本發(fā)明涉及三維仿真，尤其涉及基于深度學(xué)習(xí)的三維地形高效實時渲染方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、三維地形高效實時渲染是指在有限的時間內(nèi)，通過對三維地形數(shù)據(jù)的快速處理和繪制，將三維地形模型轉(zhuǎn)換為用戶能夠看到的具有流暢畫面更新能力的二維圖像的過程，其核心在于能夠快速處理和繪制大量的地形數(shù)據(jù)，同時保持高幀率和圖像，為各種應(yīng)用提供了強大的三維地形可視化能力，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，可獲取到的數(shù)字地形數(shù)據(jù)精度要求越來越高，帶動了大規(guī)模地形場景需求的增加，對畫面流暢度和細節(jié)真實感的極致追求，導(dǎo)致地形處理的渲染技術(shù)需要進一步優(yōu)化。

2、現(xiàn)有技術(shù)中的三維地形實時渲染方法主要依賴于細節(jié)層次技術(shù)，根據(jù)觀察點與地形的距離動態(tài)調(diào)整地形網(wǎng)格的精度，實現(xiàn)在不同細節(jié)層次下對地形的有效渲染，但該方法需要人工設(shè)計不同細節(jié)級別的模型，可能會產(chǎn)生許多無關(guān)幾何元素，如遠鏡頭地面的細節(jié)紋理結(jié)構(gòu)，增加了渲染工作量，從而影響三維地形實時渲染的效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供了基于深度學(xué)習(xí)的三維地形高效實時渲染方法及系統(tǒng)，可以剔除三維地形模型在渲染過程中的無關(guān)幾何元素，提高三維地形的實時渲染效率。

2、第一方面，本發(fā)明提供了基于深度學(xué)習(xí)的三維地形高效實時渲染方法，包括：

3、采集待渲染地形的圖像數(shù)據(jù)集，對所述圖像數(shù)據(jù)集進行規(guī)范化處理，得到目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)集，分析所述目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)集中的地形屬性；

4、基于所述地形屬性，提取出所述待渲染地形對應(yīng)的圖像局部特征，分析所述圖像局部特征的偏差程度，基于所述偏差程度，構(gòu)建所述圖像局部特征的特征向量，根據(jù)所述特征向量，識別出所述圖像數(shù)據(jù)集中的混合地形，并對所述混合地形進行三維重建，得到三維地形模型；

5、分析所述三維地形模型中所述待渲染地形的光照方向，基于所述光照方向，計算所述三維地形模型的光照強度，并識別出所述三維地形模型的陰影分布區(qū)域，對所述三維地形模型進行地塊分區(qū)，得到分區(qū)地塊，提取所述分區(qū)地塊對應(yīng)的密集點云數(shù)據(jù)，基于所述密集點云數(shù)據(jù)，計算所述待渲染地形的地形粗糙度；

6、根據(jù)所述光照強度、所述陰影分布區(qū)域和所述地形粗糙程度，分析所述三維地形模型的仿真效果，根據(jù)所述仿真效果，識別出所述三維地形模型在渲染過程中的無關(guān)幾何元素，并對所述無關(guān)幾何元素進行視域剔除處理，得到目標(biāo)渲染對象，設(shè)置所述目標(biāo)渲染對象的細節(jié)渲染級別；

7、結(jié)合所述三維地形模型和所述細節(jié)渲染級別，對三維地形進行實時渲染，得到實時渲染結(jié)果。

8、在第一方面的一種可能實現(xiàn)方式中，所述分析所述目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)集中的地形屬性，包括：

9、對所述目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)集進行圖像分割，得到分割圖像；

10、識別出所述分割圖像中的地形特征；

11、根據(jù)所述地形特征，分析出所述分割圖像中的特定對象；

12、基于所述特定對象，分析所述目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)集中的地形屬性。

13、在第一方面的一種可能實現(xiàn)方式中，所述基于所述地形屬性，提取出所述待渲染地形對應(yīng)的圖像局部特征，包括：

14、基于所述地形屬性，對所述待渲染地形的真實地形進行分類處理，得到真實分類地形；

15、分析所述真實分類地形對應(yīng)的關(guān)鍵特征線；

16、根據(jù)所述真實分類地形，分析所述關(guān)鍵特征線的圖像特征表示；

17、基于所述圖像特征表示，提取出所述待渲染地形對應(yīng)的圖像局部特征。

18、在第一方面的一種可能實現(xiàn)方式中，所述基于所述偏差程度，構(gòu)建所述圖像局部特征的特征向量，包括：

19、基于所述偏差程度，識別出所述圖像局部特征對應(yīng)的待渲染地形的結(jié)構(gòu)特征；

20、提取出所述圖像局部特征中的特定對象；

21、分析所述特定對象之間的空間關(guān)系；

22、根據(jù)所述結(jié)構(gòu)特征和所述空間關(guān)系，構(gòu)建所述圖像局部特征的特征向量。

23、在第一方面的一種可能實現(xiàn)方式中，所述對所述混合地形進行三維重建，得到三維地形模型，包括：

24、采集所述混合地形對應(yīng)的地形表面數(shù)據(jù)，并對所述地形表面數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，得到目標(biāo)地形數(shù)據(jù)；

25、基于所述目標(biāo)地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建所述混合地形表面的三角網(wǎng)格；

26、提取出所述目標(biāo)地形數(shù)據(jù)中的高程數(shù)據(jù)，并基于所述高程數(shù)據(jù)，構(gòu)建所述混合地形的地形表面模型；

27、對所述地形表面模型進行紋理映射，得到模型紋理表面；

28、根據(jù)所述三角網(wǎng)格、所述地形表面模型和所述模型紋理表面，對所述混合地形進行三維重建，得到三維地形模型。

29、在第一方面的一種可能實現(xiàn)方式中，所述基于所述目標(biāo)地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建所述混合地形表面的三角網(wǎng)格，包括：

30、匹配所述目標(biāo)地形數(shù)據(jù)中的圖像特征點，查詢所述圖像特征點對應(yīng)的地形特征；

31、根據(jù)所述地形特征，設(shè)置所述圖像特征點的位置布局；

32、采集所述圖像特征點的三維點集；

33、根據(jù)所述位置布局，在所述三維點集內(nèi)構(gòu)建所述混合地形表面的三角網(wǎng)格。

34、在第一方面的一種可能實現(xiàn)方式中，所述分析所述三維地形模型中所述待渲染地形的光照方向，包括：

35、采集所述待渲染地形對應(yīng)的高程數(shù)據(jù)；

36、分析所述待渲染地形在所述高程數(shù)據(jù)中的形態(tài)特征；

37、設(shè)置所述待渲染地形在所述三維地形模型中的模擬時間類型；

38、根據(jù)所述模擬時間類型和所述形態(tài)特征，設(shè)置所述三維地形模型的方位角和仰角；

39、基于所述方位角和所述仰角，分析所述三維地形模型中所述待渲染地形的光照方向。

40、在第一方面的一種可能實現(xiàn)方式中，所述基于所述光照方向，計算所述三維地形模型的光照強度，包括：

41、采集所述三維地形模型對應(yīng)的高程數(shù)據(jù)；

42、提取出所述高程數(shù)據(jù)中的單元網(wǎng)格數(shù)據(jù)；

43、利用下述公式計算所述單元網(wǎng)格數(shù)據(jù)的法線向量：

44、

45、其中，表示單元網(wǎng)格數(shù)據(jù)在坐標(biāo)(x,y)處的法線向量，hright(x+d,y)表示當(dāng)前單元網(wǎng)格數(shù)據(jù)中右側(cè)相鄰單元的高程值，hleft(x-d,y)表示當(dāng)前單元網(wǎng)格數(shù)據(jù)中左側(cè)相鄰單元的高程值，hdown(x,y+d)表示當(dāng)前單元網(wǎng)格數(shù)據(jù)中下方相鄰單元的高程值，hup(x,y-d)表示當(dāng)前單元網(wǎng)格數(shù)據(jù)中上方相鄰單元的高程值，d表示單元網(wǎng)格數(shù)據(jù)中單元網(wǎng)格的高度；

46、根據(jù)所述法線向量和所述光照方向，計算所述三維地形模型的光照強度。

47、在第一方面的一種可能實現(xiàn)方式中，所述根據(jù)所述仿真效果，識別出所述三維地形模型在渲染過程中的無關(guān)幾何元素，包括：

48、根據(jù)所述仿真效果，識別出所述三維地形模型中場景元素的影響級別；

49、分析所述影響級別對應(yīng)的可視化效果；

50、利用下述公式計算所述可視化效果對整體效果的貢獻度：

51、

52、其中，g表示可視化效果對整體效果的貢獻度，n表示可視化效果值對應(yīng)的整體效果值的總數(shù)，ag表示第g個可視化效果的值，af表示第f個整體效果的值，表示整體效果值的總和，表示第g個可視化效果值占整體效果值總和的比例；

53、根據(jù)所述貢獻度，識別出所述三維地形模型在渲染過程中的無關(guān)幾何元素。

54、第二方面，本發(fā)明提供基于深度學(xué)習(xí)的三維地形高效實時渲染系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

55、數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集待渲染地形的圖像數(shù)據(jù)集，對所述圖像數(shù)據(jù)集進行規(guī)范化處理，得到目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)集，分析所述目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)集中的地形屬性；

56、模型生成模塊，用于基于所述地形屬性，提取出所述待渲染地形對應(yīng)的圖像局部特征，分析所述圖像局部特征的偏差程度，基于所述偏差程度，構(gòu)建所述圖像局部特征的特征向量，根據(jù)所述特征向量，識別出所述圖像數(shù)據(jù)集中的混合地形，并對所述混合地形進行三維重建，得到三維地形模型；

57、細節(jié)分析模塊，用于分析所述三維地形模型中所述待渲染地形的光照方向，基于所述光照方向，計算所述三維地形模型的光照強度，并識別出所述三維地形模型的陰影分布區(qū)域，對所述三維地形模型進行地塊分區(qū)，得到分區(qū)地塊，提取所述分區(qū)地塊對應(yīng)的密集點云數(shù)據(jù)，基于所述密集點云數(shù)據(jù)，計算所述待渲染地形的地形粗糙度；

58、渲染細節(jié)優(yōu)化模塊，用于根據(jù)所述光照強度、所述陰影分布區(qū)域和所述地形粗糙程度，分析所述三維地形模型的仿真效果，根據(jù)所述仿真效果，識別出所述三維地形模型在渲染過程中的無關(guān)幾何元素，并對所述無關(guān)幾何元素進行視域剔除處理，得到目標(biāo)渲染對象，設(shè)置所述目標(biāo)渲染對象的細節(jié)渲染級別；

59、模型渲染模塊，用于結(jié)合所述三維地形模型和所述細節(jié)渲染級別，對三維地形進行實時渲染，得到實時渲染結(jié)果。

60、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案的技術(shù)原理及有益效果在于：

61、本發(fā)明實施例通過采集待渲染地形的圖像數(shù)據(jù)集，可以獲取不同地形特征的圖像數(shù)據(jù)，為訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型提供多樣化的數(shù)據(jù)支撐，提高模型的泛化能力，并通過分析不同類型的地形特征，真實地模擬出地形的視覺效果，增強場景的真實感；進一步地，本發(fā)明實施例通過基于所述地形屬性，提取出所述待渲染地形對應(yīng)的圖像局部特征，可以識別出不同的地形特征，便于后續(xù)的圖像分析和三維地形建模，并將提取出的關(guān)鍵地形特征輸入至深度模型中，提高模型的準(zhǔn)確性和泛化能力；本發(fā)明實施例通過根據(jù)所述特征向量，識別出所述圖像數(shù)據(jù)集中的混合地形，可以獲取更加精細化的分類地形特征，為后期的渲染工作提供精確、生動的三維地形模型，提高渲染質(zhì)量；進一步地，本發(fā)明實施例通過分析所述三維地形模型中所述待渲染地形的光照方向、光照強度、陰影分布區(qū)域和地面粗糙度，可以模擬出不同時間段的光照條件和紋理映射的效果，輔助識別和突出地形的關(guān)鍵特征，使地形模型看起來更加逼真；本發(fā)明實施例通過根據(jù)所述仿真效果，識別出所述三維地形模型在渲染過程中的無關(guān)幾何元素，可以盡可能減少計算量和資源消耗，從而提高每秒的渲染幀數(shù)，顯著減少需要渲染的對象數(shù)量，從而降低渲染過程中的計算量，加快渲染效率；進一步地，本發(fā)明實施例通過結(jié)合所述三維地形模型和所述細節(jié)渲染級別，對三維地形進行實時渲染，得到實時渲染結(jié)果，可以顯著減少計算負(fù)載，尤其是在處理大型場景時，能夠提高渲染速度，減少卡頓，同時，可以根據(jù)觀察者與模型之間的距離動態(tài)調(diào)整模型的細節(jié)級別，優(yōu)化資源分配，提高渲染效率。因此，本發(fā)明實施例提出的基于深度學(xué)習(xí)的三維地形高效實時渲染方法，可以剔除三維地形模型在渲染過程中的無關(guān)幾何元素，提高三維地形的實時渲染效率。