CN104821007A - 一种直接在三维地球上进行快视显示的系统 - Google Patents
一种直接在三维地球上进行快视显示的系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，包括快视数据接收模块，快视数据解析模块，几何处理模块，渲染行推送模块，金字塔处理模块，快视查询模块，快视渲染模块；快视数据接收模块判断快视数据的任务属性；快视数据解析模块解析快视数据得到卫星的姿态轨道数据、成像时刻数据和图像数据；几何处理模块对卫星的姿态轨道数据进行去野值和平滑处理；渲染行推送模块将成像时刻数据和图像数据组成渲染行；金字塔处理模块根据渲染行更新与快视行对应的瓦片；快视查询模块把三维地球当前观察窗口显示范围内的瓦片挑选出来，放入渲染列表；快视渲染模块将渲染列表中的瓦片显示在三维地球表面上。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，属于卫星遥感技术领域。
背景技术
遥感卫星地面处理系统的一个重要发展方向是尽可能的提高数据处理的效率，对于一些应用来说，处理的快速比质量更加重要。
如果能够在地面站处理遥感卫星数据的第一阶段就能非常直观地看到光学相机的拍摄效果，将有助于地面分析和应用人员的判读，缩小需要进一步处理的范围。
普通的快视客户端把图像与它的元数据分离开来显示，虽然元数据包含了图像的经纬度信息，但是人脑不可能立即把遥感图像对应到所拍摄的区域。例如：从快视上看见了大片的楼房，绝大多数人不知道这是哪一个城市。但如果把这些遥感图像叠加显示在一个俯瞰的三维地球表面上，所有人都能立即对本次成像的效果有清晰的理解，对该城市的遥感地物信息一目了然。
现有技术在遥感条带数据的基础上做进一步处理成三维地球的金字塔格式，却不能在遥感原始数据录入过程中实时做到这一点。因为遥感数据的数据量庞大(几十甚至几百GB)，需要处理过程很多，还因为卫星数传时，辅助数据滞后于图像数据，使实时的三维渲染比较困难。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，本发明在快视播放的近实时条件下完成图像的校正和定位，实现把快视图像准确显示在卫星拍摄的地球表面区域，使遥感用户对成像的效果有较好的直观。
本发明的技术解决方案是：
一种直接在三维地球上进行快视显示的系统包括：快视数据接收模块，快视数据解析模块，几何处理模块，渲染行推送模块，金字塔处理模块，快视查询模块，快视渲染模块；
快视数据接收模块，判断接收到的卫星地面处理系统发送的快视数据的任务属性，并将接收到的快视数据和数据对应的任务属性发送至快视数据解析模块；所述的快视任务属性包括卫星、传感器和以及其工作模式；
快视数据解析模块，根据快视数据接收模块发送的快视任务属性，解析快视数据：将快视数据分为一系列的快视行，然后再将快视行分解为图像数据、卫星的姿态轨道数据和成像时刻数据；快视数据解析模块，将处理后的卫星的姿态轨道数据发送至几何处理模块以及将处理后的成像时刻数据和图像数据发送至渲染行推送模块；
几何处理模块，把卫星的姿态轨道数据按照时间进行去野值和平滑处理；几何处理模块利用处理之后的姿态轨道数据对金字塔处理模块发送过来的瓦片进行定位，并发送至快视查询模块；
渲染行推送模块，将接收到的成像时刻数据和图像数据组成渲染行，并将该渲染行按照快视播放速度发送到渲染队列；
金字塔处理模块，将渲染队列中的渲染行更新到金字塔中，金字塔需要从底向顶更新与快视行对应的瓦片，并将更新后的瓦片和未更新的瓦片发送至几何处理模块；
快视查询模块，从所有同时具有像素坐标和大地坐标的瓦片中，把三维地球当前观察窗口显示范围内的瓦片挑选出来，放入渲染列表；
快视渲染模块，将渲染列表中的瓦片按照其像素坐标和大地坐标显示在三维地球表面上。
快视数据解析模块的实现形式如下：快视数据解析模块从任务属性中获取快视行长度，将快视数据分为一系列的快视行；从快视行获取图像数据波段数、每个图像数据波段的长度、卫星的姿态轨道数据长度和成像时刻数据；根据所有图像数据波段的长度之和与卫星的姿态轨道数据长度分解快视行为图像数据和卫星的姿态轨道数据。
几何处理模块的实现形式如下：几何处理模块将姿态轨道数据按照成像时刻严格递增的顺序放入轨道信息队列和姿态信息队列，然后去除信息队列和姿态队列中的噪声点，最后把去除噪声点的所有信息点拟合成一段平滑的曲线。渲染行推送模块的实现形式如下：渲染行推送模块将快视行中的图像数据和成像时刻数据组成一个渲染行；由成像时刻以及快视播放时的播放倍率得出本行的发送时间；等待系统时间到达本行的发送时间，则把渲染行放入渲染线程的渲染队列。
金字塔是由瓦片组成的一个4叉树结构，所有瓦片具有相同的大小，上一层瓦片由下一层的4个瓦片经过抽样得到；其中每一次快视任务有唯一的一个金字塔。
所述金字塔处理模块的实现形式如下：金字塔处理模块将渲染行切分成瓦片尺寸的小段；根据渲染行的成像时刻和该小段的像素起始序号在金字塔底部找到对应的瓦片；若找不到，则生成新的瓦片；将此小段的图像写入瓦片的纹理单元；按照实际填充度设定该瓦片此时在列方向的填充度和该瓦片此时在行方向的填充度；按照该瓦片此时在行方向和列方向的填充度和该瓦片此时在行方向和列方向的填充度计算纹理坐标，然后逐级抽样更新整个金字塔。
快视查询模块把当前三维地球观察窗口显示范围内的瓦片挑选出来的具体实现方式如下：快视查询模块对金字塔的所有顶层瓦片做可见性测试；
将通过可见性测试的瓦片判断达到视点处的可见大小，若可见大小大于预设阈值则将该瓦片分割，也就是取金字塔中当前瓦片的下一层级的4个瓦片做可见性测试；
重复进行可见性测试和分割，直至达到金字塔底层或者可见大小小于预设阈值为止；
将通过测试的且不再需要分割的瓦片放入渲染列表，并发送到快视渲染模块中。
快视渲染模块将渲染列表中的瓦片按照其像素坐标和大地坐标显示在三维地球表面上的具体方式如下：将渲染列表中的瓦片取出；按照该瓦片此时在行方向和列方向的填充度和该瓦片此时在行方向和列方向的填充度设定纹理坐标；按照大地坐标设定四边形顶点坐标；按照预先设定模式进行波段合成；使用RTT(Render to Texture渲染到纹理)方法把瓦片渲染到三维地球表面。本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明克服现有快视软件只是简单在屏幕上进行上下滚动显示，无法与卫星成像的过程联系起来的缺点，设计全新的快视显示系统，实现把快视图像准确显示在卫星拍摄的地球表面区域，使遥感用户对成像的效果有较好的直观，显示地准确性和效率大大提高。
(2)本发明在几何处理模块的过程中使用上卫星在轨测试期间得出的几何检校参数，能够在快视展开过程中非常精确地看见定位后图像的叠加显示效果。
(3)本发明在屏幕上再现了卫星成像的过程，操作人员和普通用户能够方便的从不同角度看见卫星扫描条带经过的区域，卫星扫描条带在一定程度上(不考虑地面高程)时满足基本的定位精度，在改变不同视角过程中渲染过程平稳流畅。使用本发明的方法设计了国产高分辨率光学卫星的快视(移动窗)系统，效果良好，通用性大大提高，可靠性大大增强。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，一种直接在三维地球上进行快视显示的系统包括：快视数据接收模块，快视数据解析模块，几何处理模块，渲染行推送模块，金字塔处理模块，快视查询模块，快视渲染模块；
快视数据接收模块，判断接收到的卫星地面处理系统发送的快视数据的任务属性(地面处理系统在解卫星数传和载荷格式的过程中发送快视数据)，并将接收到的快视数据和数据对应的任务属性发送至快视数据解析模块；所述的快视任务属性包括卫星、传感器和以及其工作模式；
快视数据解析模块，根据快视数据接收模块发送的快视任务属性，解析快视数据：将快视数据分为一系列的快视行，然后再将快视行分解为图像数据、卫星的姿态轨道数据和成像时刻数据；快视数据解析模块，将处理后的卫星的姿态轨道数据发送至几何处理模块以及将处理后的成像时刻数据和图像数据发送至渲染行推送模块；
快视数据解析模块的实现形式如下：快视数据解析模块从任务属性中获取快视行长度(不同的用户需求，任务属性中提到根据具体协议设定了快视行长度，比如高分2号卫星全色相机，工作在统一积分模式下，就能得到快视行长度为4500字节)，将快视数据分为一系列的快视行；从快视行获取图像数据波段数、每个图像数据波段的长度、卫星的姿态轨道数据长度和成像时刻数据；根据所有图像数据波段的长度之和与卫星的姿态轨道数据长度分解快视行为图像数据和卫星的姿态轨道数据(图像数据波段数为4，每个图像数据波段的长度为1000字节，卫星的姿态轨道数据长度为500字节，总计500+1000*4＝4500字节。从快视行的起始位置开始500个字节为卫星的姿态轨道数据，剩余的字节为图像数据，根据不用用户的需求，快视行的构成可以随意设定，也可以从快视行的起始位置开始4000字节为图像数据，剩余的为卫星的姿态轨道数据)。
几何处理模块，把卫星的姿态轨道数据按照时间进行去野值和平滑处理；几何处理模块利用处理之后的姿态轨道数据对金字塔处理模块发送过来的瓦片进行定位，并发送至快视查询模块；
几何处理模块的实现形式如下：几何处理模块将姿态轨道数据按照成像时刻严格递增的顺序放入轨道信息队列和姿态信息队列，然后去除信息队列和姿态队列中的噪声点(去野值处理)，最后把去除噪声点的所有信息点拟合成一段平滑的曲线。因此，随着辅助数据点的不断加入，姿态轨道数据所在的有效时间范围不断增长。
渲染行推送模块，将接收到的成像时刻数据和图像数据组成渲染行，并将该渲染行按照快视播放速度发送到渲染队列；(快视播放速度用户在界面上设定的，不同的需求设定不一样)
渲染行推送模块的实现形式如下：渲染行推送模块将快视行中的图像数据和成像时刻数据组成一个渲染行；由成像时刻以及快视播放时的播放倍率得出本行的发送时间；等待系统时间到达本行的发送时间，则把渲染行放入渲染线程的渲染队列。
金字塔处理模块，将渲染队列中的渲染行更新到金字塔中，金字塔需要从底向顶更新与快视行对应的瓦片，并将更新后的瓦片和未更新的瓦片发送至几何处理模块；金字塔是由瓦片组成的一个4叉树结构，所有瓦片具有相同的大小，上一层瓦片由下一层的4个瓦片经过抽样得到；其中每一次快视任务有唯一的一个金字塔。
金字塔处理模块的实现形式如下：金字塔处理模块将渲染行切分成瓦片尺寸(该瓦片尺寸是显示系统能够高效处理纹理单元的尺寸)的小段；根据渲染行的成像时刻和该小段的像素起始序号在金字塔底部找到对应的瓦片；若找不到，则生成新的瓦片；将此小段的图像写入瓦片的纹理单元；按照实际填充度设定该瓦片此时在列方向的填充度和该瓦片此时在行方向的填充度；按照该瓦片此时在行方向和列方向的填充度和该瓦片此时在行方向和列方向的填充度计算纹理坐标，然后逐级抽样更新整个金字塔。
快视查询模块，从所有同时具有像素坐标和大地坐标的瓦片中，把三维地球当前观察窗口显示范围内的瓦片挑选出来，放入渲染列表；
快视查询模块把当前三维地球观察窗口显示范围内的瓦片挑选出来的具体实现方式如下：快视查询模块对金字塔的所有顶层瓦片做可见性测试；
将通过可见性测试的瓦片判断达到视点处的可见大小，若可见大小大于预设阈值则将该瓦片分割，也就是取金字塔中当前瓦片的下一层级的4个瓦片做可见性测试；
重复进行可见性测试和分割，直至达到金字塔底层或者可见大小小于预设阈值为止；
将通过测试的且不再需要分割的瓦片放入渲染列表，并发送到快视渲染模块中。这一步的目的是实现瓦片的高效和清晰的渲染，使得随着观察距离的拉近，快视逐渐清晰，而随着观察距离的拉远，快视保持流畅。
快视渲染模块，将渲染列表中的瓦片按照其像素坐标和大地坐标显示在三维地球表面上；
快视渲染模块将渲染列表中的瓦片按照其像素坐标和大地坐标显示在三维地球表面上的具体方式如下：将渲染列表中的瓦片取出；按照该瓦片此时在行方向和列方向的填充度和该瓦片此时在行方向和列方向的填充度设定纹理坐标；按照大地坐标设定四边形顶点坐标；按照预先设定模式进行波段合成；使用RTT(Render to Texture渲染到纹理)方法把瓦片渲染到三维地球表面。
下面以一个具体实施例进一步对金字塔处理模块的处理流程做说明。
对金字塔处理模块举例说明，如瓦片尺寸是512，一个成像时刻为2000，宽度为5000的渲染行放入金字塔底层时，其更新的瓦片索引是
所以，金字塔底层需要更新的瓦片是索引为[3,0-9]共10个瓦片，由于在行方向不能写到所有的像素，所以该瓦片此时在行方向的填充度(即它们的纵向填充度)texFillY是
texFillY＝(2000mod512)/512.0＝0.91
索引为[3,0-8]的瓦片在列方向写满了瓦片的所有像素，横向填充度texFillX是1.0；而索引为[3,9]的最后一个瓦片此时在列方向的填充度(即横向填充度)texFillX是
texFillY＝(5000mod512)/512.0＝0.77
更新完金字塔的底层瓦片后，再对更新的瓦片的上一层瓦片进行抽样，更新上一层瓦片，直到顶层的瓦片为止。
把更新过的瓦片发送到几何处理模块，如金字塔底层的索引为[3,0-9]共10个瓦片，它们的最大成像时刻都为2000；
如果几何处理模块此时的姿态轨道数据已经更新到2100的成像时刻，则利用插值的方法计算这10个瓦片的姿态和轨道，在按照成像模型计算出瓦片的大地坐标；如果几何处理模块更新到1800的成像时刻，则这10个瓦片需要继续等待。
将经过定位(计算出大地坐标)的瓦片发送到快视查询模块，为当前的三维观察窗口筛选出最适合显示的瓦片集合。
在快视渲染模块，瓦片的大地坐标用于指定瓦片的顶点坐标，而texFillX,texFillY用于指定瓦片的纹理坐标，经过RTT(Render to Texture渲染到纹理)方法把该瓦片渲染到三维地球的表面。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (8)
1.一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，其特征在于包括：快视数据接收模块，快视数据解析模块，几何处理模块，渲染行推送模块，金字塔处理模块，快视查询模块，快视渲染模块；
快视数据接收模块，判断接收到的卫星地面处理系统发送的快视数据的任务属性，并将接收到的快视数据和数据对应的任务属性发送至快视数据解析模块；所述的快视任务属性包括卫星、传感器和以及其工作模式；
快视数据解析模块，根据快视数据接收模块发送的快视任务属性，解析快视数据：将快视数据分为一系列的快视行，然后再将快视行分解为图像数据、卫星的姿态轨道数据和成像时刻数据；快视数据解析模块，将处理后的卫星的姿态轨道数据发送至几何处理模块以及将处理后的成像时刻数据和图像数据发送至渲染行推送模块；
几何处理模块，把卫星的姿态轨道数据按照时间进行去野值和平滑处理；几何处理模块利用处理之后的姿态轨道数据对金字塔处理模块发送过来的瓦片进行定位，并发送至快视查询模块；
渲染行推送模块，将接收到的成像时刻数据和图像数据组成渲染行，并将该渲染行按照快视播放速度发送到渲染队列；
金字塔处理模块，将渲染队列中的渲染行更新到金字塔中，金字塔需要从底向顶更新与快视行对应的瓦片，并将更新后的瓦片和未更新的瓦片发送至几何处理模块；
快视查询模块，从所有同时具有像素坐标和大地坐标的瓦片中，把三维地球当前观察窗口显示范围内的瓦片挑选出来，放入渲染列表；
快视渲染模块，将渲染列表中的瓦片按照其像素坐标和大地坐标显示在三维地球表面上。
2.根据权利要求1所述的一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，其特征在于：所述快视数据解析模块的实现形式如下：快视数据解析模块从任务属性中获取快视行长度，将快视数据分为一系列的快视行；从快视行获取图像数据波段数、每个图像数据波段的长度、卫星的姿态轨道数据长度和成像时刻数据；根据所有图像数据波段的长度之和与卫星的姿态轨道数据长度分解快视行为图像数据和卫星的姿态轨道数据。
3.根据权利要求1所述的一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，其特征在于：所述几何处理模块的实现形式如下：几何处理模块将姿态轨道数据按照成像时刻严格递增的顺序放入轨道信息队列和姿态信息队列，然后去除信息队列和姿态队列中的噪声点，最后把去除噪声点的所有信息点拟合成一段平滑的曲线。
4.根据权利要求1所述的一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，其特征在于：所述渲染行推送模块的实现形式如下：渲染行推送模块将快视行中的图像数据和成像时刻数据组成一个渲染行；由成像时刻以及快视播放时的播放倍率得出本行的发送时间；等待系统时间到达本行的发送时间，则把渲染行放入渲染线程的渲染队列。
5.根据权利要求1所述的一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，其特征在于：所述的金字塔是由瓦片组成的一个4叉树结构，所有瓦片具有相同的大小，上一层瓦片由下一层的4个瓦片经过抽样得到；其中每一次快视任务有唯一的一个金字塔。
6.根据权利要求5所述的一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，其特征在于：所述金字塔处理模块的实现形式如下：金字塔处理模块将渲染行切分成瓦片尺寸的小段；根据渲染行的成像时刻和该小段的像素起始序号在金字塔底部找到对应的瓦片；若找不到，则生成新的瓦片；将此小段的图像写入瓦片的纹理单元；按照实际填充度设定该瓦片此时在列方向的填充度和该瓦片此时在行方向的填充度；按照该瓦片此时在行方向和列方向的填充度和该瓦片此时在行方向和列方向的填充度计算纹理坐标，然后逐级抽样更新整个金字塔。
7.根据权利要求1所述的一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，其特征在于：所述快视查询模块把当前三维地球观察窗口显示范围内的瓦片挑选出来的具体实现方式如下：快视查询模块对金字塔的所有顶层瓦片做可见性测试；
将通过可见性测试的瓦片判断达到视点处的可见大小，若可见大小大于预设阈值则将该瓦片分割，也就是取金字塔中当前瓦片的下一层级的4个瓦片做可见性测试；
重复进行可见性测试和分割，直至达到金字塔底层或者可见大小小于预设阈值为止；
将通过测试的且不再需要分割的瓦片放入渲染列表，并发送到快视渲染模块中。
8.根据权利要求1所述的一种直接在三维地球上进行快视显示的系统，其特征在于：所述快视渲染模块将渲染列表中的瓦片按照其像素坐标和大地坐标显示在三维地球表面上的具体方式如下：将渲染列表中的瓦片取出；按照该瓦片此时在行方向和列方向的填充度和该瓦片此时在行方向和列方向的填充度设定纹理坐标；按照大地坐标设定四边形顶点坐标；按照预先设定模式进行波段合成；使用RTT方法把瓦片渲染到三维地球表面。
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Granted publication date: 20180810 Termination date: 20190415 |
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