陰影體在地震數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用

由于長期穩(wěn)定的構(gòu)造條件和應(yīng)力場的作
用，我國地震空間分布較為穩(wěn)定。但地震活動
會隨著時間推移不停的發(fā)生變化，會存在一些
地震問題，如震區(qū)搶險救災(zāi)，地震預(yù)警，震源
分析等。如果通過已知地震空間分布區(qū)域內(nèi)地
震信息的數(shù)據(jù)，生成一個地震區(qū)域虛擬場景。
將地震信息貼地繪制在虛擬場景中，這樣就可
以很直觀的為地震問題的探索和研究提供有價
值的參考。
1 問題分析
在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實際應(yīng)用中，有兩個
重要的過程，建模和渲染。在實際的現(xiàn)實應(yīng)用
中，建模過程一般采用成熟的商業(yè)建模來完成。
在本文我們可以把模型數(shù)據(jù)看作是固定的，也
就是一個靜態(tài)過程。那么在這里，虛擬現(xiàn)實技
術(shù)的實時性和真實性的關(guān)鍵點就在于渲染。
陰影體方法是基于細(xì)節(jié)層次（LOD）幾
何技術(shù)中的一種延伸，它需要幾何形體的輪廓
產(chǎn)生一個封閉的容積充當(dāng)遮擋物，然后根據(jù)光
源（視點）和遮擋物的位置關(guān)系計算出場景中
會產(chǎn)生陰影的區(qū)域，稱之為掩膜。然后對所有
物體進行匹配檢測，以確定物體會不會受到掩
膜的影響。陰影體以屏幕空間為工作空間，可
以做到單像素精確，改善效果問題。同時，
它獨立于底層的地形幾何，并利用渲染引擎提
高性能，即使是對于高分辨率的數(shù)據(jù)集也有著
廣泛的實用性。在獨立的地形細(xì)節(jié)層次幾何部
分，我們可以最大程度的保證細(xì)節(jié)層次幾何輪
陰影體在地震數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用
文/朱永哲 1 郭朝令 2 姜保慶 3
在過去的一段時間中，虛擬
現(xiàn)實技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。特
別是在最近幾年，在復(fù)雜虛擬場
景中可視化數(shù)據(jù)，為研究各種社
會問題提供了重要參考。虛擬現(xiàn)
實技術(shù)中有兩個很重要的因素，
即虛擬場景渲染的實時性和虛擬
場景渲染結(jié)果的真實性。盡管現(xiàn)
在的硬件設(shè)備可以滿足渲染數(shù)以
千萬計的多邊形數(shù)據(jù)，但是在特
定的復(fù)雜場景環(huán)境下，若不采用
合理高效的算法，將會無法滿足
現(xiàn)實要求。本文對虛擬現(xiàn)實技術(shù)
在地震數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用進入
深入的研究。針對其中的一些關(guān)
鍵點，研究結(jié)合陰影體（shadow
volume）方法，給出了具體的工
程應(yīng)用場合和應(yīng)用方法，并展示
結(jié)果。
摘
要
廓的清晰，而不用關(guān)注其細(xì)節(jié)。對掩膜范圍進
行匹配計算后，再對范圍內(nèi)的部分進行渲染。
這種處理策略可以很好的應(yīng)用在我們的問題研
究中。
2 陰影體過程步驟描述
陰影體的常見的方法是通過 CPU 進行遮
擋物模型處理，使用純粹的硬件加速模版陰影
體技術(shù)，然后在 GPU 上進行交叉點檢測和生
成陰影掩膜，根據(jù)掩膜進行渲染著色。
常規(guī)的過程是在進行光源（視點）測試判
斷后，我們需要把地震空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建成模型，
然后繪制到模版緩沖區(qū)，以生成適當(dāng)遮擋物。
而為了最大限度減少大多面體所引起的高光柵
工作量，我們要盡量減小大多面體的尺寸。要
達到這個目的，我們要移動所生成遮擋物幾何
的頂部和底部，使它們朝向地形表面，而兩側(cè)
則盡可能的接近地形表面但是并不與它相交。
在我們的實現(xiàn)中，我們要利用地形渲染引擎中
所固有的四叉樹包圍盒。用包圍盒來表示封閉
遮擋物幾何的上下邊界，為遮擋物幾何的頂部
和底部提供合適的上下邊界。
在多邊形幾何的情況下，我們要使用整
個多邊形幾何封閉包圍盒投影的最大和最小高
度值，用來表示多邊形幾何頂部和底部頂點的
高度值。所構(gòu)造的遮擋物幾何是被包含在包圍
盒中的，這是為了確保環(huán)繞一致，以便于所有
面的法線指向外部。在地震條帶面數(shù)據(jù)不被修
改的前提下，所得的每個幾何形狀對象都是儲
存在有效的緩存對象中。
在了解陰影體的基本原理和遮擋物之后，
我們要計算出以屏幕空間為光源同以地震空間
數(shù)據(jù)模型作為遮擋物的相對位置關(guān)系，然后對
地形層次幾何進行匹配檢測，以確定其是否受
到影響，對于受影響的部分，生成緩沖區(qū)掩膜。
掩膜應(yīng)用場景必須針對每個對象分別進
行，因為每個對象都是允許有不同顏色的。因
此，如果直接在模板緩沖區(qū)中渲染所有對象，
應(yīng)用生成后會同時渲染屏幕區(qū)域，我們無法區(qū)
分不同對象的顏色。如果只有少數(shù)不同的對象
顏色在場景中，可以按顏色分類，渲染每個色
組。這樣可以幫助我們減少需要填充顏色的比
率和應(yīng)對對象狀態(tài)的改變。根據(jù)上文，我們用
地震數(shù)據(jù)模型，參照光源，計算生成了掩膜，
下一步把掩膜被渲染到模板緩沖區(qū)中。這樣就
可以得到我們要的效果。
然而在實際情況中，我們其實并不需要進
行交叉點檢測，因為我們是以地震空間數(shù)據(jù)為
遮擋物，它的數(shù)據(jù)地理信息是我們詳細(xì)掌握的，
我們可以不用 CPU 進行交點檢測，直接根據(jù)
數(shù)據(jù)地理信息生成掩膜，這樣最大的優(yōu)點就是
只用一個GPU就可以實現(xiàn)，釋放了CPU。因此，
在掌握有詳細(xì)數(shù)據(jù)的情況下，使用這種策略，
可以極大優(yōu)化性能。
之 后 使 用 OpenGL 中 EXT_stencil_wrap
和 EXT_stencil_side 擴展，目的是為了簡化在
模版緩沖區(qū)中生成掩膜。EXT_stencil_wrap 擴
展了兩個特別的額外模版操作，這兩個新的操
作類似于現(xiàn)有的遞增和遞減操作，但是新操作
的結(jié)果更加的完善，這樣可以減少出現(xiàn)因模版
緩沖區(qū)分辨率不足而導(dǎo)致的陰影結(jié)果不正確的
情況。EXT_stencil_side 擴展提供了雙面模版
測試，其中模版關(guān)系狀態(tài)可以對應(yīng)不同的前端
面和后端面多邊形。使用雙面模版測試前后端
面可以在單通道渲染，這樣可以提高性能。
但這中間也存在一個問題，在出現(xiàn)陡峭
斜坡時會略有失真，這是一個普遍問題，當(dāng)渲
染對象應(yīng)保留斜坡的寬度不變時，對于道路或
輪廓線之類而言，它們投影會產(chǎn)生失真。
3 結(jié)論
本文闡述了一個陰影體特殊應(yīng)用策略，
能夠針對地震條帶的矢量數(shù)據(jù)進行高質(zhì)量和高
效率的實時可視化。該算法不需要特殊的硬件
擴展。事實上，它是獨立于底層的地形繪制引
擎的。并且因為這個算法不受地形幾何形狀變
化的影響，特別適合與視圖相關(guān)的 LOD 相關(guān)
工作。
（通訊作者：姜保慶）
參考文獻
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作者簡介
朱永哲 (1992-)，男，河南省許昌市人。碩士
研究生學(xué)位。主要研究方向為計算機圖形學(xué)。
通訊作者簡介
姜保慶(1964-)，男，河南省滑縣人。博士學(xué)位。
現(xiàn)為鄭州電力高等專科學(xué)校教授。主要研究方
向為數(shù)據(jù)挖掘，計算機圖形學(xué)。
作者單位
1. 河南大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院數(shù)據(jù)與知
識工程研究所 河南省開封市 475001
2. 鄭州電力高等專科學(xué)校 河南省鄭州市
450000

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