CN103456039A - 多视点多视角视场显示条件下的大场景虚拟天空建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多视点多视角视场显示条件下的大场景虚拟天空建模方法，首先进行复合式天空柱及其他个体对象的三维真实感建模，然后完成基于复合式天空柱的虚拟大场景集成，之后设置复合式天空柱及其他运动模型运动规则，最后设置基于复合式天空柱的各视点。本发明有效地实现了多视点、多视角观察以及观测视场的实时三维真实感显示，在水平方向和垂直方向均实现了连贯、平滑的天空背景变换效果，可以满足大场景视景仿真中多视点、多视角观察和视场三维真实感显示的虚拟天空建模要求。

Description

多视点多视角视场显示条件下的大场景虚拟天空建模方法

技术领域

本发明涉及一种视景仿真中的天空建模方法，特别是一种大场景、复杂视点条件下的虚拟天空建模方法。

背景技术

在视景仿真应用中，天空仿真是必不可少的要素。天空背景的真实感对用户来说能大大提高视觉享受和沉浸感。传统的天空建模方法有背景图法、天空盒法以及天空球法。背景图法使用天空图片作为纹理图像充当天空背景，放置在视点的前方，这种方法在相机视点单一，视角固定不变或变化角度很小时（即不超过纹理图像建模可以覆盖的范围）是一种可行的高效方法，经过一定的技术处理还可以实现具有一定动态效果的天空背景。但其对视点角度的严格要求，使应用范围受到很大限制；天空盒法用一个立方体模拟虚拟空间，罩住虚拟场景，在立方体前、后、左、右和顶面共五个面的内侧贴以天空纹理图像。这种方法虽然可以实现视点的多视角观察，但是在立方体面与面交接的棱柱处会不可避免地出现接缝，影响真实感显示。另外，当场景很大时需要的立方体尺寸也很大，此时天空纹理图像将被拉伸到巨大的平面上，图像的马赛克现象严重，往往很难达到真实感的效果；天空球法用一个半球体模拟虚拟空间，罩住虚拟场景，在半球内侧贴以天空纹理图像，这种方式消除了天空盒法的接缝缺陷，但在大场景显示时，除了存在天空盒法同样的问题外，还会因为大的球面面积数据量过大，使场景实时性变差。除此之外，以上三种方法也没有涉及大气垂直分布的视景变化。

在视景仿真中，当需要多个视点以完全不同的视角，在一个大范围内同时观察动态虚拟场景时，天空必须在任意时刻都要罩住所有视点向各自不同方向观察出去的视野背景，这时天空的建模难度将大大提高，现有的天空建模方法无法满足这样的要求。

发明内容

为了克服现有技术仅可以满足基本固定视点和小范围视景仿真需求的不足，本发明提供一种虚拟天空的建模方法，在有限的空间内模拟出各个飞行器的飞行环境场景，有效地实现了多视点、多视角观察以及观测视场的实时三维真实感显示，在水平方向和垂直方向均实现了连贯、平滑的天空背景变换效果，可以满足大场景视景仿真中多视点、多视角观察和视场三维真实感显示的虚拟天空建模要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、复合式天空柱及其他个体对象的三维真实感建模，包括以下内容：

1.对两个飞行器、三个观测设备和两个飞行器停放场进行建模；

2.对复合式天空柱进行建模，建模方法如下：

（1）采用半径为R，高度为H的圆柱体结构模拟飞行器起飞升空阶段飞过的空间环境，柱体底面的圆心位于物体坐标系原点处，纵轴与物体坐标系y轴重合，复合式天空柱的物体坐标系遵循右手螺旋法则，x轴水平向右，y轴垂直向上，z轴垂直向屏幕外；其中，半径R取为飞行器停放场边长的一半，圆柱体的高度等于飞行器距地面最大飞行高度减去R，圆柱体上端使用球半径为R、开口向下的半球体模拟飞行器平稳飞行阶段的空间环境，半球体的开口与圆柱口无缝衔接；圆柱体的纵轴也是复合式天空柱的纵轴，与复合式天空柱的物体坐标系y轴重合；

（2）圆柱体下部H/3处采用淡蓝色背景图像，圆柱体上部H/3处和半球体内采用深蓝色背景图像，圆柱体中部H/3处图像背景颜色在上述两个背景颜色之间过渡；对三个贴图接缝区域的色彩进行融合处理；

步骤二、基于复合式天空柱的虚拟大场景集成，包括以下内容：

将步骤一中构建的两个飞行器、三个观测设备、两个飞行器停放场和两个复合式天空柱的模型放置在世界坐标系中，其中，第一和第二观测设备的位置位于两个飞行器停放场之间的地表，且在两个复合式天空柱包围范围之外；第三观测设备安装于第二飞行器的前端，位于第二复合式天空柱的内部；

步骤三、复合式天空柱及其他运动模型运动规则设置，包括以下内容：

1.两个飞行器的运动轨迹和运动姿态由数字仿真系统生成的数据文件驱动；

2.复合式天空柱按照下述规则运动：

（1）复合式天空柱在X和Z方向的位移由其内部飞行器的位置坐标数据x，z驱动；

（2）复合式天空柱在随其内部飞行器移动的过程中，同时绕自身的纵轴旋转，旋转的速度应保证复合式天空柱的圆柱体边缘上任一点转过的弧线段长度与飞行器的位移相等，旋转方向趋势与飞行器速度方向相反；

步骤四、基于复合式天空柱的各视点设置，包括以下内容：

1.设某时刻第一飞行器的空间位置坐标为（x₁，y₁，z₁），则第一观察相机的位置坐标（x_c1，y_c1，z_c1）为：x_c1＝x₁+Δx₁，y_c1＝y₁，z_c1＝z₁+Δz₁，其中Δx₁和Δz₁为第一观察相机与第一飞行器的位置偏差，

设某时刻第二飞行器空间位置坐标分别为（x₂，y₂，z₂），则第二观察相机的位置坐标（x_c2，y_c2，z_c2）为：x_c2＝x₂+Δx₂，y_c2＝y₂，z_c2＝z₂+Δz₂，其中Δx₂和Δz₂为第二观察相机与第二飞行器的位置偏差，

2.观测设备k的视点位置由第一飞行器的空间位置坐标控制，k=1，2，3，观测设备k的视点位置坐标（x_qk，y_qk，z_qk）为：x_qk＝x₁+Δm_k，y_qk＝y₁+Δn_k，z_qk＝z₁+Δl_k，其中Δm_k，Δn_k，Δl_k为观测设备k的视点与第一飞行器的位置偏差，Δm_k＝R·cosα_k，Δn_k＝R·cosβ_k，Δl_k＝R·cosγ_k，α_k，β_k，γ_k依次为接观测设备k的三维实体模型与第一飞行器三维实体模型几何中心的直线段L_k与世界坐标系X，Y，Z轴的夹角。

本发明的有益效果是：突破了现有虚拟天空建模方法仅可应用于视点基本固定或小范围视景仿真的限制，实现了可以同时满足大场景、多视点、多视角观察和视场显示的虚拟天空建模方法。提出的基于自旋转复合式天空柱的虚拟天空建模方案，不受空间范围的限制，可以为单个或不同位置、不同飞行方向的多个飞行器建立各自的空间模型，在有限的空间内模拟出各个飞行器的飞行环境场景，实现了水平方向上连续的天空背景变换；同时，通过自旋转复合式天空柱在垂直方向上的不同层次天空背景纹理的无缝拼接，实现了不同高度天空效果的层次渐变。这种方法实现了大场景视景仿真的多视点、多视角观察和视场实时显示的要求，同时也大大节省了三维图形库中生成较大物理空间的绘制时间。

附图说明

图1是复合式天空柱剖面图；

图2是虚拟大场景俯视图；

图中，1-圆柱体，2-半球体，3-复合式天空柱纵轴，4–飞行器1，5–飞行器停放场1，6–复合式天空柱1，7–观察相机1，8–飞行器2，9–飞行器停放场2，10–复合式天空柱2，11–观察相机2，12–观测设备1实体模型（位于地面固定位置），13–观测设备2实体模型（位于地面固定位置），14–观测设备3实体模型（位于8的前端），15–虚拟大场景范围。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明能够实现多个视点同时从完全不同的观测角度对虚拟场景进行观察，并以三维真实感技术显示视场效果。

本发明实现的是利用视景仿真技术，将某数字仿真系统的仿真结果数据以可视化形式进行直观展示，是与飞行有关的，水平距离3000千米，最大高度距离地面111千米的大场景视景仿真。天空建模的重点是实现虚拟场景中，视景仿真系统设置的两个观察相机在整个仿真过程中分别对两个飞行器进行观察（一个观察相机观察一个飞行器），并对观察到的视场进行三维真实感显示；同时还有不同空间位置分布的三个观测设备在其工作时间内，随时从各自的视角对动态场景中的飞行器进行观察，并对观察视场内的场景进行三维真实感显示。另外，飞行器在起飞和飞行过程中，经历由低空到高空，由大气内层再到外层空间的过程，即在垂直方向上经历了从低空、云带层到深空的飞行过程，本发明实现了不同高度层次天空场景的自然过渡和变化。

通常视景仿真分为个体对象建模、虚拟场景集成、三维模型运动规则设置和视点设置四个阶段:

阶段1：个体对象建模。对虚拟场景中涉及到的个体对象构建具有真实感视觉效果的三维模型。这一工作在每个对象各自的物体坐标系中完成；

阶段2：虚拟场景集成。在世界坐标系中，按照视景仿真系统指定的空间位置或系统实现功能的需要，将阶段1中构建的三维模型放置到相应的空间位置，集成为视景仿真系统所需要的三维真实感虚拟场景。

阶段3：三维模型运动规则设置。为场景中具有运动功能的三维模型设置运动方式。驱动模型运动的数据可以是第三方提供的数据文件或运动轨迹曲线，也可以是视景仿真系统根据三维模型所代表的实际物理对象运动规律定义的数据文件或运动轨迹曲线。

阶段4：视点设置。视点设置用于对虚拟场景进行观察，与设置视景体相关，实现现实世界中一个观察视点（如眼睛）的功能。视点有两类：一类是视景仿真系统根据场景观察需要设置的，通常没有具体的三维模型，可理解为没有形状属性的视点，常被称作相机，本发明中称为观察相机；另一类是三维模型所表示的真实对象为观测设备，需要用视点去模拟其观察功能，一般将视点设置在设备上。可以理解为具有形状属性的视点。

在世界坐标系中，根据视景仿真系统需要显示的场景区域和观看角度，定义视点的空间位置和观察视线的指向，可以控制对虚拟场景某一局部特定视角下的观看效果，并将这一效果显示在计算机屏幕上。

本发明的视景仿真系统涉及地理范围非常广大，需要真实反映飞行器的飞行速度和飞行时间，并且满足多个不同空间位置的视点（一个视点对应一个观察相机或一个观测设备）以各自完全不同的视角对场景中的两个飞行器进行观察，其观察视场的背景天空必须给用户一种置身于一个完整大天空下的显示效果。为了在有限的建模空间范围内，实现以上大场景视景仿真中复杂视点条件下的天空建模需求，本发明对应上述四个阶段，按照四个步骤采用如下技术方案：

步骤一、复合式天空柱及其他个体对象的三维真实感建模

本视景仿真系统需要构建三维模型的个体对象包括：飞行器1、飞行器2、观测设备1、观测设备2和观测设备3、飞行器停放场1、飞行器停放场2、复合式天空柱1和复合式天空柱2。观察相机1和观察相机2不需要三维建模。重点是复合式天空柱的三维真实感建模方法。

1.两个飞行器和三个观测设备的建模使用三维建模工具软件，按常规方法完成；两个飞行器停放场在水平面上的边界为边长L的正方形，L的取值依据视景仿真系统要求的大小确定。建模方法涉及地形建模，具体方法不属于本发明讨论的范围。

2.复合式天空柱的三维真实感建模方法

复合式天空柱用于在飞行器周围建立一个能够满足多视点、多视角观察的半封闭空间，以罩住各观测视点的视场所涉及到的视野背景。建模方法如下：

（1）形状构成

复合式天空柱由一个圆柱体和一个半球体复合而成，其物体坐标系遵循右手螺旋法则，x轴水平向右，y轴垂直向上，z轴垂直向屏幕外。

建模时，采用半径为R，高度为H的圆柱体结构模拟飞行器起飞升空阶段飞过的空间环境，柱体底面的圆心位于物体坐标系原点处，纵轴与物体坐标系y轴重合，如图1剖面图所示。其中，半径R取为飞行器停放场边长的一半，即R=L/2；圆柱体的高度=飞行器距地面最大飞行高度－R，飞行器距地面最大飞行高度由相应的数字仿真系统提供；圆柱体的上面使用球半径为R、开口向下的半球体模拟飞行器平稳飞行阶段的空间环境，半球体的开口与圆柱口无缝衔接。圆柱体的纵轴也是复合式天空柱的纵轴，与复合式天空柱的物体坐标系y轴重合。

（2）天空纹理设计

根据大气垂直变化规律，云带层一般分布在10至20千米的高度，但是人眼向四周望去看到的景象在地平面之上就可能有云的分布。因此天空纹理的设计要结合大气的垂直变化规律和人眼视觉看到的天空的实际色彩效果。对圆柱体不同部分和半球体贴以不同的纹理图像。

对圆柱体下部H/3处，内部赋以符合低空天空色彩和纹理特点的图像作为纹理贴图。图像的背景色为淡蓝色，选用的RGB典型颜色值为（126，156，192），亮度为150。通过调节亮度控制蓝色的浓淡变化，亮度变化范围为125到195，亮度值越大，蓝色越淡，可以通过调节亮度得到对应的RGB颜色值作为选图依据。图像中可以有云，也可以没有，与日常看到的天空特征相符即可；对圆柱体上部H/3处，采用深蓝色背景上有白色星光点的深空图像，选用的深蓝色RGB典型颜色值为（14，36，148），亮度为76，亮度变化范围为55到90，亮度值越小，蓝色越深，同样通过调节亮度得到对应的RGB颜色值作为选图依据；圆柱体中部H/3处，应选用具有从圆柱体下部H/3处的图像背景颜色向圆柱体上部H/3处图像背景颜色过渡特点的图像作为纹理贴图，可以有云，也可以没有。对三个贴图接缝区域的色彩进行融合处理，使接缝处的色彩达到无痕的自然连贯的过渡效果。最上面的半球体内部，赋以与圆柱体上部H/3处相同的深空图像。

步骤二、基于复合式天空柱的虚拟大场景集成

虚拟大场景集成是指按照视景仿真系统指定的空间位置或系统实现功能的需要，将步骤一中构建的飞行器1、飞行器2、观测设备1、观测设备2和观测设备3、飞行器停放场1、飞行器停放场2、复合式天空柱1和复合式天空柱2这些视景仿真系统中的所有模型放置在世界坐标系中的相应位置，构成一个完整的虚拟环境。世界坐标系与物体坐标系一样遵循右手螺旋法则，X轴水平向右，Y轴垂直向上，Z轴垂直向屏幕外。如图2俯视图所示，其中：

飞行器2的几何中心位于世界坐标系原点处，复合式天空柱2横截面的圆心和飞行器停放场2在俯视图中的投影正方形的几何中心也位于世界坐标系原点处，即复合式天空柱2的横截面是飞行器停放场2俯视图中投影正方形的内切圆。在高度方向上，沿Y轴调节飞行器停放场2，使其在飞行器2停放处的地形表面与飞行器2最低点接触；沿Y轴调节复合式天空柱圆柱2，使其底部边缘嵌入地形中，没有缝隙。复合式天空柱1、飞行器停放场1和飞行器1也以同样的相对位置关系定位，然放置在世界坐标系的指定位置。

两个飞行器停放场的位置决定了虚拟大场景的范围。

观测设备1、观测设备2和观察设备3的三维实体模型同样按照指定位置放置在世界坐标系中，如图2所示。其中，观测设备1和观测设备2的实际地理位置位于两个飞行器停放场之间的地表某指定处，在两个复合式天空柱包围范围之外；观测设备3安装于飞行器2的前端，位于复合式天空柱2的内部，仿真开始后，将随飞行器2一起移动。这三个对象的功能不仅仅是观测设备模型本身的三维真实感显示，更重要的是用于对飞行器1进行观察，对观察到的场景进行三维真实感显示。也就是说，这三个观测设备是具有形状属性的视点。此时，若按照实际情况，将视点设置在观测设备三维模型的真实位置处，那么观测设备1和观测设备2的观察视线将被复合式天空柱1所遮挡，无法看到飞行器1；观测设备3的观察视线会受到复合式天空柱2和复合式天空柱1的双重阻挡，也无法看到飞行器1。因此本发明中，对观测设备采用其视点位置与三维模型位置分离设置的双位置设置方式，具体方法将在步骤四中论述。

步骤三、复合式天空柱及其他运动模型运动规则设置

本发明中，运动模型包括两个飞行器、观测设备3和两个复合式天空柱。重点是论述复合式天空柱的运动方式设计。

1.飞行器1和飞行器2的运动轨迹和运动姿态由数字仿真系统生成的数据文件驱动，数据文件中包括飞行器的三维空间位置坐标和角度数据。视景仿真是对数字仿真结果的可视化展现。观测设备3固定于飞行器2的前端，运动轨迹与飞行器2相同。

2.复合式天空柱的运动方式设计

由于视景仿真空间跨度很大，在其飞行的整个过程中，必须保证每个飞行器不飞出各自的复合式天空柱，以满足任意时刻、多个视点从多个视角进行观察和场景显示的需要；同时飞行器与其复合式天空柱中背景天空的相对运动必须体现出飞行器的实际飞行速度。这就需要复合式天空柱按照一定的规则随飞行器一同运动。在垂直的Y轴方向，本发明将复合式天空柱半球体最高处的高度设计为满足飞行器最大飞行高度的要求，复合式天空柱的运动规则设计主要考虑其在X和Z方向的运动方式。

为了使飞行器不飞出复合式天空柱，并且在视觉上体现出飞行器的实际飞行速度，复合式天空柱按照下述规则运动：

（1）复合式天空柱在X和Z方向的位移由其内部飞行器的位置坐标数据x，z驱动。这样的运动方式使飞行器始终位于复合式天空柱的中轴线上，方便在周围空间的不同位置设置多个观测视点。

（2）复合式天空柱在随其内部飞行器移动的过程中，同时绕自身的纵轴旋转，旋转的速度应保证复合式天空柱的圆柱体边缘上任一点转过的弧线段长度与飞行器的位移相等，旋转方向趋势与飞行器速度方向相反。复合式天空柱与其内部飞行器的这种相对运动方式，可以在视觉上体现出飞行器正在飞行的动态效果，并使观看者体验到与飞行器实际速度相符的视觉感受。

为了实现上述效果，控制复合式天空柱旋转速度的瞬时旋转角的求解方法如下：

设t₁时刻飞行器i（i=1，2）的空间位置坐标为（x_i1，y_i1，z_i1），与其相邻的t₂时刻飞行器i的空间位置坐标为（x_i2，y_i2，z_i2），则从t₁到t₂时刻，飞行器i在XOZ平面飞过的距离为:

$d_i=\sqrt{{(x_{\mathrm{il}}-x_{i2})}^2+{(z_{\mathrm{il}}-z_{i2})}^2}$

复合式天空柱i的圆柱体边缘任一点旋转过的弧线段s_i在长度上满足s_i＝d_i。则在t₁到t₂时刻，复合式天空柱i的瞬时旋转角θ_i为θ_i＝s_i/R，单位为弧度，R为圆柱半径。

步骤四、基于复合式天空柱的各视点设置

本发明涉及视点设置的对象包括：观察相机1、观察相机2、观测设备1、观测设备2和观测设备3。其中，观察相机是没有形状属性的视点，观测设备是具有形状属性的视点。分别论述如下：

1.观察相机1和观察相机2

观察相机1位于复合式天空柱1的内部，其运动轨迹由飞行器1的空间位置坐标控制。设某时刻飞行器1的空间位置坐标为（x₁，y₁，z₁），则观察相机1的位置坐标（x_c1，y_c1，z_c1）为：

x_c1＝x₁+Δx₁，y_c1＝y₁，z_c1＝z₁+Δz₁

其中Δx₁和Δz₁为观察相机1与飞行器1的位置偏差，满足：

$\sqrt{{{\mathrm{\&Delta;x}}_1}^2+{{\mathrm{\&Delta;z}}_1}^2}<R$

即观察相机1位于复合式天空柱1的内部，与飞行器1同高的位置，视线指向飞行器1。

类似地，设某时刻飞行器2空间位置坐标分别为（x₂，y₂，z₂），则观察相机2的位置坐标（x_c2，y_c2，z_c2）为：

x_c2＝x₂+Δx₂，y_c2＝y₂，z_c2＝z₂+Δz₂

其中Δx₂和Δz₂为观察相机2与飞行器2的位置偏差，满足：

$\sqrt{{{\mathrm{\&Delta;x}}_2}^2+{{\mathrm{\&Delta;z}}_2}^2}<R$

即观察相机2位于复合式天空柱2的内部，与飞行器2同高的位置，视线指向飞行器2。

2.观测设备1、观测设备2和观测设备3

观测设备是具有形状属性的视点，步骤二的最后提到由于大场景的原因，对其采用视点位置与三维模型位置分离设置的双位置设置方式。观测设备视点设置的具体方法如下：

观测设备k（k=1，2，3）的视点位置由飞行器1的空间位置坐标控制。设某时刻飞行器1的空间位置坐标为（x₁，y₁，z₁），则观测设备k的视点位置坐标（x_qk，y_qk，z_qk）为：

x_qk＝x₁+Δm_k，y_qk＝y₁+Δn_k，z_qk＝z₁+Δl_k

其中Δm_k，Δn_k，Δl_k为观测设备k的视点与飞行器1的位置偏差，求解方法如下：

（1）连接观测设备k的三维实体模型与飞行器1三维实体模型的几何中心，得到直线段L_k；

（2）求解直线段L_k与世界坐标系X，Y，Z轴的夹角，设三个夹角依次为α_k，β_k，γ_k。有：

Δm_k＝R·cosα_k，Δn_k＝R·cosβ_k，Δl_k＝R·cosγ_k

（3）则观测设备k视点的位置坐标（x_qk，y_qk，z_qk）为：

x_qk＝x₁+R·cosα_k，y_qk＝y₁+R·cosβ_k，z_qk＝z₁+R·cosγ_k

其中，R为复合式天空柱的柱体半径。

观测设备k视点的这种位置设置方式，保证了它一直位于观察对象飞行器1所在复合式天空柱1的内部，可以实现无遮挡的观察，并实现与观测设备k实体模型所在位置相同的观察视角，使观察场景与实际相符。

根据以上方法建立的天空模型，在虚拟仿真系统开始工作后，随着两个飞行器的先后升空、飞行，可以一直呈现一个动态的、有真实视觉效果的天空背景，并正确反映仿真的数据结果。

实施例1：

在建模软件Creator中生成边长L为默认值111120米的地形；在三维建模软件3Dmax中以R=L/2=55560米，H=R=55560米构造复合式天空柱，圆柱体下部H/3处（0米-18520米高度），纹理贴图背景色选用典型值：RGB值为（126，156，192），亮度为150的淡蓝色，上有云朵图像；圆柱体上部H/3处（37040米-55560米高度），纹理贴图背景色选用典型值：RGB值为（14，36，148），亮度为76的深蓝色，上有白色星光点；圆柱体中部H/3处（18520米-37040米），选用具有从圆柱体下部H/3处的图像背景颜色向圆柱体上部H/3处图像背景颜色过渡特点的图像作为纹理贴图，有云；对三个贴图接缝区域的色彩进行融合处理，使接缝处的色彩达到无痕的自然连贯的过渡效果。最上面的半球体内部，赋以与圆柱体上部H/3处相同的图像。

将地形模型和复合式天空柱模型导入三维程序开发软件OSG中，将复合式天空柱放置在地形上，并呈边缘相切关系，放置在指定位置，X方向相距3000千米，Ｙ方向相距2000千米。其他三维实体模型在3Dmax中建模后导入OSG中，放置在指定位置，完成场景集成。

在使用VC++开发的虚拟仿真系统界面上为三个观测设备和两个观察相机均设置了相应窗口，显示各视点观察到的场景。任意时刻均可自由观看。

实施例2：

参数Ｌ，Ｒ，Ｈ可根据要求调增，但应保持L=2R的关系。在建模软件Creator中生成边长L=80000米的地形；在三维建模软件3Dmax中以R=L/2=R=40000米，H=51000米构造复合式天空柱。圆柱体下部H/3处（0米-17000米高度），纹理贴图选用RGB值为（155，179，206）背景色彩的图像，此数值通过在典型值颜色（126，156，192）条件下，将亮度值由150调节至170得到，无云朵图像；圆柱体上部H/3处（34000米-51000米高度），纹理贴图背景色选用RGB值为（16，43，165）背景色彩的图像，此数值通过在典型值颜色（14，36，148）条件下，将亮度值由76调节至85得到，上有白色星光点；圆柱体中部H/3处（17000米-34000米），选用具有从圆柱体下部H/3处的图像背景颜色向圆柱体上部H/3处图像背景颜色过渡特点的图像作为纹理贴图，无云；对三个贴图接缝区域的色彩进行融合处理，使接缝处的色彩达到无痕的自然连贯的过渡效果。最上面的半球体内部，赋以与圆柱体上部H/3处相同的图像。

将地形模型和复合式天空柱模型导入三维程序开发软件OSG中，将复合式天空柱放置在地形上，并呈边缘相切关系，放置在指定位置，X方向相距2500千米，Ｙ方向相距3000千米。其他三维实体模型在3Dmax中建模后导入OSG中，放置在指定位置，完成场景集成。

在使用VC++开发的虚拟仿真系统界面上为三个观测设备和两个观察相机均设置了相应窗口，显示各视点观察到的场景。任意时刻均可自由观看。

Claims (1)

1.一种多视点多视角视场显示条件下的大场景虚拟天空建模方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、复合式天空柱及其他个体对象的三维真实感建模，包括以下内容：

1.对两个飞行器、三个观测设备和两个飞行器停放场进行建模；

2.对复合式天空柱进行建模，建模方法如下：

（1）采用半径为R，高度为H的圆柱体结构模拟飞行器起飞升空阶段飞过的空间环境，柱体底面的圆心位于物体坐标系原点处，纵轴与物体坐标系y轴重合，复合式天空柱的物体坐标系遵循右手螺旋法则，x轴水平向右，y轴垂直向上，z轴垂直向屏幕外；其中，半径R取为飞行器停放场边长的一半，圆柱体的高度等于飞行器距地面最大飞行高度减去R，圆柱体上端使用球半径为R、开口向下的半球体模拟飞行器平稳飞行阶段的空间环境，半球体的开口与圆柱口无缝衔接；圆柱体的纵轴也是复合式天空柱的纵轴，与复合式天空柱的物体坐标系y轴重合；

（2）圆柱体下部H/3处采用淡蓝色背景图像，圆柱体上部H/3处和半球体内采用深蓝色背景图像，圆柱体中部H/3处图像背景颜色在上述两个背景颜色之间过渡；对三个贴图接缝区域的色彩进行融合处理；

步骤二、基于复合式天空柱的虚拟大场景集成，包括以下内容：

将步骤一中构建的两个飞行器、三个观测设备、两个飞行器停放场和两个复合式天空柱的模型放置在世界坐标系中，其中，第一和第二观测设备的位置位于两个飞行器停放场之间的地表，且在两个复合式天空柱包围范围之外；第三观测设备安装于第二飞行器的前端，位于第二复合式天空柱的内部；

步骤三、复合式天空柱及其他运动模型运动规则设置，包括以下内容：

1.两个飞行器的运动轨迹和运动姿态由数字仿真系统生成的数据文件驱动；

2.复合式天空柱按照下述规则运动：

（1）复合式天空柱在X和Z方向的位移由其内部飞行器的位置坐标数据x，z驱动；

（2）复合式天空柱在随其内部飞行器移动的过程中，同时绕自身的纵轴旋转，旋转的速度应保证复合式天空柱的圆柱体边缘上任一点转过的弧线段长度与飞行器的位移相等，旋转方向趋势与飞行器速度方向相反；

步骤四、基于复合式天空柱的各视点设置，包括以下内容：

1.设某时刻第一飞行器的空间位置坐标为（x₁，y₁，z₁），则第一观察相机的位置坐标（x_c1，y_c1，z_c1）为：x_c1＝x₁+Δx₁，y_c1＝y₁，z_c1＝z₁+Δz₁，其中Δx₁和Δz₁为第一观察相机与第一飞行器的位置偏差，

设某时刻第二飞行器空间位置坐标分别为（x₂，y₂，z₂），则第二观察相机的位置坐标（x_c2，y_c2，z_c2）为：x_c2＝x₂+Δx₂，y_c2＝y₂，z_c2＝z₂+Δz₂，其中Δx₂和Δz₂为第二观察相机与第二飞行器的位置偏差，

2.观测设备k的视点位置由第一飞行器的空间位置坐标控制，k=1，2，3，观测设备k的视点位置坐标（x_qk，y_qk，z_qk）为：x_qk＝x₁+Δm_k，y_qk＝y₁+Δn_k，z_qk＝z₁+Δl_k，其中Δm_k，Δn_k，Δl_k为观测设备k的视点与第一飞行器的位置偏差，Δm_k＝R·cosα_k，Δn_k＝R·cosβ_k，Δl_k＝R·cosγ_k，α_k，β_k，γ_k依次为接观测设备k的三维实体模型与第一飞行器三维实体模型几何中心的直线段L_k与世界坐标系X，Y，Z轴的夹角。

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