计 算 信 息 的 视 觉 与 听 觉 的 身 临 其 境 的 交 互 环 境, 以 及 沉 浸 于 等 同 真 实 环 境 的 感 受 与 体 验 视 景 仿 真 以 构 造 仿 真 对 象 的 三 维 模 型, 再 现 仿 真 对 象 的 真 实 环 境, 达 到 非 常 逼 真 的 仿 真 效 果 为 主 要 目 的, 其 实 现 思 路 主 要 分 为 视 景 仿 真 建 模 和 视 景 仿 真 驱 动 两 种 视 景 仿 真 建 模 主 要 包 括 模 型 设 计 与 实 现 场 景 构 造 与 生 成 纹 理 设 计 制 作 特 效 设 计 等, 主 要 要 求 是 构 造 出 逼 真 的 三 维 模 型 和 制 作 逼 真 的 纹 理 和 特 效 视 景 仿 真 驱 动 主 要 包 括 场 景 驱 动 模 型 调 度 处 理 分 布 交 互 实 时 大 场 景 处 理 等, 主 要 要 求 是 高 速 逼 真 地 再 现 仿 真 环 境, 实 时 地 响 应 交 互 操 作 等 目 前, 视 景 仿 真 作 为 计 算 机 技 术 中 最 为 前 沿 的 应 用 领 域 之 一, 已 经 广 泛 应 用 于 军 事 演 练 城 市 规 划 仿 真 大 型 工 程 漫 游 模 拟 驾 驶 名 胜 古 迹 虚 拟 旅 游 模 拟 训 练 以 及 交 互 式 娱 乐 仿 真 等 领 域 视 景 仿 真 是 虚 拟 现 实 (virtual reality, VR) 的 重 要 表 现 形 式, 使 用 了 很 多 的 虚 拟 现 实 技 术, 因 而 使 得 视 景 仿 真 主 要 呈 现 出 如 下 的 主 要 特 征 1) 多 感 知 性 (multi 唱 sensory) : 主 要 是 指 除 了 一 般 计 算 机 技 术 所 具 有 的 视 觉

15 4 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 感 知 之 外, 还 有 听 觉 感 知 力 觉 感 知 触 觉 感 知 运 动 感 知 2) 浸 没 感 (immersion) : 又 称 临 场 感, 指 用 户 感 到 作 为 主 角 存 在 于 模 拟 环 境 中 的 真 实 程 度 理 想 的 模 拟 环 境 应 该 使 用 户 难 以 分 辨 真 假, 使 用 户 全 身 心 地 投 入 到 计 算 机 创 建 的 三 维 虚 拟 环 境 中 该 环 境 中 的 一 切 看 上 去 是 真 的, 听 上 去 是 真 的, 动 起 来 是 真 的, 如 同 在 现 实 世 界 中 的 感 觉 一 样 3) 交 互 性 (interactivity) : 指 用 户 对 模 拟 环 境 内 物 体 的 可 操 作 程 度 和 从 环 境 得 到 反 馈 的 自 然 程 度 ( 包 括 实 时 性 ) 例 如, 用 户 可 以 用 手 去 直 接 抓 取 模 拟 环 境 中 虚 拟 的 物 体, 这 时 手 有 握 着 东 西 的 感 觉, 并 可 以 感 觉 物 体 的 重 量, 视 野 中 被 抓 的 物 体 也 能 立 刻 随 着 手 的 移 动 而 移 动 4) 构 想 性 (imagination) : 该 特 征 强 调 了 虚 拟 现 实 技 术 应 具 有 广 阔 的 想 象 空 间, 可 拓 宽 人 类 的 认 知 范 围, 不 仅 可 再 现 真 实 存 在 的 环 境, 也 可 以 任 意 构 想 客 观 不 存 在 甚 至 是 不 可 能 发 生 的 环 境 图 1 畅 1 是 视 景 仿 真 系 统 的 总 体 框 架 1 畅 1 畅 2 视 景 仿 真 技 术 的 发 展 动 态 图 1 畅 1 视 景 仿 真 系 统 总 体 框 架 随 着 各 项 技 术 的 发 展 和 计 算 机 图 形 功 能 的 增 强, 国 内 外 越 来 越 多 的 研 究 人 员 将 采 用 视 景 仿 真 技 术 来 探 索 自 然 的 奥 妙, 如 进 行 战 术 仿 真 模 拟 设 计 并 组 装 虚 拟 样 机 等 方 面 的 研 究 [1,2] 1 畅 国 外 视 景 仿 真 技 术 的 发 展 动 态 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 早 在 1983 年, 美 国 陆 军 司 令 部 和 美 国 国 防 部 高 级 项 目 研 究 计 划 局 (Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA) 就 开 始 资 助 仿 真 器 联 网 (simula 唱 tor net w orking, SIM NE T) 项 目 的 研 究 计 划, 其 目 标 是 开 发 一 个 主 要 提 供 步 兵 坦 克 驾 驶 员 作 战 模 拟 训 练 使 用 的 虚 拟 陆 战 战 场 环 境 截 至 1989 年, SIM NE T 已 建 成 了 分 布 于 美 国 和 德 国 的 11 个 基 地, 包 括 260 个 地 面 车 辆 仿 真 器 指 挥 中 心 和 数 据 处 理 设 备 的 综 合 作 战 仿 真 网 SIM NE T 的 体 系 结 构 和 协 议 已 发 展 成 了 IEEE 1278 标 准 的 DIS 协 议, 但 DIS 并 不 能 满 足 大 规 模 仿 真 的 需 求 1994 年, 美 国 DARPA 和 大 西 洋 司 令 部 联 合 资 助 了 战 争 综 合 演 练 场 (synthetic threat of

16 第 1 章 概 述 5 war, S T OW) 项 目, 目 标 是 建 立 大 规 模 分 布 式 虚 拟 战 场 环 境, 提 供 指 挥 和 参 谋 人 员 联 合 作 战 训 练 及 任 务 预 演 使 用, 并 于 1997 年 10 月 举 行 了 S T OW 97 联 合 演 练, 共 有 3700 多 个 参 演 实 体, 8000 多 个 参 演 对 象, 使 用 了 500km 750km 的 合 成 地 形 环 境 在 S T OW 项 目 体 系 结 构 和 协 议 基 础 上, 美 国 国 防 部 于 1996 年 9 月 正 式 颁 布 了 高 层 体 系 结 构 (high level architecture, H L A) 在 S T OW 的 基 础 上, 美 国 国 防 部 于 1997 年 开 始 资 助 支 持 多 兵 种 联 合 演 练 的 联 合 仿 真 系 统 (joint simulation system, JSIM S) 项 目, 目 的 是 为 各 兵 种 的 训 练 和 教 学 提 供 包 括 各 种 任 务 各 阶 段 的 逼 真 联 合 训 练 支 持, 并 于 2002 年 运 用 JSIM S 进 行 了 千 年 挑 战 2002 联 合 军 事 演 习, 被 认 为 是 美 军 历 史 上 规 模 最 大 的 联 合 军 事 演 习, 包 括 1 畅 5 万 个 目 标 600 个 作 战 平 台 及 400 种 弹 药, 可 产 生 约 6 万 个 仿 真 实 体 和 11 万 种 交 互 共 有 不 同 军 种 的 42 个 仿 真 系 统, 90 多 个 盟 员 集 成 为 一 个 大 规 模 复 杂 的 分 布 式 虚 拟 战 场 环 境 进 入 21 世 纪 以 来, 随 着 高 科 技 的 迅 猛 发 展 和 广 泛 应 用, 促 进 了 军 事 理 论 的 创 新 和 编 制 体 制 的 变 革, 推 动 了 武 器 装 备 的 发 展 和 作 战 方 式 的 演 变 在 阿 富 汗 战 争 打 响 之 前, 美 国 陆 军 装 备 司 令 部 出 资 10 亿 美 元 构 建 了 逼 真 的 阿 富 汗 虚 拟 战 场, 模 拟 了 从 沙 漠 到 丛 林 以 及 拥 挤 的 街 道 等 各 种 地 形, 并 通 过 人 工 智 能 的 方 法 设 计 塔 利 班 士 兵 供 参 战 人 员 模 拟 使 用 这 种 虚 拟 的 战 场 环 境 将 参 训 人 员 带 到 了 像 实 际 战 场 一 样 的 弥 漫 着 危 险 气 氛 的 环 境 中, 让 训 练 人 员 相 信 自 己 可 以 应 付 眼 前 的 一 切 ; 到 这 些 被 训 练 的 人 员 真 正 上 战 场 时, 他 们 就 已 成 了 熟 悉 战 场 环 境 的 老 兵 在 对 伊 拉 克 开 战 半 年 前, 美 军 就 构 建 了 巴 格 达 城 区 虚 拟 战 场, 将 所 有 的 建 筑 物 街 道 公 共 设 施 树 木 等 全 部 模 拟 出 来, 让 参 演 的 士 兵 如 身 临 其 境, 可 以 判 定 进 攻 方 向 威 胁 强 度 掩 蔽 位 置, 可 以 制 定 作 战 预 案, 进 行 战 斗 演 练 在 美 空 军 大 规 模 综 合 性 空 战 演 习 的 红 旗 年 度 演 习 中, 全 数 字 化 的 三 维 战 场 仿 真 系 统 场 景 运 用 真 实 空 中 作 战 陆 地 作 战 以 及 电 子 化 战 争 环 境 下 的 训 练 场 景, 最 大 限 度 地 再 现 了 战 争 场 景 及 部 队 的 作 战 能 力, 使 之 成 为 全 世 界 最 令 人 震 撼 最 高 水 平 的 综 合 性 虚 拟 仿 真 演 习 系 统 彩 色 图 片 1 ( 见 文 前 彩 色 图 片 ) 为 美 军 红 旗 军 事 演 习 中 的 三 维 场 景 演 示 图 英 国 近 年 研 制 成 功 的 近 战 环 境 城 市 战 模 拟 系 统 是 世 界 上 首 次 成 功 模 拟 城 区 环 境 的 作 战 模 拟 系 统, 此 系 统 可 模 拟 在 30km 2 的 区 域 内 进 行 连 级 规 模 作 战 对 抗 的 仿 真 环 境, 是 视 景 仿 真 技 术 在 城 区 军 事 行 动 中 的 典 型 实 例 荷 兰 海 牙 T NO 研 究 所 的 物 理 电 子 实 验 室 ( T NO 唱 PEL) 开 发 的 训 练 和 模 拟 系 统, 通 过 改 进 人 机 界 面 来 改 善 现 有 模 拟 系 统, 以 使 用 户 完 全 介 入 模 拟 环 境 德 国 在 视 景 仿 真 的 应 用 方 面 取 得 了 出 乎 意 料 的 成 果 在 改 造 传 统 产 业 方 面, 一 是 用 于 产 品 设 计 降 低 成 本, 避 免 新 产 品 开 发 的 风 险 ; 二 是 产 品 演 示, 吸 引 客 户 争 取 订 单 ; 三 是 用 于 培 训, 在 新 生 产 设 备 投 入 使 用 前 用 虚 拟 工 厂 来 提 高 工 人 的

17 6 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 操 作 水 平 2 畅 国 内 视 景 仿 真 技 术 的 发 展 动 态 和 一 些 发 达 国 家 相 比, 我 国 视 景 仿 真 技 术 还 有 一 定 的 差 距, 但 已 引 起 政 府 有 关 部 门 和 科 学 家 们 的 高 度 重 视 根 据 我 国 的 国 情, 制 订 了 开 展 视 景 仿 真 技 术 研 究 的 计 划 例 如, 十 五 及 十 一 五 规 划 国 家 自 然 科 学 基 金 委 国 家 高 科 技 研 究 发 展 计 划 等 都 把 VR 技 术 列 入 在 研 究 项 目 计 划 之 内 在 紧 跟 国 际 新 技 术 的 同 时, 国 内 一 些 重 点 院 校 科 研 院 所 和 部 队 研 究 单 位 已 积 极 投 入 到 这 一 领 域 的 研 究 [3,4] 工 作 中 北 京 航 空 航 天 大 学 计 算 机 系 也 是 国 内 最 早 进 行 VR 研 究 最 有 权 威 的 单 位 之 一, 其 虚 拟 实 现 与 可 视 化 新 技 术 研 究 室 集 成 了 分 布 式 虚 拟 环 境, 可 以 提 供 实 时 三 维 动 态 数 据 库 虚 拟 现 实 演 示 环 境 用 于 飞 行 员 训 练 的 虚 拟 现 实 系 统 虚 拟 现 实 应 用 系 统 的 开 发 平 台 等, 并 在 以 下 方 面 取 得 进 展 : 着 重 研 究 了 虚 拟 环 境 中 物 体 物 理 特 性 的 表 示 与 处 理 ; 在 虚 拟 现 实 中 的 视 觉 接 口 方 面 开 发 出 部 分 硬 件, 并 提 出 有 关 算 法 及 实 现 方 法 清 华 大 学 国 家 光 盘 工 程 研 究 中 心 所 作 的 布 达 拉 宫, 采 用 了 Quick Time 技 术, 实 现 大 全 景 VR 制 浙 江 大 学 CAD & CG 国 家 重 点 实 验 室 开 发 了 一 套 桌 面 型 虚 拟 建 筑 环 境 实 时 漫 游 系 统, 该 系 统 采 用 了 层 面 叠 加 的 绘 制 和 预 消 隐 技 术, 实 现 了 立 体 视 觉, 同 时 还 提 供 了 方 便 的 交 互 工 具, 使 整 个 系 统 的 实 时 性 和 画 面 的 真 实 感 都 达 到 了 较 高 的 水 平 另 外, 他 们 还 研 制 出 了 在 虚 拟 环 境 中 一 种 新 的 快 速 漫 游 算 法 和 一 种 递 进 网 格 的 快 速 生 成 算 法 哈 尔 滨 工 业 大 学 计 算 机 系 已 经 成 功 地 合 成 了 人 的 高 级 行 为 中 的 特 定 人 脸 图 像, 解 决 了 表 情 的 合 成 和 唇 动 合 成 技 术 问 题, 并 正 在 研 究 人 说 话 时 手 势 和 头 势 的 动 作 语 音 和 语 调 的 同 步 等 北 方 工 业 大 学 CAD 研 究 中 心 是 我 国 最 早 开 展 计 算 机 动 画 研 究 的 单 位 之 一, 关 于 VR 的 研 究 已 经 完 成 了 两 个 863 项 目, 完 成 了 体 现 动 画 的 自 动 生 成 部 分 算 法 与 合 成 软 件 处 理 另 外, 西 北 工 业 大 学 CAD/CA M 研 究 中 心 上 海 交 通 大 学 图 像 处 理 模 式 识 别 研 究 所, 长 沙 国 防 科 技 大 学 江 苏 科 技 大 学 安 徽 大 学 等 单 位 也 进 行 了 一 些 研 究 性 工 作 和 尝 试 1 畅 1 畅 3 视 景 仿 真 技 术 的 应 用 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 视 景 仿 真 技 术 应 用 非 常 广 泛, 目 前 已 在 军 事 演 练 教 育 训 练 设 计 规 划 产 品 建 模 大 型 工 程 漫 游 心 理 学 治 疗 及 艺 术 与 娱 乐 等 多 方 面 取 得 了 很 多 成 功 案 例

18 第 1 章 概 述 7 1 畅 军 事 领 域 视 景 仿 真 技 术 的 产 生 源 于 军 事 仿 真 需 求, 其 目 的 是 为 综 合 军 用 仿 真 系 统 提 供 大 规 模 分 布 式 的 虚 拟 战 场 环 境, 并 借 助 这 一 仿 真 的 综 合 作 战 环 境 来 完 成 对 作 战 人 员 的 训 练, 对 武 器 装 备 的 效 能 评 估, 以 及 对 作 战 方 案 的 验 证 和 演 练 发 达 国 家 十 分 重 视 作 战 建 模 与 仿 真 (M & S) 的 超 前 智 能 较 量, 并 将 其 作 为 国 防 建 设 和 军 事 改 革 重 大 决 策 过 程 中 必 不 可 少 的 环 节 美 国 已 将 发 展 合 成 仿 真 环 境 作 为 国 防 科 技 发 展 的 七 大 科 技 推 动 领 域 之 一, 其 基 础 技 术 之 一 就 是 视 景 仿 真, 模 拟 和 仿 真 技 术 已 被 列 为 关 键 技 术 之 一, 如 美 国 国 防 部 的 先 进 研 究 计 划 署 (ARRPA) 配 备 的 仿 真 网 络 (simnet), 即 近 战 战 术 训 练 器 (CC T R), 就 是 战 场 虚 拟 现 实 仿 真 应 用 中 的 一 种, 它 将 分 布 在 世 界 各 地 的 200 多 个 模 拟 舱 连 接 在 一 个 实 时 的 虚 拟 环 境 中 进 行 合 成 训 练 目 前, 已 经 连 接 了 50 多 个 地 区 的 1000 多 个 仿 真 器, 并 计 划 把 其 他 盟 国 的 兵 力 仿 真 系 统 聚 合 在 一 起, 提 供 诸 军 兵 种 联 合 的 综 合 虚 拟 战 场 英 国 近 年 研 制 成 功 的 近 战 环 境 城 市 战 模 拟 系 统 是 世 界 上 首 次 成 功 模 拟 城 区 环 境 的 作 战 模 拟 系 统, 此 系 统 可 模 拟 在 30km 2 的 区 域 内 进 行 连 级 规 模 作 战 对 抗 的 仿 真 环 境, 是 视 景 仿 真 技 术 在 城 区 军 事 行 动 中 的 典 型 实 例 2 畅 医 学 领 域 视 景 仿 真 技 术 在 医 学 领 域 可 以 用 于 教 学 及 复 杂 手 术 的 规 划, 并 且 可 以 提 供 操 作 和 对 手 术 结 果 进 行 预 测, 进 行 人 体 解 剖 仿 真 外 科 手 术 仿 真 等, 以 及 利 用 虚 拟 的 医 疗 手 术 治 疗 系 统 对 患 者 进 行 远 程 救 治 2003 年, 我 国 第 一 军 医 大 学 宣 布 完 成 了 首 例 女 虚 拟 人 的 数 据 采 集 首 都 医 科 大 学 对 虚 拟 中 国 女 性 数 据 集 的 高 分 辨 率 可 视 化 和 上 海 交 通 大 学 对 虚 拟 人 体 运 动 建 模 的 研 究 各 有 特 色 1985 年 美 国 国 立 医 学 图 书 馆 (N L M) 就 开 始 人 体 解 剖 图 像 数 字 化 研 究 和 利 用, 目 前 已 经 有 虚 拟 人 体 模 型 可 供 下 载 视 景 仿 真 技 术 可 以 遥 感 外 科 手 术, 在 偏 远 的 山 区, 通 过 远 程 的 医 疗 虚 拟 现 实 系 统, 医 生 只 需 要 对 虚 拟 病 人 模 型 进 行 手 术, 通 过 网 络 将 医 生 动 作 传 送 到 另 一 端 的 手 术 机 器 人, 由 机 器 人 对 病 人 实 施 远 程 手 术 手 术 实 时 进 展 的 情 况 也 可 以 通 过 机 器 人 摄 像 机 实 时 传 给 医 生 的 头 盔 立 体 显 示 器, 以 便 医 生 实 时 掌 握 手 术 情 况 3 畅 教 育 领 域 视 景 仿 真 技 术 应 用 于 教 育 是 教 育 发 展 的 一 个 飞 跃 它 使 传 统 的 以 教 促 学 的 学 习 方 式 被 取 而 代 之 为 学 习 者 通 过 自 身 与 信 息 环 境 的 相 互 作 用 来 得 到 知 识 国 内 利 用 视 景 仿 真 技 术 开 发 了 多 媒 体 教 学 软 件 例 如, 邹 湘 军 周 荣 安 等 人

19 8 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 开 发 的 机 械 制 造 工 程 学 多 媒 体 教 学 软 件, 效 果 逼 真 该 软 件 已 在 南 华 大 学 和 国 防 科 技 大 学 指 挥 专 业 的 教 学 中 使 用 利 用 仿 真 技 术 进 行 仿 真 教 学 和 实 验, 可 以 模 拟 显 现 那 些 在 现 实 中 存 在 但 在 课 堂 教 学 环 境 下 不 容 易 做 到 或 要 花 费 很 大 代 价 才 能 显 现 的 各 种 事 物, 供 学 生 学 习 和 探 索 美 国 一 个 虚 拟 物 理 实 验 室 系 统 的 设 计 就 使 得 学 生 可 以 通 过 亲 身 的 做 看 听 来 学 习 的 方 式 成 为 可 能 4 畅 工 程 领 域 视 景 仿 真 技 术 在 工 程 领 域 的 应 用 有 很 多 方 面, 如 城 市 建 设 机 械 制 造 等 在 机 械 制 造 中, 利 用 它 的 直 观 性 和 交 互 性 可 以 帮 助 设 计 人 员 进 行 产 品 的 设 计 和 制 造 虚 拟 现 实 技 术 在 我 国 工 业 产 品 开 发 中 也 有 非 常 广 泛 的 应 用, 如 严 隽 琪 教 授 开 发 的 虚 拟 产 品 开 发 技 术 的 理 论 体 系 研 究 孙 健 教 授 的 虚 拟 环 境 下 啤 酒 灌 装 生 产 线 的 研 究 等 均 取 得 了 一 定 的 成 果 在 现 代 城 市 建 设 中, 设 计 人 员 更 关 心 的 是 建 筑 的 整 体 设 计 效 果 利 用 虚 拟 现 实 技 术 在 设 计 阶 段 就 可 以 动 态 地 可 视 地 多 方 位 地 展 现 建 筑 物 的 外 貌 地 理 环 境 和 辅 助 设 施, 设 计 人 员 可 以 在 虚 拟 建 筑 物 中 漫 游 来 查 看 自 己 的 设 计 是 否 合 理 得 当 利 用 虚 拟 现 实 技 术, 日 本 开 发 了 虚 拟 东 京 古 罗 马 时 代 最 宏 伟 的 建 筑 T ra 唱 jan 广 场 ; 我 国 浙 江 大 学 开 发 了 虚 拟 故 宫 ; 武 汉 大 学 开 发 了 数 码 城 市 系 统 ; 这 些 都 是 虚 拟 现 实 技 术 的 应 用 1 畅 2 常 用 的 三 维 视 景 仿 真 数 据 获 取 技 术 有 效 地 获 取 仿 真 数 据 是 建 立 三 维 模 型 的 必 要 基 础, 目 前 常 用 的 数 据 获 取 技 术 主 要 有 GPS 测 量 技 术 摄 影 测 量 技 术 激 光 扫 描 测 量 技 术 遥 感 技 术 以 及 应 用 地 球 物 理 技 术 等 1 畅 2 畅 1 GPS 测 量 技 术 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 全 球 定 位 系 统 (global positioning system, GPS) 是 美 国 从 20 世 纪 70 年 代 开 始 研 制, 历 时 20 年 耗 资 200 亿 美 元, 于 1994 年 全 面 建 成 的 卫 星 导 航 定 位 系 统 作 为 新 一 代 的 卫 星 导 航 定 位 系 统 经 过 20 多 年 的 发 展, 已 成 为 在 航 空 航 天 军 事 交 通 运 输 资 源 勘 探 通 信 气 象 等 所 有 的 领 域 中 一 种 被 广 泛 采 用 的 系 统 我 国 测 绘 部 门 使 用 GPS 也 近 10 年 了, 它 最 初 主 要 用 于 高 精 度 大 地 测 量 和 控 制 测 量, 建 立 各 种 类 型 和 等 级 的 测 量 控 制 网, 现 在 它 除 了 继 续 在 这 些 领 域 发 挥 着 重 要 作 用 外 还 在 测 量 领 域 的 其 他 方 面 得 到 充 分 的 应 用, 如 用 于 各 种 类 型 的 工 程 测 量

20 第 1 章 概 述 9 变 形 观 测 航 空 摄 影 测 量 海 洋 测 量 和 地 理 信 息 系 统 中 地 理 数 据 的 采 集 等 GPS 以 测 量 精 度 高 ; 操 作 简 便, 仪 器 体 积 小, 便 于 携 带 ; 全 天 候 操 作 ; 观 测 点 之 间 无 须 通 视 ; 测 量 结 果 统 一 在 WGS84 坐 标 下, 信 息 自 动 接 收 存 储, 减 少 繁 琐 的 中 间 处 理 环 节 高 效 益 等 显 著 特 点, 赢 得 广 大 测 绘 工 作 者 的 信 赖 1 畅 GPS 系 统 的 组 成 一 个 完 整 的 GPS 系 统 包 括 三 大 部 分 : 空 间 部 分 GPS 卫 星 星 座 ; 地 面 控 制 部 分 地 面 监 控 系 统 ; 用 户 设 备 部 分 GPS 信 号 接 收 机 (1) GPS 卫 星 星 座 由 21 颗 工 作 卫 星 和 3 颗 在 轨 备 用 卫 星 组 成 GPS 卫 星 星 座, 记 作 (21 + 3) GPS 星 座 24 颗 卫 星 均 匀 分 布 在 6 个 轨 道 平 面 内, 轨 道 倾 角 为 55, 各 个 轨 道 平 面 之 间 相 距 60, 即 轨 道 的 升 交 点 赤 经 各 相 差 60 每 个 轨 道 平 面 内 各 颗 卫 星 之 间 的 升 交 角 距 相 差 90, 一 轨 道 平 面 上 的 卫 星 比 西 边 相 邻 轨 道 平 面 上 的 相 应 卫 星 超 前 30 在 2 万 km 高 空 的 GPS 卫 星, 当 地 球 对 恒 星 来 说 自 转 一 周 时, 它 们 绕 地 球 运 行 2 周, 即 绕 地 球 一 周 的 时 间 为 12 恒 星 时 这 样, 对 于 地 面 观 测 者 来 说, 每 天 将 提 前 4min 见 到 同 一 颗 GPS 卫 星 位 于 地 平 线 以 上 的 卫 星 颗 数 随 着 时 间 和 地 点 的 不 同 而 不 同, 最 少 可 见 到 4 颗, 最 多 可 见 到 11 颗 在 用 GPS 信 号 导 航 定 位 时, 为 了 结 算 测 站 的 三 维 坐 标, 必 须 观 测 4 颗 GPS 卫 星, 称 为 定 位 星 座 这 4 颗 卫 星 在 观 测 过 程 中 的 几 何 位 置 分 布 对 定 位 精 度 有 一 定 的 影 响 对 于 某 地 某 时, 甚 至 不 能 测 得 精 确 的 点 位 坐 标, 这 种 时 间 段 叫 做 间 隙 段 但 这 种 时 间 间 隙 段 是 很 短 暂 的, 并 不 影 响 全 球 绝 大 多 数 地 方 的 全 天 候 高 精 度 连 续 实 时 的 导 航 定 位 测 量 GPS 工 作 卫 星 的 编 号 和 试 验 卫 星 基 本 相 同 (2) 地 面 监 控 系 统 对 于 导 航 定 位 来 说, GPS 卫 星 是 一 动 态 已 知 点 星 的 位 置 是 依 据 卫 星 发 射 的 星 历 描 述 卫 星 运 动 及 其 轨 道 的 参 数 算 得 的 每 颗 GPS 卫 星 所 播 发 的 星 历 是 由 地 面 监 控 系 统 提 供 的 卫 星 上 的 各 种 设 备 是 否 正 常 工 作, 以 及 卫 星 是 否 一 直 沿 着 预 定 轨 道 运 行, 都 要 由 地 面 设 备 进 行 监 测 和 控 制 地 面 监 控 系 统 另 一 重 要 作 用 是 保 持 各 颗 卫 星 处 于 同 一 时 间 标 准 GPS 时 间 系 统 这 就 需 要 地 面 站 监 测 各 颗 卫 星 的 时 间, 求 出 钟 差, 然 后 由 地 面 注 入 站 发 给 卫 星, 卫 星 再 由 导 航 电 文 发 给 用 户 设 备 GPS 工 作 卫 星 的 地 面 监 控 系 统 包 括 1 个 主 控 站 3 个 注 入 站 和 5 个 监 测 站 (3) GPS 信 号 接 收 机 GPS 信 号 接 收 机 的 任 务 是 : 能 够 捕 获 到 按 一 定 卫 星 高 度 截 止 角 所 选 择 的 待 测 卫 星 的 信 号, 并 跟 踪 这 些 卫 星 的 运 行, 对 所 接 收 到 的 GPS 信 号 进 行 变 换 放

21 10 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 大 和 处 理, 以 便 测 量 出 GPS 信 号 从 卫 星 到 接 收 机 天 线 的 传 播 时 间, 解 译 出 GPS 卫 星 所 发 送 的 导 航 电 文, 实 时 地 计 算 出 测 站 的 三 维 位 置 三 维 速 度 和 时 间 GPS 卫 星 发 送 的 导 航 定 位 信 号 是 一 种 可 供 无 数 用 户 共 享 的 信 息 资 源 对 于 陆 地 海 洋 和 空 间 的 广 大 用 户, 只 要 用 户 拥 有 能 够 接 收 跟 踪 变 换 和 测 量 GPS 信 号 的 接 收 设 备, 即 GPS 信 号 接 收 机, 就 可 以 在 任 何 时 候 用 GPS 信 号 进 行 导 航 定 位 测 量 根 据 使 用 目 的 的 不 同, 用 户 要 求 的 GPS 信 号 接 收 机 也 各 有 差 异 目 前 世 界 上 已 有 几 十 家 工 厂 生 产 GPS 接 收 机, 产 品 也 有 几 百 种 这 些 产 品 可 以 按 照 原 理 用 途 功 能 等 来 分 类 2 畅 GPS 定 位 的 方 法 GPS 定 位 的 方 法 是 多 种 多 样 的, 用 户 可 以 根 据 用 途 采 用 不 同 的 定 位 方 法 GPS 定 位 方 法 可 依 据 不 同 的 分 类 标 准, 做 如 下 划 分 (1) 根 据 定 位 所 采 用 的 观 测 值 1) 伪 距 定 位 : 主 要 采 用 的 观 测 值 为 GPS 伪 距 观 测 值, 所 采 用 的 伪 距 观 测 值 既 可 以 是 C/A 码 伪 距, 也 可 以 是 P 码 伪 距 伪 距 定 位 的 优 点 是 数 据 处 理 简 单, 对 定 位 条 件 要 求 低, 不 存 在 整 周 模 糊 度 的 问 题, 可 以 非 常 容 易 地 实 现 实 时 定 位 ; 其 缺 点 是 观 测 值 精 度 低, C/A 码 伪 距 观 测 值 的 精 度 一 般 为 3m, 而 P 码 伪 距 观 测 值 的 精 度 一 般 也 在 0 畅 3m 左 右, 从 而 导 致 定 位 成 果 精 度 低 另 外, 若 采 用 精 度 较 高 的 P 码 伪 距 观 测 值, 还 存 在 AS 的 问 题 2) 载 波 相 位 定 位 : 该 定 位 方 法 所 采 用 的 观 测 值 为 GPS 的 载 波 相 位 观 测 值, 即 L1 L2 或 它 们 的 某 种 线 性 组 合 载 波 相 位 定 位 的 优 点 是 观 测 值 的 精 度 高, 一 般 优 于 2mm ; 其 缺 点 是 数 据 处 理 过 程 复 杂, 存 在 整 周 模 糊 度 的 问 题 (2) 根 据 定 位 的 模 式 1) 绝 对 定 位 : 又 称 为 单 点 定 位, 这 是 一 种 采 用 一 台 接 收 机 进 行 定 位 的 模 式, 它 所 确 定 的 是 接 收 机 天 线 的 绝 对 坐 标 这 种 定 位 模 式 的 特 点 是 作 业 方 式 简 单, 可 以 单 机 作 业 绝 对 定 位 一 般 用 于 导 航 和 精 度 要 求 不 高 的 应 用 中 2) 相 对 定 位 : 又 称 差 分 定 位, 主 要 采 用 两 台 以 上 的 接 收 机, 同 时 对 一 组 相 同 的 卫 星 进 行 观 测, 以 确 定 接 收 机 天 线 间 的 相 互 位 置 关 系 的 位 置 (3) 根 据 获 取 定 位 结 果 的 时 间 1) 实 时 定 位 : 主 要 根 据 接 收 机 观 测 到 的 数 据, 实 时 解 算 出 接 收 机 天 线 所 在 2) 非 实 时 定 位 : 又 称 后 处 理 定 位, 它 是 通 过 对 接 收 机 接 收 到 的 数 据 进 行 后 处 理 以 进 行 定 位 的 方 法 (4) 根 据 定 位 时 接 收 机 的 运 动 状 态 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 1) 动 态 定 位 : 是 在 进 行 GPS 定 位 时, 认 为 接 收 机 的 天 线 在 整 个 观 测 过 程 中

22 第 1 章 概 述 11 的 位 置 是 变 化 的 也 就 是 说, 在 数 据 处 理 时, 将 接 收 机 天 线 的 位 置 作 为 一 个 随 时 间 的 改 变 而 改 变 的 量 动 态 定 位 又 分 为 Kinematic 和 Dynamic 两 类 2) 静 态 定 位 : 就 是 在 进 行 GPS 定 位 时, 认 为 接 收 机 的 天 线 在 整 个 观 测 过 程 中 的 位 置 是 保 持 不 变 的 也 就 是 说, 在 数 据 处 理 时, 将 接 收 机 天 线 的 位 置 作 为 一 个 不 随 时 间 的 改 变 而 改 变 的 量 在 测 量 中, 静 态 定 位 一 般 用 于 高 精 度 的 测 量 定 位, 视 其 具 体 观 测 模 式 多 台 接 收 机 在 不 同 的 测 站 上 进 行 静 止 同 步 观 测, 时 间 由 几 分 钟 几 小 时 甚 至 数 十 小 时 不 等 1 畅 2 畅 2 摄 影 测 量 技 术 摄 影 测 量 技 术 是 利 用 高 精 度 的 照 相 机 和 快 速 图 像 处 理 器 对 被 测 物 体 实 时 拍 照 分 析, 并 基 于 多 日 视 觉 的 空 间 交 会 原 理 计 算 出 被 测 物 体 的 位 置 姿 态 及 形 状 该 技 术 应 用 了 计 算 机 技 术 数 字 图 像 处 理 影 像 匹 配 模 式 识 别 等 学 科 的 理 论 和 方 法, 自 动 化 程 度 很 高, 操 作 简 便 测 量 效 率 高, 而 且 由 于 照 相 机 和 计 算 机 图 像 处 理 速 度 快, 大 大 减 少 了 外 场 作 业 的 劳 动 强 度 摄 影 测 量 与 遥 感 是 从 摄 影 影 像 和 其 他 非 接 触 传 感 器 系 统 获 取 所 研 究 物 体, 主 要 是 地 球 及 其 环 境 的 可 靠 信 息, 并 对 其 进 行 记 录 量 测 分 析 和 应 用 表 达 的 科 学 和 技 术 随 着 摄 影 测 量 发 展 到 数 字 摄 影 测 量 阶 段 及 多 传 感 器 多 分 辨 率 多 光 谱 多 时 段 遥 感 影 像 与 空 间 科 学 电 子 科 学 地 球 科 学 计 算 机 科 学 以 及 其 他 边 缘 学 科 的 交 叉 渗 透 相 互 融 合, 摄 影 测 量 与 遥 感 已 逐 渐 发 展 成 为 一 门 新 型 的 地 球 空 间 信 息 科 学 由 于 它 的 科 学 性 技 术 性 应 用 性 服 务 性 以 及 所 涉 及 的 广 泛 科 学 技 术 领 域, 其 应 用 已 深 入 到 经 济 建 设 社 会 发 展 国 家 安 全 和 人 民 生 活 等 各 个 方 面 摄 影 测 量 从 产 生 到 现 在, 主 要 经 历 了 模 拟 摄 影 测 量 解 析 摄 影 测 量 和 数 字 摄 影 测 量 三 个 阶 段 1 畅 模 拟 摄 影 测 量 模 拟 摄 影 测 量, 即 利 用 几 何 反 转 的 特 性, 设 法 把 航 摄 时 获 得 的 无 数 对 同 名 点 的 两 张 相 邻 相 片, 保 持 航 摄 瞬 间 的 相 对 状 态 来 进 行 投 影, 此 时 各 同 名 点 的 摄 影 光 线 必 然 仍 成 对 相 交 于 地 面 某 相 应 的 地 物 点 上 利 用 这 一 原 理, 德 国 前 苏 联 瑞 士 等 国 先 后 制 成 了 多 倍 投 影 测 图 仪 立 体 量 测 仪 精 密 立 体 测 图 仪 A8 A10 B8 D2 CIIP 等 由 于 这 些 仪 器 均 采 用 光 学 投 影 器 机 械 投 影 器 或 光 学 机 械 投 影 器 来 模 拟 摄 影 过 程, 所 以 我 们 称 之 为 模 拟 摄 影 测 量 仪 器 这 一 发 展 时 期 也 就 称 为 模 拟 摄 影 测 量 时 代 至 20 世 纪 70 年 代 这 种 类 型 的 仪 器 已 发 展 到 了 顶 峰 2 畅 解 析 摄 影 测 量 电 子 计 算 机 和 计 算 技 术 的 发 展 开 辟 了 解 析 摄 影 测 量 的 新 纪 元 1957 年 美 国

23 12 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 人 海 拉 瓦 提 出 了 摄 影 测 录 的 新 概 念, 就 是 用 数 字 投 影 来 代 替 光 学 的 机 械 的 或 光 学 机 械 的 模 拟 投 影 所 谓 数 字 投 影, 就 是 利 用 计 算 机 实 时 进 行 共 线 方 程 的 计 算, 从 而 交 会 被 摄 物 体 的 空 间 位 置 解 析 测 图 与 模 拟 测 图 的 主 要 区 别 在 于 : 前 者 使 用 数 字 投 影 方 式, 后 者 使 用 模 拟 投 影 方 式 ; 前 者 为 由 计 算 机 控 制 的 坐 标 测 量 系 统, 后 者 使 用 纯 光 学 的 机 械 的 或 光 学 机 械 的 模 拟 测 图 装 置 ; 前 者 是 计 算 机 辅 助 的 人 工 操 作, 后 者 是 完 全 的 手 工 操 作 3 畅 数 字 摄 影 测 量 1996 年, 在 维 也 纳 ISPRS 大 会 上 展 出 了 众 多 的 数 字 摄 影 测 量 系 统, 它 表 明 数 字 摄 影 测 量 已 经 步 入 实 用 阶 段 所 谓 数 字 摄 影 测 量, 就 是 以 数 字 影 像 为 基 础, 用 电 子 计 算 机 进 行 分 析 和 处 理, 确 定 被 摄 物 体 的 形 状 大 小 和 空 间 位 置 及 其 性 质 的 技 术 数 字 摄 影 测 量 与 模 拟 解 析 摄 影 测 量 的 区 别 在 于 : 它 处 理 的 原 始 信 息 不 仅 可 以 是 相 片, 也 可 以 是 数 字 化 影 像 同 时, 影 像 匹 配 技 术 代 替 了 双 眼 观 测, 实 现 了 真 正 意 义 上 的 自 动 测 图, 它 所 使 用 的 仪 器 最 终 将 只 是 运 用 计 算 机 及 相 应 的 外 围 设 备 在 短 短 不 到 40 年 的 时 间 里, 航 天 遥 感 已 经 取 得 了 令 人 瞩 目 的 成 就 从 遥 感 平 台 到 遥 感 器, 从 遥 感 数 据 源 到 遥 感 数 据 处 理, 从 遥 感 的 基 础 研 究 和 应 用 基 础 研 究 到 遥 感 应 用, 无 不 发 生 了 翻 天 覆 地 的 变 化 1 畅 2 畅 3 激 光 扫 描 测 量 技 术 近 年 来, 随 着 现 代 科 学 技 术 和 社 会 经 济 的 快 速 发 展, 人 们 对 快 速 获 取 空 间 目 标 的 3D 几 何 信 息 提 出 了 新 的 要 求 迅 速 获 取 物 体 的 立 体 信 息, 并 将 其 转 化 为 计 算 机 能 直 接 处 理 的 3D 数 字 模 型 是 现 代 人 的 追 求 借 此, 无 合 作 目 标 的 2D 和 3D 激 光 扫 描 测 量 技 术 也 应 运 而 生 1 畅 三 维 激 光 扫 描 测 量 技 术 基 本 原 理 三 维 激 光 扫 描 技 术 的 核 心 是 激 光 发 射 器 激 光 反 射 镜 激 光 自 适 应 聚 焦 控 制 单 元 CCD 技 术 光 机 电 自 动 传 感 装 置 根 据 三 维 激 光 扫 描 仪 种 类 的 不 同, 工 作 原 理 也 不 尽 相 同, 常 见 的 大 致 有 以 下 3 种 1) 使 用 脉 冲 测 距 技 术 (time of flight) 从 固 定 中 心 沿 视 线 测 量 距 离, 测 距 大 于 100m, 采 样 速 率 1000 点 /s 以 上 2) 相 位 干 涉 方 法 扫 描, 利 用 激 光 连 续 波 发 射, 根 据 光 学 干 涉 原 理 确 定 干 涉 相 位 的 测 量 方 法, 适 用 于 近 距 离 测 量 测 量 范 围 一 般 小 于 50m, 采 样 点 速 率 可 达 10 4 ~ 点 /s 3) 利 用 立 体 相 机 和 机 构 化 光 源, 通 过 获 得 两 条 光 线 信 息, 建 立 立 体 投 影 关 系 适 用 于 近 距 离 测 量, 测 量 范 围 在 20m 内, 采 样 点 速 率 100 点 /s 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

24 第 1 章 概 述 13 目 前, 大 多 数 激 光 扫 描 仪 所 采 用 的 工 作 方 式 是 脉 冲 激 光 测 距 的 方 法, 采 用 无 接 触 式 高 速 激 光 测 量, 以 点 云 形 式 获 取 扫 描 物 体 表 面 阵 列 式 几 何 图 形 的 三 维 数 据 该 类 仪 器 主 要 包 括 激 光 测 距 系 统 扫 描 系 统 和 支 架 系 统, 同 时 集 成 数 字 摄 影 和 仪 器 内 部 校 正 等 系 统 常 见 的 ILRIS 3D HDS2500 L M S 唱 Z210 GS100 和 GS200 等 扫 描 系 统 都 采 用 这 种 工 作 方 式 2 畅 三 维 激 光 扫 描 技 术 的 特 点 三 维 激 光 扫 描 技 术 利 用 激 光 的 独 特 优 异 性 能 用 做 扫 描 测 量, 具 有 如 下 一 些 特 点 1) 非 接 触 测 量 三 维 激 光 扫 描 技 术 采 用 非 接 触 扫 描 目 标 的 方 式 进 行 测 量, 无 需 反 射 棱 镜, 对 扫 描 目 标 物 体 不 需 进 行 任 何 表 面 处 理, 直 接 采 集 物 体 表 面 的 三 维 数 据, 所 采 集 的 数 据 完 全 真 实 可 靠 可 以 用 于 解 决 危 险 目 标 环 境 ( 或 柔 性 目 标 ) 及 人 员 难 以 企 及 的 情 况, 具 有 传 统 测 量 方 式 难 以 完 成 的 技 术 优 势 2) 数 据 采 样 率 高 目 前, 采 用 脉 冲 激 光 或 时 间 激 光 的 三 维 激 光 扫 描 仪 采 样 点 速 率 可 达 到 数 千 点 /s, 而 采 用 相 位 激 光 方 法 测 量 的 三 维 激 光 扫 描 仪 甚 至 可 以 达 到 数 10 5 点 /s 可 见, 采 样 速 率 是 传 统 测 量 方 式 难 以 比 拟 的 3) 主 动 发 射 扫 描 光 源 三 维 激 光 扫 描 技 术 采 用 主 动 发 射 扫 描 光 源 ( 激 光 ), 通 过 探 测 自 身 发 射 的 激 光 回 波 信 号 来 获 取 目 标 物 体 的 数 据 信 息, 因 此 在 扫 描 过 程 中, 可 以 实 现 不 受 扫 描 环 境 的 时 间 和 空 间 的 约 束 4) 具 有 高 分 辨 率 高 精 度 的 特 点 三 维 激 光 扫 描 技 术 可 以 快 速 高 精 度 获 取 海 量 点 云 数 据, 可 以 对 扫 描 目 标 进 行 高 密 度 的 三 维 数 据 采 集, 从 而 达 到 高 分 辨 率 的 目 的 3 畅 三 维 激 光 扫 描 系 统 分 类 目 前, 激 光 扫 描 系 统 主 要 分 为 机 / 空 载 激 光 扫 描 系 统 和 地 面 扫 描 系 统 两 类 (1) 机 载 激 光 扫 描 系 统 机 载 激 光 扫 描 系 统 是 应 用 激 光 扫 描 仪 和 实 时 动 态 GPS 对 地 面 进 行 高 精 度 准 实 时 测 量 的 系 统, 主 要 用 于 快 速 获 取 大 面 积 的 3D 地 形 数 据 1998 年, 加 拿 大 卡 尔 加 里 大 学 进 行 了 机 载 激 光 扫 描 系 统 的 集 成 与 实 验, 通 过 对 所 购 买 的 激 光 扫 描 器 与 GPS 数 据 通 信 设 备 集 成, 实 现 了 一 个 机 载 激 光 扫 描 3D 数 据 获 取 系 统, 并 进 行 了 一 定 规 模 的 实 验, 取 得 了 理 想 效 果 目 前, 代 表 性 的 机 载 激 光 扫 描 系 统 有 : 瑞 典 SA AB 的 T opeye 系 统, 加 拿 大 Optech 的 A L T M1020 T S 系 统, 美 国 John Chance 的 Fli 唱 Map 系 统 等 机 载 激 光 扫 描 系 统 的 基 本 组 成 包 括 以 下 5 部 分 1) 激 光 扫 描 仪 (laser ranger finder, LRF ; laser ranger scanner, LRS) ; 2) 飞 行 惯 性 导 航 系 统 (inertial navigation system, INS) 及 其 显 示 设 备 ;

25 14 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 3) 差 分 GPS 与 计 算 机 ; 4) 数 据 采 集 与 记 录 设 备 ; 5) 电 源 机 载 激 光 扫 描 系 统 一 般 采 用 直 升 飞 机 或 固 定 翼 飞 机 作 平 台, 飞 行 高 度 在 1000m 以 下, 一 般 为 300 m 左 右 飞 机 沿 航 线 的 飞 行 速 度 一 般 为 1 ~ 100km/h, 不 同 航 线 的 航 带 之 间 要 求 有 一 定 程 度 的 重 叠, 以 保 证 对 测 区 足 够 的 覆 盖 扫 描 时, 扫 描 器 以 2000 ~ 3000 脉 冲 /s 进 行 扫 描, 系 统 同 时 接 收 反 射 回 波 为 保 证 3D 数 据 的 精 度, 需 要 稳 定 扫 描 中 心 垂 线 为 此, 系 统 中 都 配 置 有 一 个 高 性 能 的 INS 飞 行 完 毕, 根 据 扫 描 时 刻 的 GPS INS 和 扫 描 器 数 据, 可 精 确 计 算 每 个 回 波 的 点 位 信 息, 经 数 据 处 理 即 可 获 得 厘 米 (cm) 级 精 度 的 3D 地 形 数 据, 由 这 些 数 据 可 生 成 表 面 模 型 (DSM) (2) 地 面 扫 描 系 统 当 前, 机 载 扫 描 系 统 在 产 品 利 用 方 面 已 经 趋 于 成 熟, 而 地 面 系 统 的 产 品 和 应 用 还 处 于 发 展 阶 段, 地 面 激 光 集 成 扫 描 技 术 ( 特 别 是 移 动 系 统 ) 是 国 际 研 究 的 热 点 日 本 东 京 大 学 1998 年 进 行 了 地 面 固 定 激 光 扫 描 系 统 的 集 成 与 实 验, 取 得 了 良 好 效 果 ; 美 国 法 国 和 中 国 香 港 的 一 些 大 学 与 研 究 机 构 也 在 积 极 地 进 行 了 这 方 面 的 研 究 工 作 工 业 领 域 中 的 CM S390 平 面 区 域 量 测 扫 描 系 统 T WS390 追 踪 扫 描 雷 达 系 统 是 较 为 典 型 的 2D 扫 描 应 用 系 统 ; 美 国 的 CYRAX 系 列 则 是 较 为 典 型 的 3D 扫 描 系 统, CYRAX 系 统 由 硬 件 系 统 (LRS) 和 软 件 系 统 包 组 成, 集 数 据 采 集 数 据 管 理 与 3D 建 模 于 一 体, 可 用 于 工 程 测 量 地 形 测 量 工 业 测 量 变 形 测 量 矿 山 测 量 施 工 监 测 文 物 考 古 和 虚 拟 现 实 等 领 域 利 用 激 光 扫 描 技 术 获 取 高 分 辨 率 数 字 表 面 模 型 (high resolution digital surface model, H RDSM), 并 与 多 源 数 据 相 融 合, 可 重 建 地 形 建 ( 构 ) 筑 物 立 体 模 型, 生 成 DE M D T M 和 数 字 城 市 模 型 (digital city model, DCM) ; 与 多 光 谱 技 术 结 合, 还 可 以 进 行 地 物 分 类 和 特 征 识 别 可 以 预 见, 激 光 扫 描 技 术 在 数 字 城 市 数 字 矿 山 数 字 岩 土 工 程 的 3D 重 建 中, 以 及 林 区 DEM 测 量 道 路 测 量 3D 管 线 测 量 堆 积 物 测 量 水 下 地 形 测 量 ( 红 绿 激 光 相 结 合 ) 灾 害 评 估 等 领 域 将 大 有 用 武 之 地 激 光 扫 描 技 术 作 为 未 来 3D GIS 中 3D 空 间 数 据 获 取 的 重 要 手 段, 将 在 大 比 例 尺 DEM 建 立 与 更 新, 城 市 规 划, 资 源 环 境 监 测 与 快 速 反 应 方 面 发 挥 积 极 作 用 1 畅 2 畅 4 遥 感 技 术 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 遥 感 技 术 (remote sensing, RS) 是 指 从 不 同 高 度 的 遥 感 平 台 (platform), 使 用 不 同 遥 感 传 感 器 (sensor) 接 收 来 自 地 物 的 电 磁 波 信 息, 再 将 其 传 输 到 地 面 并 加 以 分 析 处 理, 从 而 对 不 同 地 物 及 其 特 征 进 行 远 距 离 探 测 与 识 别 的 综 合 技 术

26 第 1 章 概 述 15 遥 感 技 术 具 有 强 大 的 对 地 观 测 能 力, 能 够 通 过 大 面 积 同 步 观 测 来 获 取 常 规 观 测 手 段 无 法 获 取 的 地 面 信 息, 具 有 经 济 性 宏 观 性 时 效 性 综 合 性 动 态 反 演 等 优 势 遥 感 技 术 已 广 泛 地 应 用 于 资 源 调 查 与 监 测 环 境 监 测 与 评 价 自 然 灾 害 监 测 与 预 防 区 域 分 析 与 建 设 规 划 农 业 林 业 旅 游 考 古 地 质 测 绘 军 事 国 防 等 领 域 现 代 遥 感 起 源 于 20 世 纪 60 年 代 经 过 近 50 年 的 发 展, 遥 感 技 术 取 得 了 很 大 进 步, 尤 其 是 近 10 年 的 发 展 更 加 迅 猛 用 一 句 话 可 以 概 括 现 代 遥 感 技 术 的 发 展 现 状 和 趋 势, 那 就 是 遥 感 平 台 越 来 越 多 数 据 源 越 来 越 丰 富 分 辨 率 越 来 越 高 从 早 期 的 航 空 遥 感 飞 机 NOAA 卫 星 陆 地 资 源 卫 星 LandSat 到 后 来 的 SPO T 卫 星, 再 到 现 在 的 中 巴 卫 星 CBERS EOS 对 地 观 测 系 列 卫 星 IKON OS 卫 星 Quick Bird 卫 星 印 度 资 源 卫 星 IRS 日 本 A LOS 卫 星 遥 感 平 台 越 来 越 多, 遥 感 影 像 来 源 越 来 越 丰 富 如 EOS 对 地 观 测 卫 星 上 装 有 AS T ER M ODIS 等 传 感 器 AS T ER 有 15m 30m 和 90m 不 同 空 间 分 辨 率 的 15 个 波 段, 还 有 由 3N 和 3B 波 段 构 成 的 立 体 像 对, M ODIS 具 有 从 250m 500m 到 1000m 不 等 的 36 个 波 段 日 本 2006 年 1 月 24 日 发 射 的 先 进 陆 地 观 测 卫 星 (advanced land observation satellite, A LOS) 载 有 三 个 传 感 器 全 色 立 体 测 绘 仪 (panchromatic remote 唱 sensing instrument for stereo mapping, PRISM), 高 性 能 可 见 光 与 近 红 外 辐 射 计 唱 2 (advanced visible and near infrared rradiometer type 唱 2, A V NIR 唱 2), 相 控 阵 型 L 波 段 合 成 孔 径 雷 达 (phased array 唱 type l 唱 band synthetic aperture radar, PA LSAR), 能 同 时 获 取 全 色 立 体 像 对 多 光 谱 及 雷 达 数 据 遥 感 影 像 的 分 辨 率 包 括 空 间 分 辨 率 光 谱 分 辨 率 和 时 间 分 辨 率 就 空 间 分 辨 率 而 言, 早 期 的 LandSat M SS 为 79m T M 为 30m, 到 E T M + 时 全 色 波 段 提 高 到 15m 2002 年 5 月 发 射 的 SPO T5 的 全 色 分 辨 率 为 2 畅 5m 多 光 谱 分 辨 率 为 10m 中 国 台 湾 福 卫 2 号 卫 星 ( 即 FormaSA T2) 于 2004 年 5 月 20 日 发 射 成 功, 可 以 获 取 2m 全 色 8m 多 光 谱 影 像 美 国 空 间 成 像 公 司 于 1999 年 9 月 24 日 发 射 升 空 的 世 界 第 一 颗 高 分 辨 率 商 用 卫 星 IKONOS 的 全 色 影 像 分 辨 率 达 到 1m 多 光 谱 达 到 4m 2001 年 10 月 由 美 国 Digital Globe 公 司 发 射 的 Quick Bird 卫 星, 是 世 界 上 最 早 能 提 供 亚 米 级 分 辨 率 的 商 业 卫 星, 其 全 色 影 像 分 辨 率 达 到 61cm ( 星 下 点 ), 多 光 谱 影 像 达 到 2 畅 44m ( 星 下 点 ) 2007 年 9 月 18 日, 美 国 Digital Globe 公 司 成 功 发 射 WorldView 唱 1, 其 提 供 的 全 色 数 据 空 间 分 辨 率 达 到 了 50cm ( 星 下 点 ), 而 该 公 司 2008 年 底 发 射 的 WorldView 唱 2, 可 提 供 46cm 全 色 影 像 和 1 畅 84m 多 光 谱 影 像 这 样, Digital Globe 公 司 的 Quick Bird WorldView 唱 1 和 WorldView 唱 2 组 成 的 高 分 辨 率 的 对 地 观 测 星 群, 形 成 了 对 地 持 续 快 速 观 测 运 行 在 地 球 上 空 的 不 同 遥 感 卫 星, 正 源 源 不 断 地 获 取 地 表 不 同 空 间 分 辨 率 的 影 像 数 据

27 16 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 就 光 谱 分 辨 率 而 言, 波 段 划 分 越 来 越 细, 光 谱 分 辨 率 越 来 越 高, 出 现 纳 米 级 的 波 谱 分 辨 率, 在 可 见 光 范 围 内 可 分 出 几 十 个 等 级 如 AS T ER 有 15 个 波 段, 中 分 辨 率 成 像 光 谱 仪 (M ODIS) 有 36 个 波 段 就 时 间 分 辨 率 而 言, 影 像 重 复 时 间 可 达 到 小 时 级 M ODIS 可 以 在 24 h ( 小 时 ) 内 获 取 到 四 次 影 像 ; 而 高 空 间 分 辨 率 卫 星 的 重 访 周 期, 由 Quick Bird 的 2 畅 4d ( 天 ) 缩 短 到 了 WorldView 唱 1 的 1 畅 7 d, 而 WorldView 唱 2 的 重 访 周 期 将 缩 短 到 1 畅 1d 卫 星 重 访 周 期 缩 短, 数 据 获 取 能 力 增 强, 对 实 现 地 表 快 速 动 态 监 测 非 常 有 利 1 畅 2 畅 5 应 用 地 球 物 理 技 术 地 球 物 理 学 是 一 门 以 地 球 为 研 究 对 象 的 应 用 物 理 学, 是 由 于 人 们 要 确 定 地 球 的 形 状 大 小 和 有 关 物 理 属 性 而 发 展 起 来 的, 是 地 球 科 学 的 重 要 组 成 部 分, 是 地 球 物 理 勘 探 的 理 论 基 础, 其 应 用 已 渗 透 到 地 学 中 的 许 多 分 支 地 球 物 理 学 虽 然 在 19 世 纪 末 20 世 纪 初 才 形 成 体 系, 但 对 地 球 物 理 现 象 的 观 察 和 探 讨, 从 古 代 就 开 始 了, 物 理 学 中 的 重 要 学 科 力 学 的 理 论 基 础 万 有 引 力 定 理, 其 实 就 是 起 源 于 牛 顿 对 地 球 物 理 现 象 的 观 测 与 思 考 与 传 统 地 质 学 仅 对 地 球 上 层 和 局 部 地 区 进 行 定 性 和 半 定 量 研 究 不 同 的 是, 地 球 物 理 学 通 过 观 测 仪 器 获 得 数 据, 进 而 对 地 球 深 部 及 其 整 体 进 行 定 量 研 究 但 随 着 学 科 的 发 展 交 叉 和 融 合, 传 统 地 质 学 和 地 球 物 理 学 之 间 的 界 限 正 变 得 模 糊 起 来 目 前, 地 质 学 研 究 中 已 大 量 引 进 地 球 物 理 方 法, 如 地 震 地 磁 地 电 地 热 和 重 力 等, 地 球 物 理 手 段 日 益 成 为 研 究 深 部 地 质 的 有 力 工 具 应 用 地 球 物 理 学 作 为 地 球 物 理 学 的 一 个 重 要 分 支, 其 目 标 是 对 地 层 的 物 理 性 质 进 行 测 量 和 研 究 它 利 用 物 理 学 ( 如 力 学 声 学 电 磁 学 核 物 理 学 和 光 学 等 ) 原 理, 借 助 有 关 仪 器 技 术 (3D 勘 探 VPS 勘 探 综 合 与 全 波 测 井 技 术 偏 移 反 演 技 术 和 层 析 成 像 技 术 等 ) 测 量 获 得 地 层 的 大 量 数 据, 通 过 数 学 反 演 和 计 算 机 处 理, 探 测 地 下 地 层 的 物 理 力 学 性 质, 进 而 研 究 地 下 地 层 的 结 构 和 构 造, 进 行 矿 体 或 油 藏 的 3D 精 细 描 述 应 用 地 球 物 理 方 法 已 在 石 油 天 然 气 和 煤 炭 资 源 勘 探 中 发 挥 了 重 要 作 用 应 用 地 球 物 理 方 法 大 体 可 分 为 两 类 : 一 类 为 以 测 定 特 定 区 域 特 定 对 象 的 物 理 力 学 性 质 为 主, 如 重 力 勘 探 磁 法 勘 探 电 法 勘 探 电 法 测 井 声 波 测 井 和 发 射 性 测 井 等 ; 另 一 类 则 以 测 定 地 质 对 象 的 空 间 分 布 与 空 间 位 置 为 主, 如 2D 地 震 勘 探 和 3D 地 震 勘 探 后 者 是 地 质 体 与 地 质 空 间 3D 建 模 的 重 要 数 据 源 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 2D 地 震 勘 探 是 通 过 在 某 一 激 发 点 用 炸 药 爆 炸 ( 或 其 他 能 源 形 式 的 激 发 装 置 ) 激 发 地 震 波, 并 在 不 同 位 置 安 装 接 收 装 置 接 收 通 过 岩 层 所 传 来 的 地 震 波 ( 主 要 为 一 次 反 射 纵 波 ), 用 于 探 测 和 研 究 地 层 属 性 及 其 空 间 赋 存 情 况 的 应 用 地 球 物 理 技

28 第 1 章 概 述 17 术, 其 原 理 是 通 过 分 析 所 接 收 到 的 地 震 波 的 动 力 学 参 数 ( 如 波 形 振 幅 频 率 相 位 偏 振 状 态 和 衰 减 规 律 等 ) 的 传 播 特 点 来 研 究 地 层 岩 性 物 性 等 地 质 信 息, 并 推 估 地 层 界 面 的 真 实 位 置 观 测 线 的 布 置 是 2D 地 震 勘 探 的 关 键, 由 激 发 点 和 观 测 线 上 接 收 点 组 成 的 系 统 称 为 观 测 系 统, 一 般 分 为 纵 观 测 系 统 非 纵 观 测 系 统 和 3D 观 测 系 统 纵 观 测 系 统 是 激 发 点 和 接 收 点 在 一 条 直 线 上 的 观 测 系 统 ; 非 纵 观 测 系 统 是 激 发 点 和 接 收 点 不 在 一 条 直 线 上 的 观 测 系 统 ; 3D 观 测 系 统 则 是 激 发 点 和 接 收 点 分 布 在 一 个 面 积 上 的 观 测 系 统 通 常 情 况 下, 采 用 纵 观 测 系 统 的 地 震 勘 探 称 为 2D 地 震 勘 探 长 期 以 来, 地 震 勘 探 一 直 是 在 地 面 沿 一 维 测 线 观 测 地 震 波 信 息 的 2D 地 震 勘 探, 其 实 质 是 在 ( x,f) 平 面 上 采 集 和 处 理 地 震 波 数 据 3D 地 震 勘 探 则 是 在 一 个 平 面 上 采 集 地 震 波 信 息, 并 在 ( x,y,f) 3D 空 间 进 行 处 理 的 探 测 方 法 在 应 用 地 球 物 理 方 法 进 行 地 质 勘 察 的 过 程 中, 通 常 会 在 同 一 地 区 甚 至 同 一 位 置 使 用 多 种 方 法, 并 将 所 得 结 果 进 行 交 互 检 查 和 综 合 表 达 因 此, 在 3D 地 质 空 间 建 模 过 程 中, 多 源 多 尺 度 多 精 度 的 地 质 数 据 的 融 合 一 直 是 一 个 非 常 重 要 的 议 题 1 畅 3 视 景 仿 真 数 据 可 视 化 建 模 关 键 技 术 视 景 仿 真 数 据 可 视 化 建 模 技 术 涉 及 计 算 机 图 形 学 图 像 处 理 计 算 机 视 觉 计 算 机 辅 助 设 计 等 多 个 领 域, 是 研 究 三 维 数 据 表 示 处 理 决 策 分 析 等 一 系 列 问 题 的 综 合 技 术, 主 要 包 括 数 据 采 集 点 云 的 多 视 配 准 点 云 的 网 格 曲 面 重 建 网 格 模 型 的 孔 洞 修 复 网 格 模 型 简 化 可 见 性 判 断 及 纹 理 映 射 等 关 键 技 术 1 畅 3 畅 1 点 云 配 准 技 术 光 学 扫 描 仪 可 以 在 数 秒 钟 内 直 接 获 得 被 测 物 体 表 面 的 点 云 数 据, 但 受 光 的 传 播 特 性 及 测 量 物 体 积 等 因 素 的 影 响, 在 一 个 视 角 下 扫 描 仪 只 能 采 集 到 物 体 某 一 部 分 表 面 的 数 据, 要 想 获 得 物 体 完 整 的 表 面 数 据, 往 往 需 要 从 不 同 视 角 对 物 体 进 行 多 次 测 量 来 完 成 由 于 每 次 扫 描 都 是 在 当 前 坐 标 系 下 进 行 的, 因 此 需 要 将 所 有 的 扫 描 数 据 转 换 到 同 一 个 坐 标 系 下, 这 个 过 程 就 是 点 云 的 配 准 点 云 配 准 分 为 手 动 配 准 依 赖 仪 器 的 配 准 和 自 动 配 准 三 种 通 常 所 说 的 点 云 配 准 技 术 是 指 最 后 一 种 该 技 术 是 通 过 一 定 的 算 法 或 者 统 计 学 规 律, 利 用 计 算 两 片 点 云 之 间 的 错 位, 从 而 达 到 把 两 片 点 云 自 动 配 准 的 效 果 目 前 常 用 的 点 云 配 准 方 法 主 要 有 基 于 最 近 点 迭 代 (iterative closest point, ICP) 的 配 准 方 法 基 于 特 征 的 配 准 方 法, 以 及 其 他 配 准 方 法

29 18 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 1 畅 基 于 ICP 的 配 准 方 法 [5] ICP 算 法 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 一 类 配 准 算 法, 最 先 由 Besl 等 人 提 出 该 算 法 的 原 理 是 将 曲 面 上 距 离 最 近 的 点 作 为 对 应 点, 然 后 以 对 应 点 之 间 的 距 离 平 方 和 最 小 原 则 建 立 目 标 方 程, 根 据 最 小 二 乘 原 理 迭 代 求 解 变 换 参 数, 其 实 质 是 基 于 最 小 二 乘 法 的 最 优 匹 配 方 法 ICP 算 法 对 两 个 点 云 相 对 的 初 始 位 置 要 求 比 较 高, 点 云 之 间 的 初 始 位 置 不 能 相 差 太 大, 并 且 要 求 两 个 匹 配 点 集 中 的 一 个 点 集 是 另 外 一 个 点 集 的 子 集 当 条 件 不 满 足, 或 相 差 太 大 时, 都 会 影 响 ICP 算 法 的 收 敛 结 果, 使 配 准 结 果 不 可 靠 经 过 研 究 者 的 不 断 努 力, 出 现 了 很 多 ICP 的 改 进 算 法 文 献 [6] 利 用 两 个 曲 面 在 法 矢 方 向 的 距 离 来 代 替 某 一 点 到 其 最 近 点 的 距 离, 并 将 其 作 为 匹 配 的 目 标 评 价 函 数, 有 效 地 减 少 了 迭 代 误 差, 但 收 敛 结 果 不 稳 定 文 献 [7] 对 散 乱 点 集 进 行 随 机 采 样, 用 最 小 中 值 平 方 误 差 作 为 度 量 准 则, 但 该 方 法 在 每 次 迭 代 后 都 需 要 进 行 重 新 采 样 文 献 [8] 提 出 了 搜 索 最 近 点 的 配 准 方 法, 但 是 仍 不 能 解 决 复 杂 的 多 视 定 位 问 题 文 献 [9] 将 多 分 辨 率 的 思 想 应 用 到 邻 域 搜 索 上, 有 效 地 提 高 了 算 法 的 稳 定 性 文 献 [10] 对 整 个 迭 代 优 化 过 程 做 了 改 进, 把 平 方 距 离 函 数 (squared distance function, SDF) 引 入 到 优 化 过 程 中, 使 改 进 后 的 ICP 算 法 满 足 二 次 收 敛, 收 敛 速 度 明 显 提 高 2 畅 基 于 特 征 的 配 准 方 法 该 类 配 准 算 法 主 要 根 据 与 三 维 物 体 形 状 特 征 有 关 的 参 数 进 行 配 准 文 献 [11] 通 过 采 用 自 适 应 曲 线 拟 合 技 术 提 取 点 云 的 轮 廓 特 征 文 献 [12] 通 过 提 取 点 云 的 颜 色 信 息 实 现 多 视 点 云 间 的 配 准 文 献 [13] 提 出 了 基 于 Hausdorff 距 离 和 Frechet 距 离 的 几 何 结 构 形 状 的 匹 配 Hausdorff 距 离 相 对 于 欧 几 里 得 距 离 在 解 决 噪 声 和 局 部 遮 挡 问 题 上 有 明 显 的 优 势, 解 决 了 欧 几 里 得 距 离 在 计 算 变 形 时 的 扭 曲 和 失 真, 但 缺 点 是 不 够 直 观 Frechet 距 离 将 欧 几 里 得 空 间 中 的 距 离 概 念 抽 象 化, 定 义 了 度 量 空 间, 由 于 Frechet 距 离 是 以 收 敛 为 基 础 提 出 的, 因 此 收 敛 特 性 较 好 文 献 [14] 使 用 有 向 脚 标 进 行 部 分 表 面 匹 配, 利 用 附 加 在 特 征 点 上 的 法 向 量 作 为 有 向 脚 标 进 行 局 部 曲 面 配 准, 配 准 过 程 简 单 快 速, 但 精 确 度 较 差 文 献 [15] 分 析 了 曲 面 形 状 误 差 评 价 的 一 般 性 原 则, 提 出 了 误 差 评 价 的 原 理 和 标 准 这 种 方 法 配 准 效 率 较 高, 并 对 存 在 局 部 重 叠 的 点 云 数 据 适 用 性 较 好 3 畅 其 他 配 准 方 法 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 文 献 [16] 提 出 了 最 小 高 程 差 (least Z 唱 difference, LZD) 配 准 算 法, 该 方 法 主 要 根 据 特 征 点 Z 方 向 的 距 离 差 异 构 造 目 标 函 数, 具 有 较 快 的 收 敛 速 度, 但 配 准 精 度 较 差 文 献 [17] 结 合 逆 向 定 标 法 和 随 机 搜 寻 法 来 提 高 速 度, 但 仍 然 存

30 第 1 章 概 述 19 在 配 准 精 度 不 满 意 的 问 题 文 献 [18] 提 出 了 一 种 ICL (iterative closest line) 算 法, 通 过 直 接 对 两 个 点 云 中 的 点 连 线, 并 寻 找 对 应 线 段 进 行 配 准, 该 算 法 能 够 明 显 地 加 快 迭 代 速 率, 但 无 法 有 效 地 保 证 线 段 之 间 的 对 应 关 系 文 献 [19] 采 用 扰 动 平 移 矩 阵 法 加 快 收 敛 速 度, 由 于 只 对 某 些 模 型 有 明 显 的 效 果, 因 此 该 方 法 的 适 用 范 围 比 较 有 限 文 献 [20] 采 用 力 学 的 方 法 解 决 多 视 点 云 的 配 准 问 题, 该 方 法 假 设 各 个 视 点 间 的 距 离 数 据 点 由 弹 簧 相 连, 这 样 各 个 视 点 间 的 数 据 点 集 组 成 了 一 个 刚 体 动 力 学 系 统, 配 准 过 程 变 成 动 力 学 系 统 中 由 初 始 位 置 到 达 平 衡 位 置 的 过 程 文 献 [21] 也 提 出 了 类 似 的 模 拟 动 力 学 的 配 准 算 法 1 畅 3 畅 2 曲 面 重 建 技 术 由 于 通 过 各 种 测 量 手 段 得 到 的 测 量 数 据 通 常 散 乱 无 序, 没 有 任 何 相 邻 数 据 点 的 拓 扑 信 息, 因 此 必 须 采 用 一 定 的 规 则 将 这 些 数 据 进 行 组 织, 建 立 数 据 之 间 的 拓 扑 关 系, 使 数 据 归 属 于 拓 扑 结 构 中 的 一 个 结 点 三 角 网 由 于 形 式 简 单 且 能 表 达 任 意 拓 扑 形 状 的 数 据, 因 而 常 被 用 于 散 乱 数 据 的 拓 扑 表 达 目 前, 基 于 散 乱 数 据 点 集 进 行 网 格 曲 面 重 建 的 方 法 主 要 有 基 于 雕 塑 的 网 格 重 建 方 法 基 于 区 域 生 长 的 网 格 重 建 方 法 和 基 于 隐 式 曲 面 的 重 建 方 法 1 畅 基 于 雕 塑 的 网 格 方 法 该 方 法 是 对 数 据 点 集 作 四 面 体 网 格 Delaunay 剖 分, 然 后 按 照 一 定 的 规 则 不 断 搜 索 与 产 品 外 形 相 关 的 三 角 网 格, 直 至 完 成 整 体 拓 扑 网 格 搜 索 该 类 算 法 的 关 键 是 如 何 过 滤 错 误 连 接, 将 正 确 的 网 格 曲 面 抽 取 出 来 文 献 [22] 提 出 了 α 唱 shape 的 概 念, 通 过 删 除 散 乱 点 集 的 Delaunay 三 角 剖 分 中 其 外 接 球 或 外 接 圆 半 径 大 于 α 的 四 面 体 三 角 形 和 边, 然 后 利 用 最 大 点 乘 法 或 最 小 二 面 角 法, 抽 取 有 效 三 角 片 来 重 建 曲 面 α 唱 shape 概 念 为 从 点 集 中 提 取 被 测 面 的 几 何 结 构 提 供 了 完 美 的 数 学 框 架, 可 最 接 近 地 反 映 点 集 对 象, 但 缺 点 是 计 算 复 杂 性 高, 对 点 分 布 密 度 和 曲 面 不 连 续 性 比 较 敏 感, 难 以 选 择 合 适 的 α 值, 以 保 留 需 要 的 三 角 化 元 素 基 于 Crust [23, 24] 的 方 法 通 过 采 用 中 介 面 来 删 除 Delaunay 三 角 剖 分 中 错 误 的 连 接, 其 中 中 介 面 的 计 算 是 用 点 集 的 Voronoi 顶 点 来 模 拟 的 该 算 法 的 主 要 过 程 是 先 对 散 乱 点 集 进 行 Delaunay 三 角 剖 分, 并 计 算 散 乱 点 集 的 Voronoi 顶 点, 形 成 V 点 集, 与 原 取 样 点 合 并 再 对 合 并 后 的 点 集 进 行 Delaunay 三 角 划 分, 取 原 取 样 点 生 成 的 三 角 形 作 为 所 得 到 的 三 角 网 格, 再 用 Voronoi 点 进 行 过 滤, 除 去 不 符 合 标 准 的 网 格, 最 后 得 到 所 要 求 的 网 格 曲 面 Crust 方 法 从 理 论 上 保 证 了 当 采 样 数 据 点 满 足 r 唱 sample 采 样 条 件 时, 重 建 的 网 格 模 型 同 原 产 品 表 面 拓 扑 一 致 [25] [26] 类 似 的 还 有, 基 于 γ 唱 graphs 的 方 法 基 于 β 唱 skeleton 的 方 法 基 于 Cocone [27] 的 方 法 [28] 基 于 U mbrella 唱 Filter 的 方 法 等

31 20 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 基 于 雕 塑 的 方 法 从 理 论 上 保 证 了 重 建 曲 面 的 质 量, 能 够 系 统 有 效 地 构 建 散 乱 点 集 的 几 何 结 构, 保 留 原 模 型 中 凸 域 的 尖 锐 特 征, 避 免 网 格 曲 面 的 自 交, 不 足 之 处 是 需 要 进 行 薄 元 处 理 和 非 凸 域 的 边 界 恢 复, 算 法 复 杂 度 高 且 计 算 量 偏 大 2 畅 基 于 区 域 生 长 的 网 格 重 建 方 法 基 于 区 域 生 长 的 网 格 重 建 方 法 的 主 要 步 骤 是, 首 先 从 点 云 数 据 中 选 定 一 个 初 始 三 角 片, 将 其 作 为 网 格 曲 面 的 种 子 面 加 入 三 角 曲 面 集, 然 后 按 照 一 定 的 规 则 从 曲 面 集 的 边 界 处 向 三 角 曲 面 集 中 添 加 新 的 三 角 片 元 素, 并 实 时 刷 新 边 界 集, 最 终 通 过 曲 面 网 格 由 局 部 到 整 体 的 动 态 增 长, 生 成 一 张 完 整 的 三 角 网 格 曲 面 文 献 [29] 最 先 提 出 这 种 算 法, 并 以 三 角 形 张 角 最 大 作 为 选 点 准 则 文 献 [30] 采 用 以 下 假 设 来 确 定 递 增 三 角 片, 即 假 设 存 在 某 个 三 维 数 据 点 C, 由 该 点 可 看 到 被 测 面 上 的 所 有 散 乱 点, 并 可 定 义 以 C 为 锥 顶 的 凸 锥, 使 之 包 含 所 有 散 乱 点 该 方 法 具 有 可 直 接 处 理 凸 封 闭 曲 面 和 开 曲 面 的 优 点, 但 是 由 于 受 凸 锥 顶 角 的 角 度 限 制, 所 建 曲 面 可 能 存 在 不 稳 定 区 域 文 献 [31] 提 出 了 一 种 基 于 投 影 的 三 角 化 技 术, 可 快 速 实 现 每 个 数 据 点 的 局 部 拓 扑 重 建, 自 动 矫 正 局 部 数 据 点 的 非 法 连 接 关 系 该 算 法 效 率 较 高, 能 处 理 大 规 模 数 据 点 集 文 献 [32] 提 出 基 于 螺 旋 边 (SE) 的 准 则, 从 初 始 三 角 网 格 的 边 界 开 始, 对 边 界 上 的 每 个 点 按 最 小 内 接 圆 准 则 得 到 新 的 三 角 形, 更 新 边 界, 直 至 覆 盖 整 个 数 据 点 集 该 方 法 在 数 据 分 布 均 匀 时 效 率 较 高 文 献 [33] 提 出 了 基 于 α 唱 shape 理 论 的 滚 球 法 (ball 唱 pivoting algo 唱 rithm), 利 用 球 在 数 据 点 集 中 的 滚 动 建 立 网 格, 若 该 球 接 触 到 3 个 点, 且 不 含 其 他 点, 则 该 点 形 成 一 个 三 角 形 该 方 法 继 承 了 α 唱 shape 的 各 种 优 良 性 能, 但 因 其 难 以 确 定 滚 球 半 径 而 致 使 算 法 效 率 较 低 基 于 区 域 生 长 的 方 法 可 直 接 处 理 凸 封 闭 曲 面 和 开 曲 面 情 况, 具 有 执 行 速 度 快, 能 重 建 复 杂 模 型 的 几 何 特 征 的 特 点, 但 不 足 之 处 是 无 法 有 效 地 利 用 数 据 点 的 拓 扑 信 息, 而 且 网 格 生 长 过 程 中 会 存 在 曲 面 自 交 现 象, 虽 然 可 以 通 过 几 何 相 交 检 测 排 查, 但 计 算 量 巨 大 3 畅 基 于 隐 式 曲 面 的 重 建 方 法 基 于 隐 式 曲 面 的 重 建 方 法 是 首 先 构 造 采 样 点 的 有 向 距 离 函 数, 然 后 利 用 有 向 距 离 函 数 的 零 水 平 集 去 构 建 与 真 实 曲 面 的 拓 扑 结 构 近 似 的 网 格 曲 面 H oppe 等 [34] 人 最 早 提 出 这 种 方 法, 通 过 抽 取 等 值 面 (marching cube) [35] 的 算 法 来 求 出 曲 面 三 角 网 格 模 型 文 献 [36] 对 该 算 法 进 行 了 改 进 由 于 此 类 方 法 重 建 的 三 角 网 格 是 逼 近 而 非 插 值 于 测 量 点 集, 因 此 存 在 一 定 的 误 差, 而 且 可 能 造 成 局 部 几 何 信 息 的 丢 失 移 动 最 小 二 乘 法 ( moving least square, M LS) [37] 和 径 向 基 函 数 法 (radial basis function, RBF) [38,39] 也 是 目 前 比 较 常 用 的 网 格 曲 面 重 建 方 法 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

32 第 1 章 概 述 21 在 曲 面 重 建 过 程 中, 隐 式 曲 面 法 要 求 数 据 点 云 的 采 样 密 度 足 够 充 足, 采 样 比 较 均 匀, 而 且 生 成 的 三 角 网 格 是 逼 近 并 非 插 值 于 采 样 点 集, 因 此 不 适 合 处 理 带 有 薄 壁 边 界 等 尖 锐 特 征 的 数 据 1 畅 3 畅 3 网 格 孔 洞 修 复 技 术 由 于 受 扫 描 仪 光 照 的 不 完 善 材 料 表 面 的 低 反 射 率 和 遮 挡 等 因 素 的 影 响, 采 集 到 的 数 据 往 往 会 存 在 缺 损 而 出 现 孔 洞, 甚 至 在 一 些 网 格 重 建 的 软 件 中, 也 会 在 数 据 信 息 量 不 足 的 部 位 产 生 孔 洞 这 些 孔 洞 不 仅 会 影 响 模 型 正 常 的 视 觉 效 果, 也 会 对 模 型 的 后 续 处 理 造 成 障 碍 如 对 实 物 进 行 有 限 元 网 格 分 析 时, 孔 洞 的 出 现 会 导 致 分 析 的 不 准 确, 因 此 有 必 要 在 应 用 前, 对 带 有 这 些 缺 陷 的 三 角 网 格 模 型 进 行 数 据 修 复 处 理, 以 确 保 模 型 数 据 的 完 整 性 目 前, 国 内 外 很 多 学 者 都 针 对 该 问 题 进 行 了 深 入 研 究, 并 取 得 了 一 定 的 成 果 文 献 [40] 将 测 量 点 处 的 曲 面 用 体 表 示 法 (volumetric representation) 来 描 述, 并 用 扩 散 法 在 等 值 面 上 插 入 新 的 数 据, 实 现 三 角 网 格 模 型 复 杂 孔 洞 数 据 的 修 复 文 献 [41] 通 过 增 加 顶 点 对 的 收 缩 操 作, 实 现 网 格 模 型 中 不 连 续 区 域 的 缝 合 该 方 法 引 入 了 一 种 新 的 顶 点 单 边 融 合 操 作, 为 三 角 网 格 的 缝 合 和 缩 小 距 离 提 供 了 有 力 的 支 持 文 献 [42] 直 接 将 孔 洞 多 边 形 的 边 界 用 三 角 片 进 行 相 连, 然 后 采 用 细 分 和 网 格 光 顺 的 方 法 实 现 孔 洞 与 其 周 围 边 界 区 域 的 光 滑 连 接 上 述 这 几 种 方 法 由 于 改 变 了 原 有 模 型 的 网 格 分 布 及 形 状, 因 此 修 补 后 的 效 果 并 不 理 想 文 献 [43] 在 直 接 填 充 孔 洞 的 基 础 上 对 孔 洞 三 角 片 进 行 细 分, 在 孔 洞 内 部 不 断 生 成 新 增 三 角 片, 得 到 的 三 角 片 形 状 较 为 优 化, 而 且 新 产 生 的 修 补 三 角 片 的 大 小 与 孔 洞 周 围 原 有 三 角 网 格 相 协 调 文 献 [44] 通 过 建 立 空 间 孔 洞 多 边 形 的 特 征 面, 把 对 空 间 孔 洞 多 边 形 的 三 角 划 分 问 题 投 影 到 平 面 上 进 行 处 理, 然 后 根 据 投 影 后 的 孔 洞 多 边 形 边 界 的 夹 角 关 系 不 断 生 成 新 增 的 三 角 片 来 填 充 孔 洞 以 上 算 法 的 主 要 缺 陷 是 没 有 充 分 考 虑 网 格 曲 面 在 孔 洞 附 近 的 几 何 形 态, 因 此 修 补 部 分 不 容 易 和 整 个 曲 面 光 滑 地 融 为 一 体 文 献 [39] [45] [46] 利 用 径 向 基 函 数 实 现 网 格 孔 洞 的 修 复 其 中, 文 献 [46] 在 对 孔 洞 多 边 形 进 行 填 补 后, 使 用 径 向 基 函 数 建 立 孔 洞 曲 面 的 隐 式 方 程, 然 后 把 新 增 加 的 三 角 片 顶 点 映 射 到 曲 面 上 该 方 法 在 修 补 孔 洞 时 不 仅 考 虑 了 孔 洞 多 边 形 的 三 角 划 分 问 题, 还 考 虑 了 孔 洞 周 围 的 几 何 信 息, 使 得 修 补 后 的 孔 洞 曲 面 与 原 始 曲 面 能 光 滑 地 连 接 文 献 [45] 中 提 出 了 一 种 基 于 径 向 基 函 数 的 神 经 网 络 修 补 方 法 该 方 法 首 先 检 测 出 孔 洞, 通 过 对 孔 洞 特 征 多 边 形 实 施 三 角 化 获 得 新 增 三 角 片 顶 点 ; 在 孔 洞 边 界 周 围 采 集 三 角 片 顶 点, 将 其 作 为 样 本 点 集 来 训 练 RBF 网 络 ; 将 训 练 好 的 RBF 网 络 用 于 新 增 三 角 片 顶 点 坐 标 的 优 化, 最 终 实 现 孔 洞 的 修 补

33 22 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 基 于 径 向 基 函 数 的 孔 洞 修 复 算 法 的 最 大 特 点 是 修 复 后 的 孔 洞 能 与 其 边 界 网 格 光 滑 地 连 接, 但 由 于 插 入 的 三 角 片 过 于 平 滑, 因 此 无 法 有 效 地 恢 复 孔 洞 缺 失 的 细 节 特 征 随 着 研 究 者 对 网 格 孔 洞 修 补 技 术 的 不 断 深 入 研 究, 许 多 研 究 者 提 出 了 恢 复 缺 失 特 征 的 网 格 修 补 算 法 其 中, 文 献 [46] 提 出 了 一 种 基 于 模 板 的 网 格 修 补 算 法, 将 完 整 的 网 格 和 模 板 库 建 立 映 射 关 系, 采 用 该 映 射 选 择 模 板 中 的 合 适 网 格 片 和 原 始 带 空 洞 网 格 进 行 缝 合 文 献 [47] 则 通 过 对 修 补 后 的 孔 洞 进 行 特 征 增 强, 实 现 网 格 孔 洞 的 特 征 修 复 除 上 述 修 复 算 法 外, 文 献 [48] 使 用 有 向 粒 子 系 统 来 拓 展 和 插 入 三 维 离 散 点 完 成 孔 洞 的 填 充 文 献 [49] 使 用 像 素 空 间 中 的 体 积 方 法 进 行 孔 洞 修 补 文 献 [50] 描 述 了 一 种 通 过 交 互 修 补 网 格 裂 缝 的 方 法, 缝 合 裂 缝 的 对 应 边, 然 后 检 测 并 填 充 缝 合 后 留 下 的 洞 这 些 算 法 由 于 步 骤 较 多, 因 此 实 现 起 来 比 较 烦 琐 1 畅 3 畅 4 网 格 简 化 技 术 在 虚 拟 现 实 和 计 算 机 仿 真 等 领 域 的 研 究 中, 为 了 达 到 视 觉 上 的 逼 真 效 果, 往 往 需 要 数 以 万 计 的 三 角 片 来 描 述 三 维 几 何 模 型 的 细 节 例 如, 斯 坦 福 大 学 的 数 字 米 开 朗 基 罗 计 划 中 对 雕 塑 大 卫 扫 描 后 生 成 的 几 何 数 据 就 高 达 20 多 亿 个 三 角 [51] 片, 这 些 复 杂 的 模 型 对 计 算 机 的 存 储 容 量 处 理 速 度 绘 制 速 度 传 输 效 率 等 都 提 出 了 很 高 的 要 求 然 而 在 很 多 情 况 下, 高 分 辨 率 的 模 型 并 不 总 是 必 要 的, 模 型 的 准 确 度 以 及 需 要 处 理 的 时 间 也 要 有 一 个 折 中, 因 此 必 须 用 一 些 相 对 简 单 的 模 型 来 代 替 原 始 模 型, 这 就 是 对 模 型 进 行 简 化 网 格 模 型 化 简 是 指 在 保 持 原 模 型 几 何 形 状 不 变 的 前 提 下, 采 用 适 当 的 算 法 减 少 该 模 型 的 面 片 数 边 数 和 顶 点 数 化 简 对 于 几 何 模 型 的 存 储 传 输 处 理, 特 别 是 对 实 时 绘 制 有 着 重 要 的 意 义 三 维 网 格 简 化 的 最 初 思 想 可 以 追 溯 到 20 世 纪 70 年 代, 在 近 几 年 来, 研 究 者 [52] 们 发 展 了 许 多 有 效 的 网 格 简 化 方 法, 根 据 应 用 目 的 的 不 同, 使 用 的 方 法 也 多 种 多 样, 各 有 优 点 和 不 足 之 处 目 前 常 用 的 网 格 简 化 方 法 主 要 有 顶 点 聚 类 法 区 域 合 并 法 几 何 元 素 删 除 法 及 小 波 分 解 法 等 1 畅 顶 点 聚 类 法 顶 点 聚 类 算 法 首 先 用 一 个 包 围 盒 将 原 始 模 型 包 围 起 来, 然 后 通 过 空 间 划 分 将 包 围 盒 分 成 若 干 区 域, 每 个 区 域 内 的 顶 点 被 合 并 成 一 个 新 顶 点, 根 据 原 始 网 格 的 拓 扑 关 系 对 新 顶 点 进 行 三 角 化, 可 得 简 化 模 型 这 种 网 格 模 型 可 以 处 理 任 意 的 拓 扑 类 型, 而 且 速 度 较 快, 但 由 于 没 有 较 好 的 误 差 控 制, 因 此 生 成 模 型 的 质 量 不 [53] 高 文 献 [54] 采 用 八 叉 树 结 构 对 网 格 包 围 盒 作 自 适 应 划 分, 同 时 采 用 二 次 误 差 测 度 来 控 制 新 顶 点 的 生 成, 有 效 地 改 善 了 网 格 的 简 化 效 果 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

34 第 1 章 概 述 23 2 畅 区 域 合 并 法 文 献 [53] 提 出 了 一 种 典 型 的 区 域 合 并 方 法 该 方 法 选 择 一 个 三 角 片 为 种 子 面, 根 据 一 定 的 准 则 将 周 围 的 面 合 并 起 来 形 成 一 个 更 大 的 面 ( 称 为 超 面 ), 再 将 超 面 边 界 拉 直, 并 对 其 重 新 三 角 化, 从 而 达 到 面 片 化 简 的 目 的 这 种 算 法 可 以 由 用 户 自 己 控 制 简 化 模 型 的 误 差, 有 效 保 持 了 模 型 的 拓 扑 结 构, 但 是 不 足 之 处 是 容 易 导 致 带 洞 超 面 的 产 生, 且 计 算 效 率 复 杂 文 献 [55] 对 该 方 法 进 行 了 改 进, 采 用 区 域 分 割 算 法 消 除 超 面 周 界 投 影 轮 廓 的 自 相 交, 避 免 了 带 洞 超 面 的 产 生, 因 此 该 算 法 的 运 行 效 率 提 高 了 一 倍 文 献 [56] 提 出 了 一 个 简 化 包 络 (simplification envelopes) 框 架 该 算 法 可 以 保 证 化 简 在 全 局 误 差 范 围 内 进 行, 不 改 变 原 始 模 型 的 拓 扑 结 构, 同 时 可 以 很 好 地 保 持 原 始 模 型 的 尖 锐 特 征 3 畅 几 何 元 素 删 除 法 这 类 方 法 的 特 点 是 根 据 原 模 型 的 几 何 拓 扑 信 息, 在 保 持 一 定 的 几 何 误 差 的 前 提 下 删 除 对 模 型 几 何 特 征 影 响 相 对 较 小 的 几 何 图 元 ( 点 边 面 ) 几 何 元 素 [57] [57] 删 除 法 主 要 包 括 顶 点 删 除 法 三 角 形 删 除 法 [58 ~ 62], 边 ( 顶 点 对 ) 折 叠 法 以 [54, 63,64] 及 三 角 形 折 叠 法 等 简 化 方 法 目 前 研 究 较 多 的 是 边 折 叠 法 和 三 角 形 折 叠 法 边 折 叠 简 化 算 法 是 指, 在 每 一 次 简 化 操 作 中 以 边 作 为 被 删 除 的 基 本 几 何 元 素 边 折 叠 的 关 键 是 折 叠 的 次 序 以 及 边 折 叠 后 新 顶 点 的 位 置 文 献 [58] 采 用 能 量 优 化 的 方 式 来 确 定 折 叠 次 序 和 新 顶 点 的 位 置, 这 种 方 法 虽 然 计 算 复 杂, 所 需 的 时 间 也 较 长, 但 生 成 模 型 的 效 果 却 是 在 所 有 化 简 方 法 中 最 好 的 文 献 [59] 提 出 了 一 种 基 于 二 次 误 差 测 度 (quadric error metric, QE M) 的 简 化 算 法 该 算 法 的 误 差 测 度 是 基 于 顶 点 到 平 面 的 距 离 平 方 和, 执 行 速 度 快, 生 成 的 简 化 模 型 质 量 仅 次 于 文 献 [58] 中 的 能 量 优 化 方 法, 是 一 种 非 常 有 效 的 简 化 算 法 文 献 [60] 用 模 型 简 化 其 前 后 体 积 和 面 积 的 变 化 作 为 误 差 测 度, 也 得 到 了 与 QEM 类 似 的 数 学 表 达, 这 种 方 法 在 计 算 边 折 叠 队 列 和 新 顶 点 的 位 置 时 只 需 要 网 格 模 型 的 面 连 接 信 息 和 顶 点 的 位 置, 所 以 该 算 法 占 用 内 存 量 小, 运 算 速 度 快 文 献 [61] 采 用 改 进 的 蝶 形 细 分 算 法 来 计 算 新 顶 点 的 位 置, 效 果 较 好, 但 是 时 间 复 杂 度 较 高 三 角 形 折 叠 简 化 方 法 是 指 在 简 化 时 以 三 角 面 作 为 被 删 除 的 基 本 元 素 它 是 边 折 叠 算 法 的 延 续, 一 次 三 角 形 折 叠 可 以 删 除 4 个 三 角 形 2 个 顶 点 文 献 [57] 将 三 角 形 的 权 重 定 义 为 等 角 度 (equi 唱 angularity) 与 曲 率 的 乘 积, 然 后 对 网 格 模 型 上 的 所 有 三 角 形 按 权 重 进 行 排 序, 并 依 次 折 叠, 这 样 细 长 且 曲 率 较 低 的 三 角 面 将 首 先 被 删 除 文 献 [63] 也 提 出 了 类 似 的 三 角 形 折 叠 简 化 算 法, 定 义 每 个 三 角 形 的 权 重 为 该 三 角 形 的 面 积 与 曲 率 等 因 素 的 乘 积, 这 种 算 法 复 杂 度 较 高, 但 可 以

35 24 三 维 视 景 仿 真 可 视 化 建 模 技 术 较 好 地 保 持 外 形 文 献 [64] 则 将 边 折 叠 与 三 角 形 折 叠 结 合 起 来 构 造 半 实 时 多 分 辨 率 模 型 4 畅 小 波 分 解 法 小 波 分 解 方 法 为 层 次 细 节 模 型 提 供 了 一 个 完 美 的 数 学 表 达 方 式, 它 首 先 由 文 献 [65] 提 出, 主 要 原 理 是 利 用 小 波 分 析 的 方 法 将 一 个 三 维 模 型 分 解 成 低 分 辨 率 部 分 和 细 节 部 分, 低 分 辨 率 部 分 是 原 始 模 型 的 一 个 子 集, 它 的 顶 点 为 原 始 模 型 中 对 应 顶 点 的 邻 域 的 加 权 平 均, 通 常 用 低 通 滤 波 来 实 现, 细 节 部 分 通 常 包 含 抽 象 的 小 波 系 数, 由 高 通 滤 波 实 现 该 方 法 的 重 建 过 程 是 通 过 选 择 适 量 的 高 频 信 号 与 低 频 信 号 以 合 成 相 应 精 度 的 三 维 模 型 这 种 方 法 简 单 高 效, 但 不 足 之 处 是 仅 适 用 [66] 于 具 有 细 分 连 通 性 的 三 角 网 格 Ekc 等 人 对 上 述 算 法 进 行 了 改 进, 通 过 调 和 映 射 (harmonic mapping) 可 以 构 造 任 意 网 格 的 小 波 表 示 1 畅 3 畅 5 可 见 性 判 断 算 法 目 前 在 可 见 性 判 断 的 研 究 领 域, 热 点 集 中 在 如 何 快 速 判 断 可 能 可 见 性 或 不 可 见 性 方 面 不 可 见 剔 除 可 分 为 三 种 : 背 向 面 剔 除 视 域 剔 除 和 遮 挡 剔 除 其 中 的 遮 挡 剔 除 不 同 于 其 他 两 种 剔 除 方 式, 它 需 要 利 用 全 局 知 识, 即 需 要 考 虑 同 一 场 景 中 的 其 他 绘 制 元 素 和 当 前 绘 制 元 素 之 间 的 关 系 所 以, 相 对 于 前 两 者, 它 更 加 复 杂, 但 在 深 度 复 杂 的 场 景 中 它 可 为 提 高 绘 制 效 率 提 供 更 多 的 收 益 Airey 在 文 献 [65] 中 首 先 提 出 了 基 于 视 点 区 域 的 cell 唱 and 唱 portal 可 见 性 评 估 技 术 在 文 献 [67] 中, 提 出 了 几 个 通 过 采 样 方 法 在 指 定 精 度 下 近 似 计 算 通 过 portal 可 能 可 见 的 多 边 形 的 方 法, 但 这 些 方 法 不 能 保 证 求 得 的 可 能 可 见 集 是 保 守 [68] 的 另 一 种 基 于 视 点 区 域 的 可 见 性 评 估 技 术 由 Teller 提 出 该 方 法 引 入 了 cell 唱 to 唱 cell 可 见 性 的 概 念 和 相 应 的 计 算 方 法, 通 过 测 试 一 个 cell 中 的 一 些 关 键 位 置 对 另 一 个 cell 中 的 一 些 关 键 位 置 的 可 见 性 来 决 定 是 否 可 以 从 一 个 cell 观 察 到 另 [69] 一 个 cell Luebke 等 人 提 出 了 基 于 视 点 的 cell 唱 and 唱 portals 的 遮 挡 剔 除 技 术 [67] 该 方 法 借 鉴 了 Airey 和 Teller 的 基 于 区 域 的 遮 挡 剔 除 技 术 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 不 同 的 是 该 方 法 无 需 预 先 计 算 针 对 视 点 区 域 的 可 能 可 见 集, 而 是 深 度 优 先 地 递 归 访 问 场 景 中 portal, 并 通 过 估 计 (overestimate) 它 们 的 投 影 来 进 行 在 线 实 时 遮 挡 剔 除 在 文 献 [70] 中 提 出 了 一 种 动 态 挑 选 遮 挡 物 并 计 算 其 阴 影 区 域 (shado w frustum) 的 方 法 来 进 行 遮 挡 剔 除 这 种 方 法 从 另 一 个 角 度 来 看 待 物 体 之 间 的 遮 挡 性, 把 视 点 看 做 点 光 源, 如 果 物 体 A 处 于 物 体 B 的 阴 影 ( 由 点 光 源 造 成 的 阴 影 ) 中, 则 物 体 B 遮 挡 了 物 体 A, 物 体 A 是 不 可 见 的 在 文 献 [71] 中, 作 者 提 出 了 一 个 改 进 的 方 法 该 方 法 将 阴 影 区 域 组 织 成 一 棵 遮 挡 树, 开 始 时, 遮 挡 树 只 有 一 个 lit 结 点, 然 后 将 遮 挡 物 逐 一 插 入 该 树 中 当 一 个 遮 挡 物 位 于 一 个 lit 结 点 中, 则