（通讯员：葛英伟）近日，我室郭丙轩和肖雄武课题组在实景三维高保真多层次细节LOD快速构建与高效渲染中取得新进展，相关成果于2024年9月在地球科学与遥感领域中科院一区期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing在线发表。

论文题为“A Novel LOD Rendering Method with Multi-level Structure Keeping Mesh Simplification and Fast Texture Alignment for Realistic 3D Models”（基于结构特征保持多级网格简化和纹理多边形高精度快速排列的高效LOD渲染方法）。博士生葛英伟为第一作者，肖雄武副研究员、郭丙轩教授为通讯作者。

实景三维模型是指准确、立体、连续地反映和表达人类生产、生活及生态空间的数字虚拟空间。这些模型为经济社会发展和各领域的信息化提供了统一的空间基础，并在城市规划与管理、三维导航、虚拟现实及智慧城市等领域具有重要的应用价值。通过由影像生成的大规模实景三维模型和网格简化技术构建多层次细节LOD（Level of Detail）模型，可以显著提升三维平台对海量实景三维模型的数据承载能力和渲染性能，确保在大规模三维场景中进行平滑导航和避免视觉突兀现象，从而提高三维模型的实用性与适用性，并提升用户体验。

然而，现有LOD快速构建与高效渲染算法主要面临以下三个问题：(1)模型简化精度下降。模型简化带来的精度下降，源于网格简化过程中关键细节的缺失和变形。(2)纹理内存利用效率低。纹理内存利用效率低是因为简化导致纹理映射空间减少以及纹理图像利用率低，增加了纹理贴图的内存占用。(3)由于细节丢失导致的LOD渲染滞后。简化引起的细节丢失以及LOD生成，可能导致三维模型渲染时易出现不自然的跳跃或掉帧等现象。

为了克服上述挑战，课题组提出了一种基于多层次细节结构保持与高精度快速纹理排列的实景三维LOD构建与高效渲染方法。首先，采用结合网格分割与顶点分类的多层次结构保持简化方法，生成了高精度结构保持的简化网格模型。其次，提出了一种基于分割信息和LSCM参数化的快速纹理排列方法，通过分割信息获取纹理块，并结合积分图像和精确的多模板策略排列纹理块，生成了高完整度和高占用率的纹理贴图。最后，综合上述过程设计了一种快速的多层金字塔构建和自适应树结构的LOD生成方法。该方法实现了多层次结构保持的高精度和高纹理贴图占用率，有助于LOD模型在渲染时保持高帧率。与QEF、QEM、Low-poly、CGAL和Nvdiffrec等算法相比，所提出的网格简化算法的平均精度分别提高了12.1%、24.2%、57.1%、17.9%和3.2%。与OpenMVE、ContextCapture和Xatlas等算法相比，所提出的纹理排列算法的平均占用率分别提高了27.74%、11.89%和4.80%。与当前国际先进的ContextCapture和Smart3D等软件相比，所提出的大规模实景三维模型浏览方法的帧率分别提高了17.3%和14.4%。

图1 不同算法对第2套影像数据的模型简化局部效果对比

图2 不同算法对三套不同类型数据的LOD渲染帧率对比结果

实景三维多层次细节LOD快速构建与高效渲染技术将为智慧城市的规划、建设与管理提供有力的技术支撑，尤其是在大规模城市三维可视化、城市环境监测和自然灾害应对等应用场景中具有重要的实际应用价值。

该研究受国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖北省自然科学基金、武大-华为空间信息技术创新实验室研究基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1109/TGRS.2024.3457796