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1. 基于 Unity 的 GIS 星球系统实现 GIS planet system implementation using Unity Engine 1 • 答辩学⽣生：郑昊天 • 指导⽼老老师：郑瑾 • 答辩时间：2018.5.31
2. ⽬目录 1. 选题背景 2. 研究现状 3. 基础⽅方法 4. 具体实现 5. 成果分析 6. 总结展望 !2
3. 选题背景 !3
4. 1.1 选题背景 • 可视化 • 地形渲染 • ⼤大⽓气渲染 • 植被 • … • 拟真模拟 • 物理理模拟 • 场景交互 • … • 数据⽣生产及整理理 • ⽮矢量量道路路图 • 建筑物⾼高度 • … !4 GIS 系统的功能
5. 1.2 实现 GIS 星球系统的挑战和意义 !5 GIS 星球系统的特殊性 普通平⾯面 GIS 系统 GIS 星球系统 渲染 简化的渲染流程 较低的渲染距离（Camera Fog） 单⼀一的光照 复杂并⼤大规模的渲染 ⼤大⽓气内外的⼀一致性 复杂的光照环境 模拟 基础的 XYZ 坐标系 现有物理理引擎的⽀支持与优化 重⼒力力的⽅方向模拟 ⼤大规模距离下的精度问题（碰撞检测） 数据 成熟的⼯工作流，导⼊入导出，业界通⽤用的描述⽅方案 被接受但有缺陷的映射⽅方案（2:1） 较⾼高的精细度要求 总结 ⼤大量量经验积累，现有技术⽀支持 较新的需求，相关技术仍在探索中
6. 1.2 实现 GIS 星球系统的挑战和意义 !6 GIS 星球系统的优越性 • 可视化 • ⼤大规模渲染，⽤用途更更⼴广 • 实现了了完整的⼤大⽓气散射模型，完整地模拟了了⽇日夜交替和⼤大⽓气层不不同⾼高度上的表现 • 拟真模拟 • 完整的星球⾃自转/公转模拟 • ⻜飞⾏行行员的⾼高空⻜飞⾏行行模拟 • 数据⽣生产及整理理 • 可以与现实世界坐标系⽆无缝对接
7. 研究现状 !7
8. 2.1 当前较为先进的 GIS 星球系统 !8 商⽤用:Google Earth 学术:Proland ⾕谷歌公司 https://www.google.com/earth/ ⽀支持 WebGL / Windows / macOS 基于现实数据的 GIS 星球系统 法国国⽴立计算机及⾃自动化研究院 https://proland.inrialpes.fr/ ⽀支持 Windows 同时⽀支持现有数据及过程⽣生成的 GIS 星球系统
9. 2.2 GIS 星球系统所需技术的相关研究 !9 • ⼤大⽓气散射 • Inner / Outer Skybox • Lookup Table • Precomputed Atmospheric Scattering • 地形建模 • The Clipmap: A Virtual Mipmap • Terrain Rendering Using Geometry Clipmaps • Terrain rendering using GPU-based geometry clipmaps
10. 基础⽅方法 !10
11. 3.1 基于四元树结构的地形细分 !11 • GIS 系统如何存储⾼高度数据 • ⼏几何体 • ⾼高度图（Height-Map）（通⽤用做法） • 体素（Voxel） • GIS 系统如何基于⾼高度图展示⾼高度数据 • 基于纯 Mesh 的⽅方法 • 基于 Mesh + Shader 的⽅方法 • ⾼高度图⽅方法下对⽣生成的⼏几何体的动态压缩策略略 • 四元树 • 四元树的正⽅方体分布 • ⽅方体球（Quad Sphere）
12. 3.2 噪声函数 !12 • 噪声 • 连贯 / ⾮非连贯噪声 • ⼀一维 / ⼆二维 / 三维噪声 • 连贯噪声的种类 • Perlin Noise • Voronoi/Cellular noise • fractional Brownian motion (fBM) • 连贯噪声的应⽤用 • 流动的岩浆贴图 • 云层 • 地形
13. 3.3 Ray-Marching 技术 !13 • Signed Distance Field（SDF） • 基础⼏几何体的 SDF 表示 • 噪声函数和 SDF 的结合 • Ray-Marching 技术 • 以定⻓长采样（Sample）对抗当前渲染⽅方法⽆无法适应体积及半透明物体渲染困难的 策略略 • Step 的选取及着⾊色的计算 • Ray-Marching 的优化 • 优缺点 • 基于 Ray-Marching 的体积云渲染 • 简单的着⾊色模型 • 基于兰伯特着⾊色模型的计算
14. 具体实现 !14
15. 4.1 GIS 星球系统的总体架构 !15 • 渲染 • 体积云 • 相机 • 噪声在地形和 Skybox 的使⽤用 • 模拟 • 重⼒力力系统 • 资源池（Pooling Manager） • 数据 • 模型导⼊入 • 多⼈人模式的区域划分
16. !16
17. 4.2 渲染技术实现的细节 !17 • 多相机系统 • 渲染顺序 • Color-Map 和 Tri-planar 着⾊色的结合 • Float Origin 技术
18. 4.3 交互实现的细节 !18 • 渐进式相机移动脚本 • 速度随⾼高度降低的函数 • 基于 MarkLight 的 UI 系统 • 数据绑定 • 观察模式 • 相⽐比 UGUI 的好处 • 场景和 UI 的解耦 • 版本控制 • 复⽤用和封装
19. 4.4 ⼯工作流实现的细节 !19 • 基于节点编辑器器的噪声运算 • AST • 节点编辑器器 • 应⽤用范围（Shader / Texture） • 操作符 • ⽣生成器器 • 序列列化 • 相⽐比 GPU 渲染⾼高度图的好处及劣势
20. 成果分析 !20
21. 5.1 对⽐比测试 !21 Google Earth Proland CSU GIS 系统 数据来源 购买商业卫星数据 / 众包采集 公开的研究数据 / 随机⽣生成 基础的公开数据 / 随机⽣生成 渲染特性 海海洋 × 体积云 × 建筑 √ 植被 √ 海海洋 √ 体积云 √ 建筑 √ 植被 √ 海海洋 √ 体积云 √ 建筑 × 植被 × 模拟特性 重⼒力力 × ⽇日夜交替 × 碰撞体交互 × 重⼒力力 × ⽇日夜交替 √ 碰撞体交互 × 重⼒力力 √ ⽇日夜交替 √ 碰撞体交互 √ 数据编辑特 性 ⾃自定义模型 √ 随机数据编辑器器 × ⾃自定义模型 × 随机数据编辑器器 × ⾃自定义模型 √ 随机数据编辑器器 √
22. 5.2 测试结果 !22
23. 5.3 分析 !23 • 功能性 • 拓拓展性 • 性能鲁棒性 • 基于现实数据开发的优势和局限性 • 随机数据为导向开发的优势和劣势
24. 总结展望 !24
25. 6.1 总结 !25 • 所实现的模块 • 所解决的问题 • 仍有的不不⾜足 • 意义
26. 6.2 展望 !26 • 软件的下⼀一步开发内容
27. 参考⽂文献 !27
28. 7.1 参考⽂文献 !28 (1) Bruneton E, Neyret F. Precomputed atmospheric scattering[C]//Computer Graphics Forum. Blackwell Publishing Ltd, 2008, 27(4): 1079-1086. (2) Losasso F, Hoppe H. Geometry clipmaps: terrain rendering using nested regular grids[C]//ACM Transactions on Graphics (TOG). ACM, 2004, 23(3): 769-776. (3) Tanner C C, Migdal C J, Jones M T. The clipmap: a virtual mipmap[C]//Proceedings of the 25th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. ACM, 1998: 151-158. Asirvatham, Arul, and Hugues Hoppe. "Terrain rendering using GPU- based geometry clipmaps." GPU gems 2.2 (2005): 27-46. (4) Asirvatham A, Hoppe H. Terrain rendering using GPU-based geometry clipmaps[J]. GPU gems, 2005, 2(2): 27-46. (5) Perlin K. Improving noise[C]//ACM Transactions on Graphics (TOG). ACM, 2002, 21(3): 681-682. (6) Frisken S F, Perry R N, Rockwood A P, et al. Adaptively sampled distance fields: A general representation of shape for computer graphics[C]//Proceedings of the 27th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. ACM Press/ Addison-Wesley Publishing Co., 2000: 249-254.
29. 谢谢观看 !29