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CA 02209275 1997-06-27
WO 97/17677 PCT/FR96/01716
PROCEDE DE GENERATION DYNAMIQUE D'IMAGES
SYNTHETIQUES A NIVEAU DE DETAIL AUTOMATIQUE,
ET DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE.
La présente invention se rapporte à un procédé de génération
dynamique d'images synthétiques à niveau de détail automatique, ainsi qu'à
un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé.
Les machines de synthèse d'images temps réel utilisées dans les
simulateurs de vol sont capables de générer des images d'une qualité
1o proche de la réalité grâce en particulier à l'utilisation massive. de
textures
photographiques. Mais le nombre maximal de polygones pouvant être
affichés à chaque cycle image demeure leur principale limitation.
Malheureusement, on s'aperçoit que ce nombre est très mal
exploité dans certaines situations. En effet, quelle que soit la distance de
visibilité de l'observateur, la même attention est portée aux facettes
lointaines qu'aux facettes proches. Pourtant, lors du calcul, la pertinence
dans l'image des facettes éloignées est très faible par rapport à celles se
trouvant à proximité de l'observateur. Certaines tentatives ont été menées
dans le passé pour simplifier le paysage à longue distance. Mais celles-ci se
sont révélées peu efficaces et trop contraignantes au niveau de la
génération des bases de données.
La visualisation de terrains réels en images de synthèse est
possible grâce à l'existence de relevés aitimétriques issus d'observations
radars ou satellites. Ces données altimétriques se présentent en général
sous la forme d'une grille bidimensionnelle donnant l'altitude en chaque
point.
Le modèle de terrain (algorithmes et structures de données) qui
gère ces données altimétriques doit prendre en considération les trois
exigences suivantes qui sont essentielles, en particulier pour des
simulateurs de pilotage d'avions :
- Fidélité :
Les aspects caractéristiques du relief (pics, vallées) sont des
repères visuels très importants pour les pilotes et influent sur la qualité de
leur entraînement et de leurs décisions au cours d'une mission. Le respect
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des lignes de crête est donc une condition essentielle pour tout modèle
cartographique.
- Economie d'informations :
A précision égale, le nombre de polygones représentant un
terrain donné influe directement sur les temps de réponse du simulateur =
temps réel (rendu, collision, roulement, intervisibilité...). La rugosité d'un
terrain n'étant pas régulière, le maillage doit s'adapter au relief, lâche
dans
les zones de pente constante, fin dans les parties accidentées.
- Rapidité de génération :
Les bases de données de simulation pouvant couvrir des milliers
de KmZ, leur coût de génération est directement lié à l'utilisation
d'algorithmes performants permettant d'intégrer les différentes sources de
données (planimétrie, aitimétrie, photométrie) en un temps minimum.
Les bases de données de simulateurs d'avions étant en général
très vastes, le nombre de facettes représentant le terrain est considérable.
Or le visuel ne sait afficher en temps réel que quelques milliers de facettes.
Afin d'éliminer très rapidement celles qui ne sont pas dans le champ de
vision, on effectue une pré-troncature région. Lors de la modélisation de la
base de données, le terrain est partitionné en zones rectangulaires
appelées régions. De simples calculs d'intersection pyramide-boîte
permettent de sélectionner les régions visibles et d'éliminer ainsi un très
grand nombre de facettes.
Cette découpe est également très utile si la base de données ne
peut être chargée d'un bloc en mémoire. Il suffit alors de ne charger que les
régions comprises dans la sphère centrée sur l'observateur et de rayon égal
à la distance de visibilité. Cette base de données locale est mise à jour au
fur et à mesure que l'observateur se dépface : les régions qui sortent de la
sphère sont déchargées et remplacées par celles qui y rentrent. Ainsi, seul
l'espace mémoire limite la taille des bases de données.
Pour de faibles distances de visibilité (< 10 km) et un terrain
moyennement accidenté, une pré troncature région s'avère suffisante pour
garantir la fréquence de calcul des images. Au-delà, la gestion de charge du
visuel demeure problématique. Une surcharge du visuel en polygones se
traduit par des sauts d'images suite à des dépassements de cycle. Cette
situation est difficilement acceptable pour un simulateur de vol temps réel.
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Le seul recours dont on dispose aujourd'hui est de simplifier les zones de la
base de données où l'affichage "coince". Cette solution est coûteuse et peu
pratique. De plus, pour des distances de visibilité importantes, le relief est
beaucoup trop simplifié.
Seuls des algorithmes sophistiqués de niveau de détail peuvent
diminuer drastiquement le nombre de facettes affichées sans dégrader la
qualité de l'image. Ces algorithmes sont nés du constat suivant : la
pertinence d'un polygone du terrain, c'est à dire le nombre de pixels qu'il
occupe à l'écran, est d'autant plus faible que ce polygone est loin. Si on ne
lo fait rien, une partie de la puissance graphique de la machine est gaspillée
à
clipper, projeter, texturer... des polygones qui, en fin de compte, n'occupent
qu'un ou deux pixels à l'écran. Toute la difficulté consiste donc à simplifier
un terrain vu par un observateur mobile sans nuire à la pertinence de
l'image.
Devant la complexité mathématique et algorithmique, aucun
constructeur de simulateurs n'a intégré un tel dispositif de manière vraiment
efficace.
Une première approche consiste à précalculer différents niveaux
de détail pour chaque région et à commuter en temps réel d'un niveau à
l'autre. Malheureusement cette méthode comporte beaucoup
d'inconvénients :
- Dépendance vis à vis des régions :
Les régions jouant ici le rôle de frontières entre niveaux de détail,
la qualité de la commutation dépend de leurs tailles.
- Encombrement mémoire :
L'encombrement mémoire limite le nombre de niveaux de détail
par région et pénalise le chargement dynamique de la base de données. De
plus, ce nombre varie en fonction du relief de chaque région.
- Commutation trop brutale :
Plus le nombre de niveaux de détail d'une région est faible, plus
la commutation est brutale. Ces artefacts d'image sont très gênants pour le
pilote.
Pour remédier à ces problèmes, des modèles de terrain
hiérarchiques ont été envisagés. Une hiérarchie de niveaux de détail au sein
d'une même structure de données (quad-tree, Delaunay-pyramid) ne
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mémorise que les changements pour passer d'un niveau de détail à l'autre,
d'où une économie de mémoire importante. L'arborescence est parcourue
afin de sélectionner les triangles à afficher en fonction de la précision
requise.
Trois inconvénients majeurs subsistent :
- Niveau de détail global :
La construction des niveaux de détail successifs est uniquement
basée sur un critère de précision indépendamment de la position d'un
observateur. L'ordre d'apparition des points est figé alors que la pertinence
lo des points varie justement en fonction de la position de l'observateur.
- Modifications du terrain impossibles :
Ces structures de données hiérarchiques sont rigides et
n'autorisent aucune modification du terrain en temps réel. II serait
nécessaire de reconstruire toute l'arborescence, ce qui est trop coûteux.
- Coût additionnel de génération de la base de données.
La génération de la base de données reste quelque chose de très
coûteux. Les contraintes liées au temps réel compliquent la modélisation de
la scène.
La présente invention a pour objet un procédé de génération
2o dynamique d'images synthétiques permettant de générer en temps réel des
images synthétiques avec le maximum possible de fidélité et le meilleur
rendu possible, sans nécessiter de moyens de calcul importants, en tenant
compte de la pertinence des points des différents niveaux de détail en
fonction de la position de l'observateur, ce procédé permettant également
des modifications de la configuration du terrain en temps réel.
La présente invention a également pour objet un générateur
dynamique d'images synthétiques comportant des moyens qui soient le
meilleur marché possible, de préférence des moyens tels que des
calculateurs et des moyens de mémorisation de bases de données qui
3o soient simples et couramment disponibles.
Le procédé conforme à l'invention consiste à constituer une base
de données en partant d'un fichier contenant les données topographiques
relatives aux terrains à visualiser, à éliminer les données les moins
significatives, puis à calculer en temps réel les points à afficher en
fonction
du niveau de détail requis, qui est lui-même fonction de la position de
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l'observateur, de l'altitude maximale du terrain à visualiser, de la distance
de
visibilité et du niveau de détail requis, en sélectionnant un sous-ensemble
des points de la base de données définissant une portion de terrain dont le
niveau de détail a changé, en effectuant un maillage irrégulier de la portion
5 de terrain sélectionnée, de préférence un maillage de type Delaunay, et à
appliquer une texture sur les polygones résultant du maillage.
Selon un aspect du procédé de l'invention, on ajuste localement
la précision de la représentation du terrain par ajout ou suppression de
points dans le maillage, la sélection de ces points étant faite en fonction du
1o relief, de la position de l'observateur et du type de véhicule sur lequel
se
trouve l'observateur.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la
description détaillée d'un exemple de mise en oeuvre, illustré par le dessin
annexé, sur lequel :
- la figure 1 est un exemple de triangulation contrainte de
Delaunay, pouvant être mise en oeuvre par la présente invention,
- la figure 2 est un diagramme montrant l'évolution de l'erreur de
triangulation d'une surface en fonction du nombre de points choisis pour la
représenter,
- la figure 3 est un schéma explicatif montrant l'effet de l'insertion
d'un point significatif sur l'erreur de triangulation,
- la figure 4 est un schéma simplifié de l'architecture logicielle
d'un processeur graphique mettant en oeuvre le procédé de l'invention,
- la figure 5 est une vue explicative simplifiée en perspective
définissant le critère d'erreur angulaire utilisé par la présente invention,
et
- la figure 6 est un exemple simplifié expliquant le basculement
d'un niveau de détail N à un niveau de détail N+1, conformément à
l'invention.
La présente invention, pour réaliser un modèle de terrain, met en
3o oeuvre une technique de maillage basée sur la triangulation de Delaunay, et
plus précisément la triangulation contrainte de Delaunay, schématiquement
= illustrée en figure 1. Les points P définissant les noeuds du maillage
peuvent être arbitrairement distribués dans le plan de la région 1 traitée.
= Cette région 1 est une des zones du terrain. Dans l'exemple de la figure 1,
cette zone est simplement un rectangle.
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Cette technique de maillage présente de nombreux avantages. En
premier lieu, la simplicité des objets traités (triangles) permet de les
traiter
en temps réel. Ceci est dû en particulier au fait que la majorité des
algorithmes de visualisation et de manipulation géométrique sont simplifiés
et accélérés grâce à l'utilisation exclusive de triangles. De plus, pour un
ensemble de points donné (points d'un relevé altimétrique), la triangulation
de Delaunay correspondante est unique, ce qui permet de traiter ces points
dans n'importe quel ordre. La propriété remarquable de la triangulation de
Delaunay est de générer des triangles qui sont le plus équilatéraux possible.
lo Cette propriété est très avantageuse en synthèse d'images pour laquelle
elle diminue les problèmes d'aliassage et de précision numérique.
La triangulation de Delaunay permet de rajouter ou de supprimer
un point d'un ensemble déjà triangulé sans avoir à recalculer tous les points,
du fait de l'influence uniquement locale d'un tel point. Une telle
manipulation
interactive favorise également la modification en temps réel d'un terrain
visualisé.
La triangulation de Delaunay contrainte garantit l'existence de
certaines arêtes dans le maillage, ce qui permet de respecter la géométrie
des objets intégrés dans le terrain (routes, lignes de chemin de fer,
constructions, ... ).
Outre la triangulation, la présente invention met en oeuvre le
filtrage des surfaces de terrain visualisées. Ce filtrage permet d'éliminer
les
points les moins significatifs de cette surface, ce qui permet de simplifier
le
traitement de la zone géographique à visualiser. La triangulation effectuée
ensuite sur les points restants de cette surface correspond au niveau de
détail le plus fin de la base de données qui fournit ces points.
Le filtrage consiste à affiner par un processus itératif la
triangulation du terrain. Pour chaque point P, on calcule la distance entre ce
point et le point Q qui est le projeté de P sur la triangulation courante.
Cette
3o distance correspond, localement, à l'erreur existant entre la surface du
terrain approximé (résultant de la triangulation courante) et la surface du
terrain réel. Après avoir calculé ainsi les erreurs relatives aux différents
points, on sélectionne le point d'erreur maximale, et on l'insère dans la
triangulation courante. On répète cette étape jusqu'à ce que l'erreur
maximale des points de la zone considérée soit inférieure à un seuil que l'on
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se fixe en fonction du réalisme désiré de l'affichage et compte tenu de la
puissance de calcul nécessaire pour franchir ce seuil pour divers types de
terrains.
La courbe de la figure 2 montre l'évolution de l'erreur
(correspondant à la distance PQ telle que définie ci-dessus) en fonction du
nombre de points définissant une zone donnée. La terrain n'étant pas, en
général, une surface convexe, l'insertion d'un point dans la triangulation
courante peut avoir pour effet d'augmenter l'erreur au lieu de la diminuer.
Ainsi, par exemple comme représenté en figure 3A, on suppose
lo que le long d'une section de terrain accidenté on dispose au départ de
quatre points P1, P2, P3 et P4. L'approximation initiale est le segment P1-
P2. Le point qui est ensuite inséré est celui dont la distance au segment P1-
P2 est la plus grande. Supposons qu'il s'agisse de P3. On constate alors
que la nouvelle erreur de P4 (distance de P4 au segment P3-P2) peut être
supérieure à la distance D' entre P3 et son projeté 03 sur le segment P 1-P2.
En général, on constate qu'après plusieurs insertions consécutives, l'erreur
finit par descendre au-dessous de la valeur (D' dans l'exemple de la figure
3A) qu'elle avait lors de l'insertion du premier point (P3 pour l'exemple
considéré). Dans la pratique, on répète cette étape d'insertion jusqu'à ce
2o que l'erreur maximale devienne inférieure à un seuil que l'on se fixe. Dans
le
diagramme de la figure 2, on a supprimé les pics temporaires dus à
l'insertion de points (tels que P4) correspondant à des reliefs présentant une
courbure inverse de la courbure courante. Ainsi, on constate d'après cette
figure 2 une diminution quasi exponentielle de l'erreur maximale dès que le
nombre de points définissant une zone donnée (de dimensions de l'ordre de
100 km2) dépasse le millier. Il est donc facile, pour un type de relief donné
(peu accidenté, moyennement montagneux, très montagneux...) d'effectuer
des essais pour obtenir une courbe telle que celle de la figure 2, et
d'optimiser le rapport entre l'exactitude de la représentation du terrain et
le
nombre de points nécessaires à une représentation fidèle du terrain, sans
surcharger inutilement le processeur de calcul graphique ou "moteur
graphique" (au-delà d'un certain nombre de points, le gain en précision
devient dérisoire au vu de l'augmentation du nombre de calculs).
A partir des principes ci-dessus, l'invention consiste à modifier en
temps réel la base de données de manière à n'envoyer au moteur graphique
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que les polygones caractéristiques du point de vue de l'observateur. La
précision du terrain est ajustée localement par ajout et suppression de
points dans le maillage courant. La sélection des points à insérer et à
supprimer tient compte du relief (en particulier pour bien respecter les
lignes
de crête, qui sont un élément important du paysage pour un pilote
d'hélicoptère ou d'avion), de la position de l'observateur et du type de
mobile (char, avion, hélicoptère...).
Le schéma de la figure 4 représente de façon simplifiée les deux
couches logicielles principales 2, 3 du moteur graphique mettant en oeuvre
lo le procédé de l'invention. La couche 2 est celle qui est chargée de la
triangulation de Delaunay, effectuée en mode asynchrone. Elle effectue,
entre autres, la régulation de charge du processeur (optimisation du
traitement des paquets de données transitant en mode asynchrone), le
calcul du niveau de détail et la régénération de la base de données (après
modification locale de la description du terrain) au format du processeur
hôte.
La couche 3 est la tâche graphique proprement dite, qui rafraîchit
l'écran à une cadence de, par exemple, 30 Hz. Cette tâche effectue
essentiellement la prétroncature des régions (pour n'avoir à afficher que les
2o régions visibles par l'utilisateur), l'affichage, et la transition entre
deux
niveaux de détail.
La coopération entre les deux couches logicielles 2 et 3 se passe
de la façon suivante. On suppose que le système graphique affiche des
scènes que doit voir un observateur se trouvant dans un simulateur de
véhicule mobile à un instant donné. La tâche graphique 3 envoie à
intervalles de temps réguliers (par exemple à la cadence de 30 Hz, comme
précisé ci-dessus), les polygones maillés en Delaunay à afficher (en
fonction du déplacement dudit véhicule). Ces polygones correspondent au
niveau de détail courant qui est affiché. De manière asynchrone, la tâche
3o Delaunay 2 recalcule le niveau de détail approprié, afin de tenir compte du
changement de position de l'observateur par rapport à la région affichée.
Les points alors devenus pertinents (visibles par l'observateur et
nécessaires à la définition réaliste du paysage, c'est-à-dire pas trop
éloignés
de l'observateur) sont insérés dans le maillage Delaunay. Les points
devenus inutiles sont supprimés. Le procédé de sélection de ces points est
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expliqué plus en détail ci-dessous. Dès que le nouveau maillage est calculé,
il se substitue à l'ancien par basculement (marqué "flip-flop" en figure 4).
A chaque requête de changement de niveau de détail transmise
par la couche 3, le processeur graphique recalcule la pertinence des points
issus de la base de données. Dans le cas d'un observateur pouvant se
retourner très rapidement (pilote d'hélicoptère ou de char), toutes les
régions de terrain de la base de données locale sont traitées. Dans le cas
contraire (pilote d'avion civil, ...), seules les régions relatives au cap du
véhicule sont recalculées. On peut ainsi diminuer le nombre de régions à
lo traiter. La sélection des points à insérer ou à supprimer dans un maillage
se
fait en respectant les trois critères suivants :
1 ) critère de déterminisme. La triangulation obtenue pour une
position d'observateur donnée doit toujours être la même, quel qu'ait été le
chemin suivi par cet observateur pour arriver à cette position. En d'autres
termes, le calcul de la pertinence d'un point doit être indépendant des
calculs précédents.
2 ) critère de continuité d'aspect des régions. Si un point est
inséré ou supprimé sur un bord de région, il doit aussi être inséré ou
supprimé pour la région voisine. De cette façon, on garantit le raccordement
géométrique entre régions voisines.
3 ) critère de respect du relief. Les points caractéristiques du
terrain doivent être conservés.
Selon l'invention, le calcul de la pertinence d'un point Pn d'un
maillage (c'est-à-dire la détermination de la nécessité de garder ce point ou
de le supprimer lors d'un changement de niveau de détail) se fait de la faon
suivante.
Soient O le point de l'espace où est situé l'observateur, et Qn la
projection verticale (selon la verticale locale) de Pn sur la triangulation Pm
ne contenant pas le point Pn. La variable déterminant la pertinence du point
3o Pn est l'angle Ea formé par les demi-droites OPn et OQn (voir figure 5).
Cet
angle Ea peut être appelé erreur angulaire (correspondant à la suppression
de Pn).
Pour satisfaire le premier critère cité ci-dessus, il est important
que l'évaluation de l'angle Ea fournisse toujours la même valeur pour une
position courante donnée du point, car autrement, la triangulation serait non
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déterministe. Un phénomène d'instabilité serait même produit si le calcul de
Ea dépendait des points voisins, car alors l'insertion d'un point affecterait
les
erreurs angulaires des points voisins, ce qui pourrait entraîner une boucle
infinie d'insertions et de suppressions de points. De plus, les points
5 frontières entre deux régions adjacentes ne seraient pas insérés ou
supprimés en même temps parce que leurs erreurs angulaires seraient
différentes, et il y aurait non respect du critère 2 ci-dessus.
Pour toutes ces raisons, lors du calcul de Ea, la distance Dn entre
Pn et Qn n'est pas calculée en projetant Pn sur la triangulation courante ne
1o contenant pas Pn. En fait, cette distance devient constante et est
précalculée de la façon exposée ci-dessus en référence aux figures 3A à
3C. Lors de la simulation visuelle, cette erreur d'élévation est transformée
en une erreur angulaire par rapport à l'observateur. Si l'erreur angulaire
ainsi calculée est supérieure à une valeur de seuil Eseuil, le point Pn est
i5 inséré, sinon il est supprimé.
La tâche graphique 3 commande la commutation du niveau de
détail, c'est-à-dire la commutation entre une scène antérieure à une
opération d'insertion/suppression de points due à un changement de
position de l'observateur, et une scène juste postérieure à cette opération.
On a représenté, de façon simplifiée, sur la figure 6, qui est une vue de
dessus, le processus de basculement d'un niveau de détail N à un niveau
N+1. Pour éviter que la transition entre les triangulations correspondant à
ces niveaux de détail ne produise un artefact visuel dénommé "popping",
mais soit pratiquement invisible, ou en tout cas pour qu'elle ne soit pas
gênante, on procède à un "morphing", technique d'interpolation bien connue
en soi. La triangulation intermédiaire de morphing est affichée pendant tout
le temps que dure l'opération de morphing (pour éviter d'avoir un saut brutal
entre les niveaux de détail de départ et d'arrivée). Cette triangulation
intermédiaire est calculée en conservant les points des triangulations des
3o deux niveaux de détail, en y ajoutant les éventuels points d'intersection.
Dans l'exemple simplifié de la figure 6, on a représenté à gauche
trois triangles non coplanaires adjacents faisant partie du niveau de détail
N,
formant ensemble une surface gauche à contour pentagonal a, b, c, d, e,
dont les arêtes communes chacune à deux triangles sont be et bd. Sur la
droite de la figure, on a représenté le niveau de détail N + 1 (on peut tout
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aussi bien parier du niveau N-1), dont la surface gauche a le même contour
pentagonai a, b, c, d, e que dans le niveau de détail N, mais comportant un
sommet f qui, en vue de dessus est situé sensiblement au centre du contour
pentagonal. Ce sommet f est relié par cinq arêtes aux cinq sommets
respectifs du pentagone. On a représenté au milieu de la figure 6 la
triangulation intermédiaire.
Pour assurer une transition pratiquement invisible entre les
niveaux de détail N et N+1, on impose dans la triangulation de départ trois
nouveaux points (voir représentation au milieu de la figure 6) :
- i1 sur l'arête be (sur la verticale passant par be et af)
- i2 sur l'arête bd (sur la verticale passant par bd et cf)
- f sur la face bde (sur la verticale passant par la position finale de
f).
Ensuite, ces trois points sont progressivement déplacés
(opération de "morphing") jusqu'à ce que :
- i1 soit sur l'arête af
- i2 soit sur l'arête fc
- f atteigne sa position de référence.
Lorsque les positions finales de ces trois points sont atteintes,
l'opération de morphing est terminée et la nouvelle triangulation du niveau
de détail N + 1 est affichée (c'est-à-dire la surface triangulaire de droite
de
la figure 6).
La vitesse d'élévation d'un point dépend de plusieurs facteurs, en
particulier d'au moins l'un des facteurs suivants :
- de sa visibilité par l'observateur. Ainsi, un point qui ne se trouve pas
dans
le champ visuel instantané de l'observateur est élevé immédiatement.
- de la vitesse de déplacement de l'observateur. Ainsi, lorsqu'il est
immobile,
l'élévation des points est gelée.
- de la distance du point à l'observateur. A altitude égale, plus le point est
éloigné de l'observateur, plus il monte vite.
Grâce à ces caractéristiques du procédé de l'invention, on obtient
une commutation rapide des niveaux de détail consécutifs avec la meilleure
fluidité possible de, transition entre images.
= Les autres avantages du procédé de l'invention sont :
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- une réduction du volume de la base de données sans perte de qualité
d'image. Le système de visualisation est capable de calculer une image de
rendu égal à celui obtenu par les procédés de l'art antérieur avec beaucoup
moins de polygones : en moyenne, on peut éliminer 2/3 des facettes sans
dégrader l'image.
- automatisation de la gestion de charge du processeur graphique. Il adapte
la base de données aux performances du matériel par simple réglage d'un
paramètre (Erreur angulaire de seuil). Il permet donc d'obtenir le meilleur
réalisme possible pour l'affichage des scènes compte tenu des possibilités
lo du système graphique et de visualisation.
- II simplifie la génération de la base de données : le pré-calcul
des niveaux de détail devient inutile (le niveau de détail approprié est
généré directement par la couche 2 de triangulation), ce qui diminue
corrélativement le prix de revient des moyens de production de la base de
données.
- Il permet la modification en temps réel de la représentation du
terrain, en particulier afin de pouvoir l'adapter à des scénarios de
simulation
exigeants, ou à des besoins nouveaux, telle la simulation distribuée
interactive.
