CN104680581A - 三维环境中的建筑物体选择方法 - Google Patents

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郭立新
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Abstract

本发明公开了一种三维环境中的建筑物体选择方法，主要解决现有技术在城市环境中选择建筑物体精度不足的问题。其实现步骤为：1)从数字地图中读取建筑物几何信息；2)利用开放图形库绘制城市场景并建立颜色与建筑物一一对应的关系表；3)创建颜色缓冲区变量，并利用该变量从颜色缓冲区中提取颜色数据；4)将提取的数据在关系表中查询可见建筑物。本发明提高了对三维环境中建筑物体选择的精度，使用开放图形库绘制城市环境并利用颜色数据对建筑物进行选择，保证了选择的效率，可用于选择城市三维环境中的可见建筑物。

Description

三维环境中的建筑物体选择方法
技术领域
本发明属于计算机图形学领域，具体涉及开放图形库的使用，特别是一种三维环境中的建筑物体选择方法，用于获取室外宏小区三维环境中的可见建筑物。
背景技术
进入21世纪之后，随着数字蜂窝通信系统的飞速发展和个人通讯终端的急速增长，目前有限的频谱资源变得日益紧张。第三代和第四代移动通信正在世界范围内广泛的实施，无论是移动的TD-SCDMA、联通的WCDMA网络还是电信的CDMA2000网络，均需要在全国范围内布网。而之前的大区制的经验性模型已经无法满足现代移动通信的需求，基于确定性模型的反向射线跟踪方法开始被用来预测城市环境中的电波传播模型。虽然射线跟踪技术在电波传播预测方面表现及其优秀，高复杂性和漫长的计算时间制约了它的发展。其中最关键的部分是射线路径搜索，同时也是最耗时的部分。因此射线跟踪算法一般都需要利用一定的加速方法以提高计算效率。
建筑物体选择方法对于射线路径搜索和射线跟踪加速方法都有着相当重要的作用。射线路径搜索过程中利用镜像原理求出可能出现的反射射线，这些射线路径一般存储在树型结构中。树型结构中以发射源为根节点，相邻层中下层中包含了与上层所发出的反射射线相接触的物体。但是在射线路径搜索的过程中，根据镜像关系寻找出的射线并不一定有效，只有处于有效区域内的射线才会被保留。反射射线需要确定其是否位于有效区域内，这一过程中会反复使用到建筑物体选择方法。另一方面，射线跟踪加速方法通过预先的筛选出对电波传播影响较大的建筑物，能有效的提高计算效率。射线跟踪加速方法中较为重要的一部分就是选择出能被收发天线直接可见的建筑物，这些建筑物有可能对电波传播产生较大的影响。在室外宏小区三维环境中，需要一种建筑物体选择方法快速的选择出收发天线直接可见的建筑物。
在宏小区城市环境中，建筑物体选择方法使用对象一般为建筑物，目前也有几种方法可以对建筑物进行选择，如扫描线方法和物理光学法中的遮挡判断方法。其中扫描线方法一般适用于二维情况，因此在判断前需要先将三维物体投影到二维平面上，之后通过遮挡判断关系判定可见的建筑物，其流程较为复杂。而物理光学法中的遮挡判断方法通过面片的自遮挡和互遮挡关系选择出可见面片，但是要求待判断的面片尺寸和波长相近。由于射线跟踪方法为高频方法，电磁波波长一般远小于建筑物尺寸，此时使用物理光学法中的遮挡判断方法进行建筑物选择误差较大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种三维环境中的建筑物体选择方法，简化建筑物体选择流程，以减小物体选择误差，实现在城市环境中对建筑物体选择的准确性。
实现本发明目的的技术方案，包括如下步骤：
(1)从数字地图中读取建筑物的几何数据；
(2)从数字地图所规定的区域中选择视点的位置和与视点位置对应的视景体，其中视景体的张角小于90度；
(3)根据步骤(2)选定的视点和视景体，结合开放图形库中的图形函数对城市场景进行绘制，绘制时给每个建筑物赋予不同的颜色，这些颜色数据会保存在颜色缓冲区中，同时生成建筑物与颜色一一对应的关系表；
(4)创建颜色缓冲区变量，利用该变量从步骤(3)中所绘制的图像中提取颜色数据，这些颜色数据与可见建筑物一一对应；
(5)将步骤(4)中所得的颜色依次在步骤(3)中的关系表中查询，即可得到该颜色对应点的可见建筑物。
本发明具有如下优点：
第一，本发明使用开放图形库对室外城市环境中建筑物进行绘制，简化了城市环境绘制过程，使对建筑物的选择流程比现有的扫描线方法更为简单。
第二，本发明仅利用颜色数据判断可见的建筑物，无需判断物体几何尺寸，而颜色数据是从图像中按像素进行提取，相比现有的物理光学方法的遮挡判断方法提高了精度。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明中所使用的室外城市环境示意图；
图3是本发明中在单视景体情况下绘制的城市环境示意图；
图4是本发明中在多个视景体情况下绘制的在四个方向上的城市环境示意图；
图5是仿真使用单视景体选择建筑物的示意图；
图6是仿真使用多个视景体选择建筑物的示意图；
图7是将本发明用于射线跟踪加速方法后，由射线跟踪加速方法仿真所得的路径损耗和均方根时延扩展结果图；
图8是本发明与物理光学法中的遮挡判断方法对三维城市环境进行建筑物体选择的结果对比图。
具体实施方式
参照图1，本发明的具体实现步骤如下：
步骤1：读取数字地图中的建筑物的几何信息。
从数字地图中读取建筑物的几何数据，包括建筑物在二维平面上的投影坐标和建筑物高度，由读取的几何数据绘制出的室外城市环境，如图2所示。
步骤2：确定视点位置和与视点位置相对应的视景体。
如果建筑物都位于视点某一个方向上且所有建筑物能被单一视景体所包含，则只需要一个视景体，由单一视景体绘制出的城市环境如图3所示。
如果建筑物位于视点四周或无法使用单一视景体包含所有的建筑物时，则需要对视角进行分块，将利用多个视景体显示城市中所有的建筑物，由多个视景体绘制出的城市环境如图4所示，其中图4(a)中为视景体方向朝北时的图像，图4(b)中为视景体方向朝西时的图像，图4(c)中为视景体方向朝南时的图像，图4(d)中为视景体方向朝东时的图像。
步骤3：利用开放图形库中的图形函数绘制城市场景，并生成建筑物与颜色一一对应的关系表。
本步骤的具体实现如下：
(3a)根据开放图形库的绘图函数默认坐标范围为[-1,1]的特性，将所有数据按比例缩减到[-1,1]区间内；
(3b)根据缩减后的坐标，使用glArrayElement()函数对城市场景中的建筑物进行绘制；
(3c)根据缩减后的坐标，使用红绿蓝三原色模式给每个建筑物赋予不同的颜色，并对每个建筑物所赋予的颜色进行记录，以生成建筑物与颜色一一对应的关系表。
步骤4：创建颜色缓冲区变量，利用该变量从步骤(3)中所绘制的图像中提取颜色数据。
(4a)根据屏幕中的像素点个数开辟对应大小的缓冲区空间，利用glGenBuffers()函数生成指向缓冲区空间的变量。
(4b)利用缓冲区变量拷贝颜色缓冲区的颜色数据，将颜色数据从显存转移到内存中。
步骤5：将步骤(4)中所得的颜色依次在步骤(3)中的关系表中查询，即可得到该颜色对应点的可见建筑物，这些建筑物即为需要选择的可见建筑物。
本发明效果可以通过以下试验进一步说明
本发明通过开放图形库对城市区域内的建筑物进行绘制，再利用颜色缓冲区中的颜色数据进行建筑物选择，选择之后的结果可以用于射线跟踪加速方法。本发明所需的实验设备是一台具有C语言编译环境和开放图形库的计算机。
1.仿真实验条件
仿真计算机的CPU为Intel(R)Core(TM)2Quad Q8300，主频2.5GHz，内存为2GB。在Windows 7系统上安装Visual Studio 2010编译环境。
2.实验内容及结果分析
仿真实例1.在单视景体情况下，以不同高度的视点为初始条件对环境中的建筑物进行仿真选择，结果如图5所示。其中图5(a)为视点高度取0m时所选择的结果，图5(b)为视点高度取20m时所选择的结果，可以看出本发明选择结果和图片中的结果一致，验证了本发明的方法在单视景体情况下的有效性。
仿真实例2.在多个视景体情况下对建筑物体进行仿真选择，结果如图6所示。其中：
图6(a)为视景体方向朝北时绘制的图像；
图6(b)为视景体方向朝西时绘制的图像；
图6(c)为视景体方向朝南时绘制的图像；
图6(d)为视景体方向朝东时绘制的图像；
以上四幅图分别为四个视景体对应方向上的对应绘制的图像，从这四幅图中可以看出在多个视景体情况下本发明选择结果和图片中的结果一致，验证了本发明的方法在多个视景体情况下的有效性。
仿真实例3.对如表1所示的四组不同天线坐标，用本发明方法对射线跟踪方法进行加速。
表1
仿真结果如图7所示。其中：
图7(a)为第一组天线使用射线跟踪加速方法前后对应路径损耗的变化情况；
图7(b)为第一组天线使用射线跟踪加速方法前后对应均方根时延扩展的变化情况；
图7(c)为第二组天线使用射线跟踪加速方法前后对应路径损耗的变化情况；
图7(d)为第二组天线使用射线跟踪加速方法前后对应均方根时延扩展的变化情况；
图7(e)为第三组天线使用射线跟踪加速方法前后对应路径损耗的变化情况；
图7(f)为第三组天线使用射线跟踪加速方法前后对应均方根时延扩展的变化情况；
图7(g)为第四组天线使用射线跟踪加速方法前后对应路径损耗的变化情况；
图7(h)为第四组天线使用射线跟踪加速方法前后对应均方根时延扩展的变化情况；
从图7可以看出，路径损耗和均方根时延扩展这两个参数对应的曲线相吻合，验证了本发明的方法在用于射线跟踪加速方法时具有有效性。
仿真实例4.用本发明方法和物理光学法中的遮挡判断方法在同一场景下进行建筑物选择，仿真结果如图8所示。其中图8(a)为本发明方法的选择结果，图8(b)为物理光学法中的遮挡判断方法的选择结果，
从图8可以看出，物理光学法中的遮挡判断方法存在一定误差，验证了本发明在城市环境中进行建筑物选择精度上有所提高。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域内的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，可以进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维环境中建筑物体选择方法，包括如下步骤：
(1)从数字地图中读取建筑物的几何数据；
(2)从数字地图所规定的区域中选择视点的位置和与视点位置对应的视景体，其中视景体的张角小于90度；
(3)根据步骤(2)选定的视点和视景体，结合开放图形库中的图形函数对城市场景进行绘制，绘制时给每个建筑物赋予不同的颜色，这些颜色数据会保存在颜色缓冲区中，同时生成建筑物与颜色一一对应的关系表；
(4)创建颜色缓冲区变量，利用该变量从步骤(3)中所绘制的图像中提取颜色数据，这些颜色数据与可见建筑物一一对应；
(5)将步骤(4)中所得的颜色依次在步骤(3)中的关系表中查询，即可得到该颜色对应点的可见建筑物。
2.根据权利要求1所述的建筑物体选择方法，其特征在于：所述步骤(1)中的建筑物的几何数据，包括建筑物在二维平面上的投影坐标和建筑物的高度。
3.根据权利要求1所述的建筑物体选择方法，其特征在于：所述步骤(2)中从数字地图所规定的区域中选择视点的位置，是将初始输入参数作为视点位置。
4.根据权利要求1所述的建筑物体选择方法，其特征在于：所述步骤(2)中从数字地图所规定的区域中选择与视点位置对应的视景体，按如下条件选择：
如果建筑物都位于视点某一个方向上且所有建筑物能被单一视景体所包含，则只需要选一个视景体；
如果建筑物位于视点四周或无法使用单一视景体包含所有的建筑物时，则需要对视角进行分块，将利用多个视景体显示城市中所有的建筑物。
5.根据权利要求1所述的建筑物体选择方法，其特征在于：所述步骤(3)中利用开放图形库中的图形函数对城市环境进行绘制，按如下步骤进行：
(5a)根据开放图形库的绘图函数默认坐标范围为[-1,1]的特性，将所有数据按比例缩减到[-1,1]区间内；
(5b)根据缩减后的坐标，使用三原色模式给每个建筑物赋予不同的颜色，并对每个建筑物所赋予的颜色进行记录，以生成建筑物与颜色一一对应的关系表。
6.根据权利要求1所述的建筑物体选择方法，其特征在于：所述步骤(4)中利用创建的变量从绘制的图像中提取颜色数据，按如下步骤进行：
(6a)根据屏幕中的像素点个数开辟对应大小的缓冲区空间，并对应生成指向缓冲区空间的变量；
(6b)利用缓冲区变量拷贝颜色缓冲区的颜色数据，将颜色数据从显存转移到内存中。
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