[发明专利]一种真实空间三维地理实体的立体虚拟显示方法

摘要

本发明公开了一种真实空间三维地理实体的立体虚拟显示方法。从真实空间三维立体投影对数据格式的特殊要求出发，对三维立体显示的地理实体海量立体数据进行预处理，去除冗余数据，获得有效三维实体数据；然后对地理实体数据进行不规则地物的三维建模，获得三维立体显示中多个角度的分视图，结合真实空间三维立体显示技术，进行处理和优化；根据真实空间三维立体显示成像原理，分析动态三维实体成像原理，在真实空间中建立立体投影体系，将构建的三维地形地物模型以一定的比例投影在真实空间中，实现三维地理信息的立体仿真显示。本发明方法更加形象的展示了三维地理信息，使人在真实空间中更加直观的感受三维地理信息的立体逼真效果。

主权项

一种真实空间三维地理实体的立体虚拟显示方法，其特征在于具体步骤为：(1)建立地理信息三维视景数据库：将地形地物中的地理实体定义为真实空间三维立体显示技术中的基本单位，简称Entity，一个实体则对应为地形地物中心点为采样点的一个小长方体，值为采样点的采样值，表示为：E={x,y,z}x,y,z∈R；定量设定相应实体的基本特征值包括实体的几何特征、光学特征、时间特性，由于真实空间三维数据信息比较丰富，数据量也很大，而且是和计算机图形图象处理等算法相结合，因此把该类数据格式定义为真实空间三维实体数据格式‑True3D Entity File Format，简称TEF格式，表示为：TEF={空间编号，坐标类型，坐标值，颜色，[亮度]、[透明度]}；其中，坐标值={x,y,z}；坐标类型={转换坐标、物理坐标、设备坐标}，转换坐标是实体数据所用的坐标，或者是建模系统所默认的坐标系，物理坐标是实体数据转换到三维图象空间后所处的物理坐标，设备坐标是投影体系所采用的坐标系；转换TEF数据生成三维建模文件格式，对实体数据进行坐标转换到设备坐标中，并以实体的转换坐标来确定所产生的三维数据，纹理数据来自地面、高空拍摄的照片，并因此生产视景数据特征；构造基体、物体、子场景三维实体模型，对各类数据进行一致性处理，去掉冗余数据生成特征物3D模型、地形表面，在地形表面加入特征物；整合后，加入其他的3D模型，建立三维视景数据库；(2)构建三维地理实体场景模型：三维数据经过实体要素生成后，就形成了一个以实体为单位的真实空间三维数据；由于三维物体空间是由离散的实体数据构成的，因此对其进行的三维图像变换叫做体视见；在真实三维空间中，三维物体的描述没有物体的几何描述，只有离散的实体数据，因此，根据其运动特征来激活实体要素是实现真实空间三维效果的关键，实体的要素集为：E＝{x,y,z}；当屏幕运动到z=zi的时候，产生一个二维图象，因此通过实体要素集中令z=zi获得二维图象集，即：Ei＝{x,y,z|z＝zi}；为减少数据冗余，假设z=zi的图象在实心球体中某个面上，当显示该实心球体的时候，在屏幕的某个运动时刻，将产生一个平面，并将该平面中所有的实体要素激活；对于整个实心球体而言，其内部的实体要素不用激活，当运动屏幕扫过整个实体要素空间的时候，球体边界上的实体要素保证其三维可视化效果；因此，定义其为可视实体要素，即Viewable Entity；可视实体要素和物体的边界的概念有相互关系，就是边界也可能在某个特定的可视范围内是不可见的，因此，可视实体要素是边界实体要素的子集合，即：{V|可视实体要素}∈{V|边界实体要素}；(3)对建立的场景模型细化处理：模型表面纹理生成是用图像绘制然软件交互地创建和储存纹理位图，或是用直接拍摄所需实体的真实表面；有时受拍摄条件的限制，只能得到黑白纹理或粗纹理，因此需经过彩色处理或用相近的细致纹理进行替换；对于一些不规则形状的三维物体，要想逼真的表述，采用透明纹理映射，通过源和目的地颜色值相结合的融合函数,使最后的效果中部分场景表现为透明，然后将其映射到一个矩形平面上，用简单几何面元加上纹理来表示复杂模型；为提高结算速度，纹理的分辨率碎地形、物标变化而不同，远物标较简单，近物表纹理细致，符合实际需要；物体自身的颜色属性通过材质来实现，材质的颜色采用RGB光照颜色模型来表示，考虑计算速度和对物标周围对象的影响程度，对3种光的颜色进行处理；物标表面上的阴影是光照的简单衰减，故环境光和漫射光的RGB值保持一致；反射光与反光强度的值有关，反射光去白光；(4)将三维地理实体场景模型进行立体投影转换建立三维地形地物模型坐标系与独立真实投影空间坐标系的解析关系式，通过根据两坐标系中若干离散点或称共同点，运用数值逼近理论和方法建立两者间的函数关系式，将三维地形地物虚拟模型在规定坐标系下的坐标点转换为真实投影空间中独立坐标系的坐标点，根据三维地形地物场景的原型按比例进行自由缩放操作；真实空间中的独立坐标x0和三维模型中的坐标x1分别设为：x0＝(x0,y0,z0)T，x1＝(x1,y1,z1)T；真实空间中的单位坐标轴矢量ex，ey，ez和原点O0如下表示：ex＝(ex1,ex2,ex3)T，ey＝(ey1,ey2,ey3)T，ez＝(ez1,ez2,ez3)T,O0＝p＝(xg,yg,zg)T；其中，设三维模型为一标准的直角坐标系，即x,y,z轴的单位坐标轴矢量和原点分别是：(1,0,0)T,(0,1,0)T,(0,0,1)T和(0,0,0)T当把三维模型中的坐标转化成真实空间中的坐标时，通过如下公式计算：x0m＝smn(x1n‑pn)＝smnx1n‑smnpn以上的计算中，假定三维模型坐标系先平移p，再旋转后变成真实空间；设平移成分为：Ln＝smnpn；则有：x0m＝smnx1n‑Ln；式中： s = ( s mn ) = e 1 x e 2 x e 3 x e 1 y e 2 y e 3 y e 1 z e 2 z e 3 z ; 坐标转换时，为方便计算常常采用4次元坐标；这时，真实空间的坐标和三维模型的坐标分别表示为：x0＝(x0,y0,z0,1)T,x1＝(x1,y1,z1,1)T；此时，坐标转换矩阵定义为H，H的成分如下 H = s 31 s 12 s 13 - L 1 s 21 s 22 s 23 - L 2 s 31 s 32 s 33 - L 3 0 0 0 1 = e 1 x e 2 x e 3 x - L 1 \ e 1 y e 2 y e 3 y - L 2 e 1 z e 2 z e 3 z - L 3 0 0 0 1 利用H，把三维模型的坐标转换成真实空间的坐标；如下运算：x0m＝Hmnx1n；(5)在真实空间中立体显示三维地理实体场景：构建由左、右、前方3面构成的真实投影空间，将立体转换后的三维地理实体模型投影在建立的3面真实投影空间中；每面投影体系由用于产生视差图像的两点以上投影阵列、具有校对和分光作用的光栅栏以及投影墙组成；投影阵列点分别显示多个视差图像，两幅视差图像经校对光栅在投影墙上形成校正了的立体合成图像，再经过分光光栅，两幅视差图像的光分别到达人眼，观看者将具有视差的两幅图像在大脑融合成具有立体感的三维图像，该过程中不需观看者佩戴眼睛或头盔等辅助设备；其中，经校对光栅后的立体合成图像为浮出投影墙外、伸向纵深、悬在空中的三维立体影像，且经过分光光栅后人眼观察具有身临其境的效果；假设投影阵列点为t，产生的视差图像个数为T，T≥t；设l1为校对光栅透光距离，l2为校对光栅非透光距离，m为校对光栅的节距，d为投影阵列点到投影面距离，e为校对光栅到投影面距离，j为两个投影阵列点间距，f为投影面上的像素宽度；以上参数关系如下： l 1 = j * f j + f ; l2=l1*(t‑1)；m=l1+l2； e = f * d j + f ; 设L1为分光光栅透光距离，L2为分光光栅非透光距离，M为分光光栅的节距，D为最佳观看距离，E为光栅到投影面距离，J为人眼间距；以上参数关系如下： L 1 = J * f J + f ; L2=L1*(T‑1)；M=L1+L2； E = f * D J + f ; 经过计算，分别获取每面投影体校对光栅和分光光栅的设计参数l1、l2、m和e以及L1、L2、M和E；3面真实投影空间共同显示立体转换投影的连续、立 体场景，场景中地形地物按照原型缩放比例以悬浮空中形式立体呈现；通过建立的观察基准对象，使整个场景中各对象是通过空间相对位置关系组织在一起，当赋予在该基准对象位置一双虚拟眼睛，能通过该虚拟双眼经过以上步骤设计三维场景的立体投影；显示系统采用多窗口画面同步操作，将三维地理信息场景几何模型、物理模型以及二维属性信息进行同步显示和操作。