CN103049934A - 三维视景仿真系统中的漫游模式实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维视景仿真系统中的漫游模式实现方法，其包括以下步骤：步骤一，触发场景绘制循环的中断，定义并加载新的摄像机控制器及动画路径；步骤二，实时动态获取用户感兴趣视点位置，计算得到相应的关键节点并插入已定义动画路径的关键点列表；步骤三，插值生成路径全部节点并插入到所述关键点列表中；步骤四，执行包含全部关键点列表的动画路径。本发明的漫游模式通过使场景中摄像机沿着实时计算的路径“飞到”用户感兴趣的节点，而具有至少下述优点之一：用比较生动的方式完成场景观察视点的切换，能够更加清楚地交待切换前后两点的位置关系，在关注具体感兴趣位置点的同时兼顾场景整体位置分布。

Description

三维视景仿真系统中的漫游模式实现方法

技术领域

本发明涉及三维视景仿真系统中的漫游模式的设计，具体涉及一种三维视景仿真系统中的漫游模式实现方法，其尤其适用于地形地貌等大规模场景的浏览漫游。

背景技术

视景仿真系统是综合利用虚拟现实、计算机仿真和光学成像等技术，通过对目标对象的计算机三维视景仿真，为用户提供实用便捷、震撼逼真、信息丰富的可视化展示与管理的平台，其创造身临其境的空间三维视觉体验。该技术广泛应用于大型工程、城市规划、房地产项目、水油气电管网等工程信息的可视化展示与管理。漫游模式是指视景仿真系统中用户浏览场景的具体交互手段，方便合理的漫游模式设计可以提升系统的交互性和实用性。

三维视景仿真系统以仿真对象的可视化展示与管理为主要目标，与普通三维视频动画的展示方式相比，其重要的一个优势体现在便捷的人机交互性，即用户可以在任意时刻以任意视点位置和角度观察系统场景的任何一个区域。漫游模式是指用户通过键盘和鼠标等外围设备操控视点观察场景内容的具体手段，其最能体现视景仿真系统的人机交互性和实用便捷性。

目前，结合通用外部设备的常见场景漫游模式有很多种，可以划分为三大类，如下面的表1所示。

表1

通过上表对比可以发现：第一类模式操作简便，仅仅利用鼠标即可完成场景漫游的常规操作，用户上手迅速，而且该模式结合场景包围盒范围动态改变操作幅度，同时适用于宏观观察和细节审视的情况，无论场景大小都可以实现便捷迅速地浏览整个场景的内容；但是，该模式实现方法复杂，无法实现场景的快速切换而且给用户的主观沉浸感较差。第二类模式可以带给用户良好的沉浸感，用户通过键盘结合鼠标操作可以操控第一人称的视点，常用于角色扮演类的三维电子竞技游戏中；但是该模式视点与视角范围存在局限，用户只能浏览视点位置附近的情形，不能方便查看整体场景分布。第三类模式实现简单，操作简便而且定位准确；然而，其主要缺点为无法表现切换前后两点的位置关系而且缺乏生动性。

由此可见，三类模式各有自身的优缺点。总结实际开发经验可以了解到，在漫游模式设计过程中的一个突出问题就是很难同时兼顾复杂场景中宏观和微观展示的情况。

发明内容

本发明的目的是实现一种适用于大规模复杂场景漫游的场景切换模式。

本发明提供一种新的漫游模式，其通过使场景中摄像机沿着实时计算的路径“飞到”用户感兴趣的节点，而具有至少下述优点之一：用比较生动的方式完成场景观察视点的切换，与以上三类模式相比能够更加清楚地交待切换前后两点的位置关系，在关注具体感兴趣位置点的同时兼顾场景整体位置分布。

在本发明的一些实施方式中，通过如下方案实现本发明上述目的。

一种三维视景仿真系统中的漫游模式实现方法，其中，所述方法包括以下步骤：

步骤一：触发场景绘制循环的中断，定义并加载新的摄像机控制器及动画路径；

步骤二：实时动态获取用户感兴趣视点位置，计算得到相应的关键节点并插入已定义动画路径的关键点列表；

步骤三：插值生成路径全部节点并插入到所述关键点列表中；

步骤四：执行包含全部关键点列表的动画路径。

在至少一个优选的实施方式中，所述方法还包括：

步骤五：通过计算列表是否执行完毕来判断是否到达终点，从而继续执行摄像机路径关键点列表或者恢复场景原有的漫游模式，完成视点切换过程。

在至少一个优选的实施方式中，通过对世界坐标系中的三维物体进行几何变换、投影、三维裁剪、视口变换而最终得到屏幕坐标系中的坐标，以在二维屏幕中显示。

在至少一个优选的实施方式中，在所述步骤二中：

采用当前视点和用户拾取位置点作为动画路径的起点和终点，

切换过程并不是直接跳转的，而是在摄像机的动画路径中增加了两个点，分别是当前和最终的观察点斜上方45度、距离底面特定距离视角、沿垂直地面方向向下的两个点。

在至少一个优选的实施方式中，在所述步骤三中，差值采样频率大于20个样本/秒。

在至少一个优选的实施方式中，所述差值采样频率为25个样本/秒。

在至少一个优选的实施方式中，摄像机沿着实时生成的关键帧动画路径完成场景切换的过程。

在至少一个优选的实施方式中，通过相交检测来实现所述用户拾取位置点的获取，所述相交检测包括：

通过外设动作触发相交检测中断；

获取指针在屏幕坐标系中的位置坐标；

以获得的指针位置为起点，垂直视口平面向里定义一条检测射线；以及

根据该射线与场景的相交情况获得交点列表，其中将第一个交点作为动画路径的终点位置。

在至少一个优选的实施方式中，所述关键点所需信息包括时间及摄像机视点位置及方向，其中，后者通过采用定义如下的四元数代替旋转矩阵来表达：

Q＝(w，x，y，z)

其中，

$w=\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

$x=\mathrm{ax}*\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

$y=\mathrm{ay}*\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

$z=\mathrm{az}*\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

其中，ax、ay、az表示旋转轴矢量，θ表示绕此轴的旋转角度。

以轨迹球漫游等整体操作类漫游模式为基础，在场景切换的时候采用本发明中的漫游模式，从而结合成为新的视点操控器，通过这种方式可以结合两类模式的优点，很好的解决视景仿真系统中宏观和微观展示的问题，使得用户在两种情况下都能对感兴趣的场景内容进行便捷的浏览。

该模式主要针对同时包含地形地貌等大规模场景以及具体设备设施等细节场景的较为复杂三维视景仿真系统，例如城市规划展示系统、战场态势电子沙盘等。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方式的三维视景仿真系统中的漫游模式的总体执行流程图。

图2为根据本发明的一个实施方式的三维图像的显示流程图。

图3为根据本发明的一个实施方式的相交检测流程图。

具体实施方式

在本发明的一个实施方式的三维视景仿真系统中的漫游模式实现方法中，包括下述步骤一至四，在另一优选的实施方式中，还包括下面的步骤五。

步骤一：触发场景绘制循环的中断，定义并加载新的摄像机控制器及动画路径。

该漫游模式主要针对场景切换过程，在该过程中摄像机处于一个自动执行的绘制循环中，因此用户此时无法控制视口位置和角度。然而，在切换过程以外用户需要获得摄像机的控制权从而快捷浏览自己感兴趣的场景位置。因此，常规情况下的场景漫游控制器还是采用整体操作类或者第一人称类的漫游模式，本发明中的漫游模式将作为触发视景切换中断之后的控制程序在特定情形下接管视点控制。一旦用户通过外部硬件设备触发场景绘制中断，本步骤将完成新的摄像机控制器定义与加载过程。

步骤二：实时动态获取用户感兴趣视点位置，计算得到相应的关键节点并插入已定义动画路径的关键点列表。

该漫游模式中，采用当前视点和用户通过例如鼠标等拾取的拾取位置点作为动画路径的起终点。优选地，为了增强视点切换过程的生动性，切换过程并不是直接跳转的，而是在摄像机的动画路径中增加了两个点，例如，分别是当前和最终的观察点斜上方45度、距离底面特定距离(例如，500米)视角、沿垂直地面方向向下的另外两个点。这样，在视点切换过程中用户将能够很清楚的了解到场景的整体布局以及切换前后两点的位置关系。

步骤三：插值生成路径全部节点并插入到关键点列表中。

仅仅有以上四个关键帧节点还不足以完成摄像机动画过程，要想实现平滑的场景切换过程需要更多、更细密的节点列表，这一过程需要借助于数学差值方法。根据视觉暂留效应，人眼无法分辨小于0.05秒的两幅画面，只要设置差值采样频率大于20个样本/秒就会形成连续平滑的动画。在一个优选的实施方式中，本发明设置的采样频率为每秒25个样本。

步骤四：执行包含全部关键点列表的动画路径。

步骤五：通过计算列表是否执行完毕判断是否到达终点，如果为否(未到达终点)，则继续执行摄像机路径关键点列表，如果为是(到达终点)，则恢复场景原有的漫游模式，从而完成视点切换过程。

下面结合图1-3，对本发明的一个优选实施方式的执行步骤做进一步说明。

图1为根据本发明的一个实施方式的三维视景仿真系统中的漫游模式的总体执行流程图。

在步骤100中，恢复原来的摄像机控制器，从而进入步骤200。

在步骤200中，开始场景绘制循环。

然后，判断场景切换是否中断。如果否，则回到步骤200；如果是，则进入步骤300。

在步骤300中，定义并加载新的摄像机控制器及动画路径，然后进入步骤400。

在步骤400中，插入路径关键点参数，然后进入步骤500。

在步骤500中，插值生成全路径关键点列表，然后进入步骤600。

在步骤600中，执行列表，将参数加载到视景器输出。

然后，判断是否达到终点。如果否，则回到步骤600；如果是，则回到步骤100。

下面，对上述步骤一至五作进一步说明。

步骤一完成新的摄像机控制器定义与加载过程，如图2所示，在一个实施方式中，世界坐标系(即场景中的绝对参考坐标系)中的三维物体经过几何变换、投影、三维裁剪、视口变换等一系列的处理过程最终得到屏幕坐标系中的坐标从而在二维屏幕进行显示。在视景仿真系统中，通过摄像机控制器完成上述处理过程，将上述过程抽象成为通过改变摄像机视点的位置和角度来完成对场景的观察。漫游模式的设计其实就是对摄像机控制器控制方式的设计，即通过外设触发器改变视点的位置和角度。本发明的漫游模式采用的是包含关键帧动画的摄像机控制器，摄像机将沿着实时生成的关键帧动画路径完成场景切换的过程。

步骤二中包含两个重要的过程：切换终点的拾取和关键点列表的生成。

切换过程终点需要通过指针(例如，鼠标)位置获取，具体说来该过程是通过相交检测实现的。图3展示了相交检测的全过程。

首先，通过外设动作(例如，鼠标单击、双击或者某一个键盘按键)触发相交检测中断，即执行步骤301。从而开始场景绘制循环(步骤302)，判断是否开始相交运算，如果否，则回到步骤302，如果是，则进入步骤303。

在步骤303中，获取光标在屏幕坐标系中的位置坐标。

然后进入步骤304，在步骤304中，以获得的光标位置坐标为起点，垂直视口平面向里定义一条检测射线。

然后，判断检测射线与场景是否相交，如果不相交，则回到步骤301，如果相交，则得到焦点列表并输出。具体地，系统将根据该射线与场景的相交情况获得交点列表，其中第一个交点(也就是离视口平面最近的交点)将作为动画路径的终点位置。

在该模式中，关键点所需信息包括时间及摄像机视点位置及方向。其中，后者可以通过一个3×3维的旋转矩阵很直观的表达出来，矩阵中分别定义了旋转轴及旋转角度。而在本发明的一个优选实施方式中，为了更加便于下一步的插值操作，采用了更为直观便捷的四元数代替旋转矩阵。其定义如下

Q＝(w，x，y，z)

其中，

$w=\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

$x=\mathrm{ax}*\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

$y=\mathrm{ay}*\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

$z=\mathrm{az}*\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

其中，ax、ay、az表示旋转轴矢量，θ表示绕此轴的旋转角度。事实证明可以很方便的利用四元数完成程序中平滑线性插值等操作，同时，四元数也可以方便的转换为变换矩阵，公式如下：

$\left[\begin{array}{ccc}w*w+x*x-y*y-z*z& 2*x*y-2*w*z& 2*x*z+2*w*y\\ 2*x*y+2*w*z& w*w-x*x-y*y-z*z& 2*y*z+2*w*x\\ 2*x*z-2*w*y& 2*y*z+2*w*x& w*w-x*x-y*y-z*z\end{array}\right]$

步骤三主要通过数学插值过程得到全路径节点列表。关键帧动画中常见的插值手段包括以下几种。

线性插值：最易通过计算机实现且最容易理解，它使用一个函数来参数化两点之间的数据，所得到的结果与已有的两点数据成线性比例分布。该差值方法中关键节点之间都是直线路径切换的。

球面线性插值：针对球面上的点进行中间值的计算，在旋转动画的实现过程中尤为重要，尤其适用于地心坐标系场景的漫游模式。

三次贝塞尔曲线差值：实现过程较为复杂，可以实现自定义观察角度的路径动画过程。

本发明的漫游模式主要针对地面坐标系的场景，为了提高实时计算效率，在一个实施方式中，采用了最简单、最易实现的线性插值。在本发明的一个示例性实施方式中，程序实现过程如下：

当然，本发明不限于此。

步骤四、五主要包括新定义摄像机控制器的执行过程和切换终止判定过程。其为本领域的技术人员所熟知，在此不作详细说明。

上面参照附图说明了本发明的优选实施方式，但是，应当理解，上述说明仅是示例性的。本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对本发明作出各种修改和变型。本发明的保护范围由所附的权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种三维视景仿真系统中的漫游模式实现方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：触发场景绘制循环的中断，定义并加载新的摄像机控制器及动画路径；

步骤二：实时动态获取用户感兴趣视点位置，计算得到相应的关键节点并插入已定义动画路径的关键点列表；

步骤三：插值生成路径全部节点并插入到所述关键点列表中；

步骤四：执行包含全部关键点列表的动画路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤五：通过计算列表是否执行完毕来判断是否到达终点，从而继续执行摄像机路径关键点列表或者恢复场景原有的漫游模式，完成视点切换过程。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过对世界坐标系中的三维物体进行几何变换、投影、三维裁剪、视口变换而最终得到屏幕坐标系中的坐标，以在二维屏幕中显示。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中：

采用当前视点和用户拾取位置点作为动画路径的起点和终点，

切换过程并不是直接跳转的，而是在摄像机的动画路径中增加了两个点，分别是当前和最终的观察点斜上方45度、距离底面特定距离视角、沿垂直地面方向向下的两个点。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，差值采样频率大于20个样本/秒。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述差值采样频率为25个样本/秒。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，摄像机沿着实时生成的关键帧动画路径完成场景切换的过程。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过相交检测来实现所述用户拾取位置点的获取，所述相交检测包括：

通过外设动作触发相交检测中断；

获取指针在屏幕坐标系中的位置坐标；

以获得的指针位置为起点，垂直视口平面向里定义一条检测射线；以及

根据该射线与场景的相交情况获得交点列表，其中将第一个交点作为动画路径的终点位置。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述关键点所需信息包括时间及摄像机视点位置及方向，其中，后者通过采用定义如下的四元数代替旋转矩阵来表达：

Q＝(w，x，y，z)

其中，

$w=\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

$x=\mathrm{ax}*\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

$y=\mathrm{ay}*\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

$z=\mathrm{az}*\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right);$

其中，ax、ay、az表示旋转轴矢量，θ表示绕此轴的旋转角度。

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