CN103106691A - 一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法和系统，对激光高度计采集到的数据进行处理得到月球表面上分块的半规则月球网格模型；对立体相机采集、拼接得到的原始全月影像进行分割转换处理，得到分块月球纹理；对分块的半规则月球网格模型根据网格位置用分块月球纹理进行纹理贴图，对可见的网格分块进行渲染显示，得到带纹理的月球模型；对标注分级，再对带纹理的月球模型根据月心视点距离添加不同级别的标注，并对可见标注点进行绘制，得到带纹理和标注的月球模型。添加纹理和添加标注顺序可以互换。本发明解决了月球模型两极纹理汇聚模糊的问题，对月球网格模型进行分块处理，对可见网格分块进行渲染，加快月球模型绘制的速度。

Description

一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法和系统

技术领域

本发明涉及全月球虚拟模型构建领域，尤其涉及一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法和系统。

背景技术

2007年10月24日我国第一个月球轨道探测器成功发射，在轨运行495天，共获得1.37TB的原始科学探测数据，通过对这些科学探测数据的初步分析和应用研究，已经获得了包括月球三维地形图（DEM）和全月球影像图在内的一系列科学成果，为推动我国月球科学和天体化学的研究和后续月球探测工程的开展奠定了基础。

随着“嫦娥一号”的成功发射，国内公众对于月球方面知识的需求也与日俱增，基于网络与电脑平台的“虚拟月球”为公众提供了很大的便利。目前我们在网络上能广泛获得的诸如：谷歌公司的GoogleMoon、美国国家航空航天局（NASA）的World Wind Moon、法国的Virtual Moon Atlas，为公众认识月球提供了便利的条件，但上述软件利用的都是国外的数据，由于利益所在，数据未必完整可靠，因此如何利用“嫦娥一号”数据构建自主的月球模型是国内月球研究的重点。近年来，国内围绕“嫦娥一号”数据的可视化研究主要有成都理工大学的数字月球平台、香港中文大学的虚拟月球系统和清华大学与澳门科技大学联合的月球模型研究工作，成果包括月球三维和地名地标展示、月球DEM数据展示，月球各元素分布展示、月球自动漫游等，但是目前还没有推广的向公众开放访问的内容。

在月球纹理映射过程中，容易出现球体纹理映射过程中的两极纹理汇聚模糊的问题，在Google Moon和World Wind Moon等软件中都存在这类问题，如图1和图2所示，而在国内相关的月球研究工作中并没有提及这类问题。两极地区作为月球的重要部分，其相关研究对于全月的研究同等重要，如何解决月球两极纹理汇聚的问题对于月球可视化工作突显出重要性。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是，针对上述缺陷，如何解决在月球虚拟模型构建过程中月球两极纹理汇聚模糊的问题。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法，所述方法包括：

A：对激光高度计采集到的数据进行处理得到月球表面上分块的半规则月球网格模型；

B：对立体相机采集、拼接得到的原始全月影像进行分割转换处理，得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理；

C：对所述分块的半规则月球网格模型根据网格位置分别用所述分块月球纹理进行纹理贴图，对可见的网格分块进行渲染显示，得到带纹理的月球模型；

D：对月球表面上的标注进行分级；

E：对所述带纹理的月球模型根据月心视点距离添加不同级别的标注，根据视点位置判断可见标注点，并只对所述可见标注点进行绘制，得到所述带纹理和标注的月球模型。

优选地，步骤A中的处理具体包括：去噪处理、三角网格化、细分重采样和几何模型分块处理。

优选地，步骤B中对立体相机采集、拼接得到的原始全月影像进行图像分割转换处理具体包括：

B1：对所述原始全月影像区分两极区域和中间区域进行分割，再进一步对所述中间区域进行分割，得到两极区域图像和中间区域的分块图像；

B2：对所述两极区域图像进行坐标转换，转换为以极点为中心，每条纬度线对应一条圆圈且从内向外纬度依次降低的圆形纹理，其中所述两极附近区域的纹理分割高度是根据H_n＝H_s≈W/(2π)确定的，H_s为分割后南极纹理图高度，也是南极区域圆形纹理的半径，H_n为分割后北极纹理图高度，也是北极区域圆形纹理的半径，W为原始全月影像的宽度，最终得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理。

优选地，所述步骤B之后进行以下步骤：

F：对月球表面上的标注进行分级；

G：对所述分块的月球模型根据所述月心视点距离添加不同级别的标注，根据所述视点判断标注的可见性，得到可见标注点，并只对可见标注点进行绘制，得到带标注的月球模型；

H：对所述带标注的月球模型根据网格位置分别用所述分块月球纹理进行纹理贴图，并对可见的网格分块进行渲染显示，得到带纹理和标注的月球模型。

为解决上述问题，本发明还提供了一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化系统，所述系统包括：

半规则月球网格模型获取模块、原始全月影像分割转换模块、纹理贴图渲染模块和加标记模块；

所述半规则月球网格模型获取模块，用于对激光高度计采集到的数据进行处理，得到月球表面上分块的半规则月球网格模型；

所述原始全月影像分割模块，用于对立体相机采集、拼接得到的原始全月影像进行图像分割转换处理，得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理；

所述纹理贴图渲染，用于对所述分块的半规则月球网格模型根据网格位置分别用所述分块月球纹理进行纹理贴图，对可见的网格分块进行渲染显示，得到带纹理的月球模型；

所述加标记模块，用于对所述带纹理的月球模型根据月心视点距离添加不同级别的标注，根据视点位置判断可见标注点，并只对所述可见标注点进行绘制，得到所述带纹理和标注的月球模型。

优选地，所述半规则月球网格模型获取模块具体包括：去噪处理模块、三角网格化模块、细分重采样模块和几何模型分块处理模块。

优选地，所述原始全月影像分割转换模块具体包括：全月影像分割模块和两极区域图像转换模块；

所述全月影像分割模块，用于对所述原始全月影像区分两极区域和中间区域进行分割，再进一步对所述中间区域进行分割，得到两极图像和中间区域的分块图像；

所述两极区域图像转换模块，用于对所述两极区域图像进行坐标转换，转换为以极点为中心，每条纬度线对应一条圆圈且从内向外纬度依次降低的圆形纹理，其中所述两极附近区域的纹理分割高度是根据H_n＝H_s≈W/(2π)确定的，H_s为分割后南极纹理图高度，也是南极区域圆形纹理的半径，H_n为分割后北极纹理图高度，也是北极区域圆形纹理的半径，W为原始全月影像的宽度，最终得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理。

优选地，所述系统还包括：标注分级模块，用于对月球表面上的标注进行分级。

（三）有益效果

本发明提出了一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法和系统，解决了月球模型两极纹理汇聚模糊的问题，同时通过对月球网格模型进行分块处理，只对视点位置可见的网格分块进行渲染，只显示可见标注，加快月球模型绘制的速度。

附图说明

图1为通过Goole Moon软件构建的月球模型图；

图2为通过World Wind Moon软件构建的月球模型图；

图3为一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法的一种实现步骤流程图；

图4为一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法的另一种实现步骤流程图；

图5为一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法中步骤B的流程图；

图6为月心视点距离为5.5（单位：月球半径）时得到的带纹理和标注的月球模型图；

图7为月心视点距离为3.0（单位：月球半径）时得到的带纹理和标注的月球模型图；

图8为月心视点距离为1.5（单位：月球半径）时得到的带纹理和标注的北极附近月球模型图；

图9为一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

本发明实施例一中提供了一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法，步骤流程图如图3和图4所示，具体包括以下步骤：

步骤A：对激光高度计采集到的数据进行处理得到月球表面上分块的半规则月球网格模型。

本实施例中以“嫦娥一号”为例进行说明，“嫦娥一号”上搭载的激光高度计是利用激光测量卫星距地面高度的仪器，可安装于飞机、卫星等测试平台上，使用激光高度计测量得到的就是LAM（LaserAltimeter）数据。

根据获取到的LAM数据建立DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）得到DEM数据，再对DEM数据进行去噪处理、三角网格化、细分重采样和分块处理一系列的处理，得到具有细分连通性并分割为48块的月球表面的半规则月球网格模型。另外月球网格模型并不是必须分成48块，还可以根据需要分成其它块数。

步骤B：对立体相机采集、拼接得到的原始全月影像进行分割转换处理，得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理。

步骤流程如图5所示，具体包括以下步骤：

步骤B1：对原始全月影像区分两极区域和中间区域进行分割，再进一步对中间区域进行分割，得到两极区域图像和中间区域的分割图像。本实施例中对中间区域再按东西半球进行划分，分割成东半球和西半球两块，最终将原始全月影像分割成四块图像，即南极区域图像、北极区域图像、中间区域东半球图像和中间区域西半球图像。

步骤B2：对步骤B1中得到的两极区域图像（南极区域图像和北极区域图像）进行坐标转换，转换为以极点为中心，每条纬度线对应一条圆圈且从内向外纬度依次降低的圆形纹理。

具体的，两极附近区域的纹理分割高度是根据H_n＝H_s≈W/(2π)确定的，H_s为分割后南极纹理图高度，也是南极区域圆形纹理的半径，H_n为分割后北极纹理图高度，也是北极区域圆形纹理的半径，W为原始全月影像的宽度。

经过步骤B1的图像分割和步骤B2的对两极区域图像的坐标转换，最终得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理，即南极区域纹理、北极区域纹理、中间区域东半球纹理和中间区域西半球纹理。

本实施例中是将中间区域分割成了东西半球两块，在本发明的其它实施例中还可以根据需要对中间区域采用其他划分的方式，但是南极区域和北极区域一定要单独进行分割，才能解决两极纹理汇聚模糊的问题。

步骤C：对步骤A得到的分块的半规则月球网格模型根据网格位置分别用步骤B得到的分块月球纹理进行纹理贴图，并对可见的网格分块进行渲染显示，得到带纹理的月球模型。这一步骤是对月球模型进行纹理贴。

其中月球表面顶点坐标p(x,y,z)与月球纹理坐标q(u,v)对应关系，北极附近区域由

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{La}=180/\mathrm{\π}\×\arcsin (z/\sqrt{x^2+y^2+z^2})\\ \mathrm{Lg}=\±180/\mathrm{\π}\×\arccos (x/\sqrt{x^2+y^2})\\ u=0.5+H\×(1-(\mathrm{La}+90)/180)\×\cos (2\mathrm{\π}\×(\mathrm{Lg}+180)/360)/(2\×H_n)\\ v=0.5+H\×(1-(\mathrm{La}+90)/180)\×\sin (2\mathrm{\π}\×(\mathrm{Lg}+180)/360)/(2\×H_n)\end{array}\right.$

确定，其中La为纬度，Lg为经度，H为原始全月影像图高度，H_n为分割后北极纹理图高度，也是对应的北极圆形纹理的半径，南极附近区域采用类似方法求得。

中间区域东半球由

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{La}=180/\mathrm{\π}\×\arcsin (z/\sqrt{x^2+y^2+z^2})\\ \mathrm{Lg}=\±180/\mathrm{\π}\×\arccos (x/\sqrt{x^2+y^2})\\ u=W\×((\mathrm{Lg}+180)/360)/W_{\mathrm{me}}\\ v=((\mathrm{La}+90)/180-0.5)\×H/H_m+0.5\end{array}\right.$

确定，其中La为纬度，Lg为经度，W为原始全月影像宽度，H为原始全月影像图的高度，H_m为分割后中间区域纹理高度，W_me为分割后中间区域东半球纹理宽度，中间区域西半球纹理映射关系类似求得。

再对分块的半规则月球网格模型相对视点位置的可见性判断出可见的网格分块，并只对可见的网格分块进行渲染显示，最终得到带纹理的月球模型。对分块的半规则月球网格模型相对视点位置可见的网格分块进行渲染不仅能够解决简单纹理映射过程中出现的两极纹理汇聚模糊的问题，还能够提高月球纹理贴图的速度。

步骤D：对月球表面上的标注进行分级。本实施例中是根据月球表面上标注的间距大小将标注分成三级，标注点之间距离最大的标注为第一级标注，较小的为第二级标注，其余的为第三级标注。还可以不分成三级，而分成多级，只是为了能够在不同月心视点距离情况下使用不同类型的标注而将标注分级，比如在月心视点距离很大的情况下，月球模型视觉上较小，如果添加显示过多的标注，标注之间会相互叠加而影响视觉效果和渲染速度，当月心视点距离逐渐减小时，月球模型视觉效果逐渐变大，再逐步加入其它分级的标注（如第二级标注、第三级标注），从而增强月球模型的可认知性。在本发明的其它实施例中还可以按照其他方式对月球表面上的标注进行分级。

步骤E：对带纹理的月球模型根据月心视点距离添加不同级别的标注，根据视点判断标注的可见性，得到可见标注点，并只对可见标注点进行绘制，得到带纹理和标注的月球模型。

根据月心视点距离对月球模型添加不同级别的标注，根据视点位置判断可见标注点，并且只对可见标注点进行绘制，以加快月球模型添加标注的速度。图6、图7和图8为不同月心视点距离下的带有纹理和标注的月球模型，其中月心视点距离是视点与月球之间的距离，单位是月球半径的倍数，例如当月心视点距离为5.5时就是指当前视点与月球之间的距离是月球半径的5.5倍。

以上步骤C、D、E给出了先加纹理再加标注的过程，如图3所示。本发明还可以先加标注再加纹理，如图4所示，即在步骤A和步骤B之后执行以下步骤：

步骤F:对月球表面上的标注进行分级，本实施例中根据标注之间的间距对标注进行分级。

步骤G:对分块的月球模型根据月心视点距离添加不同级别的标注，根据视点判断标注的可见性，得到可见标注点，并只对可见标注点进行绘制，得到带标注的月球模型。

步骤H：对带标注的月球模型根据网格位置分别用分块月球纹理进行纹理贴图，并对可见的网格分块进行渲染显示，得到带纹理和标注的月球模型。

通过使用上述方法，解决了月球模型两极纹理汇聚模糊的问题，同时通过分块处理，只对可见部分进行贴图和标注，加快月球模型绘制的速度，有利于“嫦娥一号”等月球探测卫星采集到的科研数据的研究以及科研成果的普及传播，同时为移动终端的研究开发奠定基础。

实施例二

为达到上述目的，本发明的实施例二中还提供了一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化系统，如图9所示，具体包括：

半规则月球网格模型获取模块910、原始全月影像分割转换模块920、纹理贴图模块930和加标记模块940。

半规则月球网格模型获取模块910，用于对激光高度计采集到的数据进行处理，得到月球表面上分块的半规则月球网格模型。

半规则月球网格模型获取模块910具体包括：去噪处理模块911、三角网格化模块912、细分重采样模块913和几何模型分块处理模块914。

原始全月影像分割转换模块920，用于对立体相机采集、拼接得到的原始全月影像进行图像分割转换处理，得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理。

原始全月影像分割模块920具体包括：全月影像分割模块921和两极区域图像转换模块922。

全月影像分割模块921，用于对原始全月影像区分两极区域和中间区域进行分割，再进一步对中间区域按东西半球进行分割，得到两极图像和中间区域东西半球的分割图像，即南极区域图像、北极区域图像、中间区域东半球图像和中间区域西半球图像。只有将南北两极区域与中间区域分开，单独进行纹理贴图，才能解决两极纹理汇聚模糊的问题。不过对于中间区域的分割是根据需要进行分割的，最优的分割方式是按照东西半球进行划分。

两极区域图像转换模块922，用于两极区域图像进行坐标转换，转换为以极点为中心，每条纬度线对应一条圆圈且从内向外纬度依次降低的圆形纹理。

具体的，两极附近区域的纹理分割高度是根据H_n＝H_s≈W/(2π)确定的，H_s为分割后南极纹理图高度，也是南极区域圆形纹理的半径，H_n为分割后南极纹理图高度，也是对北极区域圆形纹理的半径，W为原始全月影像的宽度。

纹理贴图模块930，用于对半规则月球网格模型获取模块910得到的分块的半规则月球网格模型根据网格位置分别用原始全月影像分割模块920得到的分块月球纹理进行纹理贴图。

纹理贴图模块930还用于根据分块的半规则月球网格模型中不同分块相对于视点位置的可见性判断出可见的网格分块，并对可见的网格分块进行渲染显示，最后得到带纹理的月球模型。

加标记模块940，用于对所述带纹理的月球模型根据月心视点距离添加不同级别的标注，根据视点位置判断可见标注点，并只对所述可见标注点进行绘制，得到所述带纹理和标注的月球模型。

系统还包括标注分级模块950，用于对月球表面上的标注进行分级。

本实施例中是根据月球表面上标注的间距大小将标注分成三级，标注点之间距离最大的标注为第一级标注，较小的为第二级标注，其余的为第三级标注。还可以分成多级，只是为了能够在不同月心视点距离情况下使用不同类型的标注而将标注分级，比如在月心视点距离很大的情况下，月球模型视觉上较小，如果添加显示过多的标注，标注之间会相互叠加而影响视觉效果和渲染速度，当月心视点距离逐渐减小时，月球模型视觉效果逐渐变大，再逐步加入其它分级的标注（如第二级标注、第三级标注），从而增强月球模型的可视化效果。

通过上述系统，解决了以往月球模型构建过程中出现的两极纹理汇聚模糊的问题，同时通过对模型和纹理进行分块处理，只对可见部分进行贴图，只显示可见标注，加快月球模型绘制的速度，最终形成了单机月球交互可视化系统，有利于“嫦娥一号”等月球探测卫星采集到的科研数据的研究以及科研成果的普及传播，同时为移动终端的研究开发奠定基础。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化方法，其特征在于，所述方法具体包括：

A：对激光高度计采集到的数据进行处理得到月球表面上分块的半规则月球网格模型；

B：对立体相机采集、拼接得到的原始全月影像进行分割转换处理，得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理；

C：对所述分块的半规则月球网格模型根据网格位置分别用所述分块月球纹理进行纹理贴图，并对可见的网格分块进行渲染显示，得到带纹理的月球模型；

D：对月球表面上的标注进行分级；

E：对所述带纹理的月球模型根据月心视点距离添加不同级别的标注，根据视点位置判断可见标注点，并只对所述可见标注点进行绘制，得到所述带纹理和标注的月球模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中的处理具体包括：去噪处理、三角网格化、细分重采样和几何模型分块处理。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中对立体相机采集、拼接得到的原始全月影像进行图像分割转换处理具体包括：

B1：对所述原始全月影像区分两极区域和中间区域进行分割，再进一步对所述中间区域进行分割，得到两极区域图像和中间区域的分块图像；

B2：对所述两极区域图像进行坐标转换，转换为以极点为中心，每条纬度线对应一条圆圈且从内向外纬度依次降低的圆形纹理，其中所述两极附近区域的纹理分割高度是根据H_n=H_s≈W/(2π)确定的，H_s为分割后南极纹理图高度，也是南极区域圆形纹理的半径，H_n为分割后北极纹理图高度，也是北极区域圆形纹理的半径，W为原始全月影像的宽度，最终得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中对可见的网格分块进行渲染显示具体包括：根据所述分块的半规则月球网格模型中不同分块相对于所述视点位置的可见性判断出可见的网格分块，并对所述可见的网格分块进行渲染显示。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述步骤B之后进行以下步骤：

F：对月球表面上的标注进行分级；

G：对所述分块的月球模型根据所述月心视点距离添加不同级别的标注，根据所述视点判断标注的可见性，得到可见标注点，并只对可见标注点进行绘制，得到带标注的月球模型；

H：对所述带标注的月球模型根据网格位置分别用所述分块月球纹理进行纹理贴图，并对可见的网格分块进行渲染显示，得到带纹理和标注的月球模型。

6.一种带纹理和标注的月球模型交互浏览可视化系统，其特征在于，所述系统包括：半规则月球网格模型获取模块、原始全月影像分割转换模块、纹理贴图渲染模块和加标记模块；

所述半规则月球网格模型获取模块，用于对激光高度计采集到的数据进行处理，得到月球表面上分块的半规则月球网格模型；

所述原始全月影像分割转换模块，用于对立体相机采集、拼接得到的原始全月影像进行图像分割转换处理，得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理；

所述纹理贴图渲染，用于对所述分块的半规则月球网格模型根据网格位置分别用所述分块月球纹理进行纹理贴图，对可见的网格分块进行渲染显示，得到带纹理的月球模型；

所述加标记模块，用于对所述带纹理的月球模型根据月心视点距离添加不同级别的标注，根据视点位置判断可见标注点，并只对所述可见标注点进行绘制，得到所述带纹理和标注的月球模型。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述半规则月球网格模型获取模块具体包括：去噪处理模块、三角网格化模块、细分重采样模块和几何模型分块处理模块。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述原始全月影像分割转换模块具体包括：全月影像分割模块和两极区域图像转换模块；

所述全月影像分割模块，用于对所述原始全月影像区分两极区域和中间区域进行分割，再进一步对所述中间区域进行分割，得到两极图像和中间区域的分割图像；

所述两极区域图像转换模块，用于对所述两极区域图像进行坐标转换，转换为以极点为中心，每条纬度线对应一条圆圈且从内向外纬度依次降低的圆形纹理，其中所述两极附近区域的纹理分割高度是根据H_n＝H_s≈W/(2π)确定的，H_s为分割后南极纹理图高度，也是南极区域圆形纹理的半径，H_n为分割后北极纹理图高度，也是北极区域圆形纹理的半径，W为原始全月影像的宽度，最终得到区分两极区域和中间区域的分块月球纹理。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述纹理贴图渲染模块还用于根据所述分块的半规则月球网格模型中不同分块相对于所述视点位置的可见性判断出可见的网格分块，并对所述可见的网格分块进行渲染显示。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：标注分级模块，用于对月球表面上的标注进行分级。

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