基于DEM样本的交互式地形合成方法研究

Terrain generation is a classical problem in Computer Graphics, and has a wide range of applications. Compared with procedural and physics-based terrain generation methods, digital elevation model (DEM) sample-based terrain synthesis can provide more convenient and intuitive user control, and generate more realistic terrains, but speed is a big obstacle for its application, also, the user control interfaces of existing methods are monotonous and not humanized . This project chooses DEM sample-based interactive terrain synthesis as the research direction. By utilizing GPU parallel computing, KD tree and neighborhood coherency-based propagation to accelerate each synthesis stage, and by research on multi-level of detail synthesis scheme, high-quality and efficient synthesis are achieved, the artificial tuning of patch size is avoided, and users are provided with gradual display of synthesis results. Besides, by organic integration of some existing human-computer interaction interfaces, and based on the implementation of humanized autocomplete function for terrain feature drawing and feature copying brush, convenient, intuitive and diverse user control interface is realized.

地形生成是计算机图形学领域的经典问题，有着广泛应用。相对于过程化和基于物理模型的方法，基于数字高程模型(DEM)样本的地形合成能提供更方便直观的用户控制，且所生成地形的真实感更强，但速度问题是阻碍其应用的一大障碍，此外现有方法也存在交互控制方式单一且不够人性化的不足。本项目选定基于DEM样本的交互式地形合成为研究方向，通过利用GPU并行计算、KD树以及基于邻域相关性的传播对各合成阶段加速，并对多细节等级的地形合成进行研究，在实现高质高效合成的同时，避免了块大小的人为调节，还可为用户提供渐进显示的合成结果。此外，通过对多种现有的人机交互接口进行有机整合，并提供人性化的地形特征绘制自动完成功能以及特征复制画刷，实现更加方便、直观而多样化的用户控制接口。

地形生成是计算机图形学领域的经典问题，有着广泛应用。相对于过程化和基于物理模型的方法，基于数字高程模型(DEM)样本的地形合成能提供更方便直观的用户控制，且所生成地形的真实感更强，但合成效率较低，提供给用户的交互控制接口也还较单一和不够人性化。针对这些问题，本项目选择基于DEM 样本的交互式地形合成为研究方向，对地形特征提取、特征区域匹配合成、非特征区域合成，以及方便灵活多样的交互控制方法进行了深入研究。（1）在地形特征提取方面，提出了全局断面扫描算法、改进的基于梯度的地形断面分析算法以及显著度可控的DEM地形特征线提取方法，在实现显著度可控的山脊/山谷线提取的同时，提高了特征线提取的鲁棒性，同时能够支持含有环形特征的地形。（2）在地形合成方面，提出一种基于传播辅助KD树的地形特征区域合成方法和一种基于并行随机采样与传播的地形非特征区域合成方法，有效提升了地形合成的了效率和匹配精度，并优化了融合效果；此外，对多细节等级的地形合成进行了研究，利用不同显著度的地形特征线指导不同细节等级的地形合成，可在合成地形很大时，为用户提供不同细节等级渐进显示的合成结果。（3）在交互控制方面：实现了一种多视图整合的用户草图绘制接口，并为用户提供了人性化的自动完成工具和特征复制画刷等工具，方便用户对地形特征进行直观地控制，同时也可增强目标草图中的特征真实感；实现了支持特征拖拽和交互式优化调整等功能的合成后的地形优化和编辑控制；此外，提出一种基于GPU的三维几何图元拾取方法，利用几何shader实现了高效的点拾取和块拾取。（4）开发了一套基于DEM样本的交互式地形合成系统。本项目发表学术论文18篇，其中SCI/EI收录5篇，申请国家发明专利7项，其中2项已授权，1项已转让，获软件著作权1项，培养硕士生3名。