[發明專利]一種真實空間三維地理實體的立體虛擬顯示方法

有效

• 申請號: 201310255749.6
• 申請日: 2013-06-25
• 公開（公告）號: CN103337095A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 李景文;陸妍玲
• 申請（專利權）人: 桂林理工大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G02B27/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種真實空間三維地理實體的立體虛擬顯示方法，其特征在于具體步驟為：

(1)建立地理信息三維視景數據庫：

將地形地物中的地理實體定義為真實空間三維立體顯示技術中的基本單位，簡稱Entity，一個實體則對應為地形地物中心點為采樣點的一個小長方體，值為采樣點的采樣值，表示為：

E={x,y,z}x,y,z∈R；

定量設定相應實體的基本特征值包括實體的幾何特征、光學特征、時間特性，由于真實空間三維數據信息比較豐富，數據量也很大，而且是和計算機圖形圖象處理等算法相結合，因此把該類數據格式定義為真實空間三維實體數據格式-True3D?Entity?File?Format，簡稱TEF格式，表示為：

TEF={空間編號，坐標類型，坐標值，顏色，[亮度]、[透明度]}；

其中，坐標值={x,y,z}；坐標類型={轉換坐標、物理坐標、設備坐標}，轉換坐標是實體數據所用的坐標，或者是建模系統所默認的坐標系，物理坐標是實體數據轉換到三維圖象空間后所處的物理坐標，設備坐標是投影體系所采用的坐標系；

轉換TEF數據生成三維建模文件格式，對實體數據進行坐標轉換到設備坐標中，并以實體的轉換坐標來確定所產生的三維數據，紋理數據來自地面、高空拍攝的照片，并因此生產視景數據特征；構造基體、物體、子場景三維實體模型，對各類數據進行一致性處理，去掉冗余數據生成特征物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，建立三維視景數據庫；

(2)構建三維地理實體場景模型：

三維數據經過實體要素生成后，就形成了一個以實體為單位的真實空間三維數據；由于三維物體空間是由離散的實體數據構成的，因此對其進行的三維圖像變換叫做體視見；在真實三維空間中，三維物體的描述沒有物體的幾何描述，只有離散的實體數據，因此，根據其運動特征來激活實體要素是實現真實空間三維效果的關鍵，實體的要素集為：

E＝{x,y,z}；

當屏幕運動到z=z_i的時候，產生一個二維圖象，因此通過實體要素集中令z=z_i獲得二維圖象集，即：

E_i＝{x,y,z|z＝z_i}；

為減少數據冗余，假設z=z_i的圖象在實心球體中某個面上，當顯示該實心球體的時候，在屏幕的某個運動時刻，將產生一個平面，并將該平面中所有的實體要素激活；對于整個實心球體而言，其內部的實體要素不用激活，當運動屏幕掃過整個實體要素空間的時候，球體邊界上的實體要素保證其三維可視化效果；因此，定義其為可視實體要素，即Viewable?Entity；可視實體要素和物體的邊界的概念有相互關系，就是邊界也可能在某個特定的可視范圍內是不可見的，因此，可視實體要素是邊界實體要素的子集合，即：

{V|可視實體要素}∈{V|邊界實體要素}；

(3)對建立的場景模型細化處理：

模型表面紋理生成是用圖像繪制然軟件交互地創建和儲存紋理位圖，或是用直接拍攝所需實體的真實表面；有時受拍攝條件的限制，只能得到黑白紋理或粗紋理，因此需經過彩色處理或用相近的細致紋理進行替換；對于一些不規則形狀的三維物體，要想逼真的表述，采用透明紋理映射，通過源和目的地顏色值相結合的融合函數,使最后的效果中部分場景表現為透明，然后將其映射到一個矩形平面上，用簡單幾何面元加上紋理來表示復雜模型；

為提高結算速度，紋理的分辨率碎地形、物標變化而不同，遠物標較簡單，近物表紋理細致，符合實際需要；物體自身的顏色屬性通過材質來實現，材質的顏色采用RGB光照顏色模型來表示，考慮計算速度和對物標周圍對象的影響程度，對3種光的顏色進行處理；物標表面上的陰影是光照的簡單衰減，故環境光和漫射光的RGB值保持一致；反射光與反光強度的值有關，反射光去白光；

(4)將三維地理實體場景模型進行立體投影轉換

建立三維地形地物模型坐標系與獨立真實投影空間坐標系的解析關系式，通過根據兩坐標系中若干離散點或稱共同點，運用數值逼近理論和方法建立兩者間的函數關系式，將三維地形地物虛擬模型在規定坐標系下的坐標點轉換為真實投影空間中獨立坐標系的坐標點，根據三維地形地物場景的原型按比例進行自由縮放操作；

真實空間中的獨立坐標x₀和三維模型中的坐標x₁分別設為：

x₀＝(x₀,y₀,z₀)^T，x₁＝(x₁,y₁,z₁)^T；

真實空間中的單位坐標軸矢量e^x，e^y，e^z和原點O₀如下表示：

e^x＝(e^x₁,e^x₂,e^x₃)^T，e^y＝(e^y₁,e^y₂,e^y₃)^T，e^z＝(e^z₁,e^z₂,e^z₃)^T,O₀＝p＝(x_g,y_g,z_g)^T；

其中，設三維模型為一標準的直角坐標系，即x,y,z軸的單位坐標軸矢量和原點分別是：

(1,0,0)^T,(0,1,0)^T,(0,0,1)^T和(0,0,0)^T

當把三維模型中的坐標轉化成真實空間中的坐標時，通過如下公式計算：

x_0m＝s_mn(x_1n-p_n)＝s_mnx_1n-s_mnp_n

以上的計算中，假定三維模型坐標系先平移p，再旋轉后變成真實空間；設平移成分為：

L_n＝s_mnp_n；

則有：

x_0m＝s_mnx_1n-L_n；

式中：

s=(smn)=e1xe2xe3xe1ye2ye3ye1ze2ze3z;]]>

坐標轉換時，為方便計算常常采用4次元坐標；這時，真實空間的坐標和三維模型的坐標分別表示為：

x₀＝(x₀,y₀,z₀,1)^T,x₁＝(x₁,y₁,z₁,1)^T；

此時，坐標轉換矩陣定義為H，H的成分如下

H=s31s12s13-L1s21s22s23-L2s31s32s33-L30001=e1xe2xe3x-L1/e1ye2ye3y-L2e1ze2ze3z-L30001]]>

利用H，把三維模型的坐標轉換成真實空間的坐標；如下運算：

x_0m＝H_mnx_1n；

(5)在真實空間中立體顯示三維地理實體場景：

構建由左、右、前方3面構成的真實投影空間，將立體轉換后的三維地理實體模型投影在建立的3面真實投影空間中；每面投影體系由用于產生視差圖像的兩點以上投影陣列、具有校對和分光作用的光柵欄以及投影墻組成；投影陣列點分別顯示多個視差圖像，兩幅視差圖像經校對光柵在投影墻上形成校正了的立體合成圖像，再經過分光光柵，兩幅視差圖像的光分別到達人眼，觀看者將具有視差的兩幅圖像在大腦融合成具有立體感的三維圖像，該過程中不需觀看者佩戴眼睛或頭盔等輔助設備；其中，經校對光柵后的立體合成圖像為浮出投影墻外、伸向縱深、懸在空中的三維立體影像，且經過分光光柵后人眼觀察具有身臨其境的效果；

假設投影陣列點為t，產生的視差圖像個數為T，T≥t；設l₁為校對光柵透光距離，l₂為校對光柵非透光距離，m為校對光柵的節距，d為投影陣列點到投影面距離，e為校對光柵到投影面距離，j為兩個投影陣列點間距，f為投影面上的像素寬度；以上參數關系如下：

l1=j*fj+f;]]>

l₂=l₁*(t-1)；

m=l₁+l₂；

e=f*dj+f;]]>

設L₁為分光光柵透光距離，L₂為分光光柵非透光距離，M為分光光柵的節距，D為最佳觀看距離，E為光柵到投影面距離，J為人眼間距；以上參數關系如下：

L1=J*fJ+f;]]>

L₂=L₁*(T-1)；

M=L₁+L₂；

E=f*DJ+f;]]>

經過計算，分別獲取每面投影體校對光柵和分光光柵的設計參數l₁、l₂、m和e以及L₁、L₂、M和E；3面真實投影空間共同顯示立體轉換投影的連續、立體場景，場景中地形地物按照原型縮放比例以懸浮空中形式立體呈現；通過建立的觀察基準對象，使整個場景中各對象是通過空間相對位置關系組織在一起，當賦予在該基準對象位置一雙虛擬眼睛，能通過該虛擬雙眼經過以上步驟設計三維場景的立體投影；顯示系統采用多窗口畫面同步操作，將三維地理信息場景幾何模型、物理模型以及二維屬性信息進行同步顯示和操作。