CN104932858A - 一种精确匹配实时漫游的背景地图叠加显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与雷达量程精确匹配并且可实时漫游的雷达背景地图叠加显示的实现方法。针对要求与雷达量程精确匹配且可以实时漫游的雷达背景地图的叠加显示需求，本发明提出一种以原始的经纬度地图数据以当前雷达位置(经纬度)为中心映射成极坐标、再映射成OpenGL或D3D顶点坐标；然后利用OpenGL或D3D的复杂多边形填充法则对陆地、水域等相关区域进行颜色填充；再设置合适的投影矩阵实现OpenGL或D3D顶点坐标到屏幕坐标的转换从而完成地图渲染；通过设置合理的缩放及平移矩阵，利用图形处理器(GPU)的硬件加速的方法实现地图与雷达量程的精确匹配和跟随雷达位置实时漫游。

Description

一种精确匹配实时漫游的背景地图叠加显示方法

技术领域

本发明是一种能与雷达量程精确匹配且能实时漫游的雷达背景地图叠加显示的实现方法。属于动态雷达(舰船雷达或车载雷达等)显示与背景地图叠加显示方面的技术。

背景技术

近年来，雷达PPI显示叠加背景地图已经成为现代雷达一个重要的辅助功能，尤其在气象雷达和航海雷达上，有重要的参考意义。传统的地图映射方法一般为经纬度到笛卡尔直角坐标系的映射，这种映射方法计算量较小，可以适应于大部分应用。但是由于雷达PPI显示为极坐标的显示，作为雷达背景地图，用传统的映射方式很难实现背景地图与雷达量程的精确匹配。尤其是在雷达量程切换或雷达地理位置变化时，需要实时调整映射参数的值。针对背景地图很难与雷达量程精确匹配的问题，本发明提出先将地理信息的经纬度数据转换为以雷达当前地理位置为中心的极坐标数据，然后再由极坐标映射到屏幕直角坐标，这样来实现地图信息与雷达量程的精确匹配。

若用极坐标映射的方式，雷达地理位置的实时变化需要重新计算对于新中心点的极坐标数据，这个过程计算量巨大，这种重复的计算很难实现地图实时叠加显示。针对不能实时漫游显示的情况，本发明又提出了基于OpenGL或D3D三维图形视角的显示方法，只需要在初始化时对雷达初始位置计算1次极坐标，然后根据雷达位置及量程的变化设置合适OpenGL或D3D模型视图变换矩阵即可实现背景地图与量程匹配的基础上实时漫游。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可与雷达量程精确匹配并可实时漫游的雷达背景地图叠加显示的实现方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：通过对原始的地理信息系统经纬度数据以当前雷达地理位置为中心进行极坐标映射，将经纬度点换算成一系列的距离——方位极坐标点。通过这种方法实现地理信息数据与雷达量程及方位精确匹配。然后把换算好的极坐标点转换为OpenGL或D3D世界顶点坐标，用OpenGL或D3D的复杂多边形填充法则对陆地、水域等相关区域进行颜色填充，再通过设置合适的投影矩阵将图像投射到屏幕坐标完成渲染。当雷达量程发生改变时，通过设置OpenGL或D3D模型视图矩阵对已计算好源顶点坐标进行按比例缩放，从而实现地图量程的改变并且保证与雷达量程的实时匹配。当雷达地理位置发生改变时，通过对比上一个位置计算出偏移量，然后设置OpenGL或D3D模型视图矩阵对已计算好源顶点坐标进行同时偏移，可以实现地图随雷达地理位置实时漫游显示。

附图说明

图1本发明的方案设计流程图。

图2基于本发明所实现的产品演示图。

具体实施方式

本发明的实施依赖于基于经纬度的地理信息数据和一台具有3D加速显示卡的计算机。其中所用的地理信息数据是基于经纬度的文本数据，可在国家地理信息相关网站免费下载，其数据结构极为简单，示意如下：

XXX省界

116.2222.21

116.2122.20

……

END

XXX河流

123.2123.11

123.2223.10

……

END

1)首先完成由原始经纬度数据到距离——方位的转换。转换方法如下：

假设a为地球的赤道半径，b为地球的极半径；J₀和W₀分别为雷达当前位置的经纬度；J₁和W₁分别为地图数据中的经纬度。令e₁＝(a²－b²)/b²，c₁＝cos(W₀)，则地图数据点相对于雷达的距离为：

R＝aCd/B₁ ²

其中C的值为B₁的值为

地图数据点相对于雷达的方位为：

H＝arctan(tanω(sinW₀+B₁cosW₀tanD)/A₁)。

其中ω的值为(J₁-J₀)/2，D的值为：

(W₁-W₀)(1.0+0.75e₁θsin(2W₀+0.67(W₁-W₀)÷B₁ ²)÷(2B₁)

其中A₁的值为

根据上述公式遍历地图数据中的经纬度值，并转化为相对于雷达初始位置的相对方位与距离值。

2)将转换好的方位距离值映射成OpenGL世界坐标，OpenGL世界坐标其实是3D笛卡尔坐标；由于地图是一幅二维图像，所以忽略Z轴，只需要将距离方位极坐标映射成笛卡尔直角坐标即可。假设r和w分别为上述步骤1中转换后的地图数据点的方位距离，R_min为雷达的最小量程，(x,y,z)为OpenGL的世界顶点坐标，由于忽略Z轴，所以z＝0。具体的转换关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{r}{R_{\min }}\sin w\\ y=\frac{r}{R_{\min }}\cos w\end{array}\right.$

3)根据OpenGL复杂多边形填充法则对相关区域进行颜色填充。由于OpenGL是比较底层的图形接口，对于平面只能渲染对基本的三角形。所以要把地图轮廓所包含的区域分割成若干三角形，但是由于地图边界线崎岖不平，所以它所围成的区域其实一个很复杂的多边形。如果简单按照三角形扇的方式渲染会有很多不该着色的区域被着色，为了解决这一问题，在渲染三角形扇时运用OpenGL渲染复杂多变形环绕法则，所用的规则是环绕次数为偶数次的区域不渲染，这样就可以剔除不需要渲染的区域。

4)设置合适的模型视图矩阵当雷达量程发生改变或者雷达地理位置发生改变时能让地图与雷达量程及位置保持精确匹配。假设雷达的当前量程为R，雷达的最小量程为R_min，则顶点坐标的缩放系数为R_min/R。以R_min/R为参数设置模型缩放矩阵即可实现地图与量程匹配。假设雷达地理位置发生变化，可以参考步骤1和2所提出的方法计算出雷达当前位置相对于原始位置的在x轴与y轴偏移量D_x和D_y，以D_x和D_y为参数设置模型平移矩阵可以实现地图随雷达位置实时漫游。

5)设置合适的OpenGL投影矩阵和合适的视口将图形映射到屏幕坐标。OpenGL的投影方式分为透视投影和正交投影，透视投影主要用于三维场境的渲染。由于地图和雷达PPI显示均为二维图形，因此在设置投影矩阵时应用正交投影，同时将雷达PPI显示的区域设置成OpenGL的视口区域。

Claims (3)

1.一种精确匹配实时漫游的背景地图叠加显示方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将地图轮廓线的经纬度数据映射成以雷达地理位置为中心的极坐标数据，可实现与雷达量程精确匹配；

2)通过OpenGL顶点地图渲染、地图轮廓填充、模型视图变换和投影变换来充分利用GPU硬件加速,避免每次量程切换或雷达位置变化时重复1)步骤，实现雷达背景地图的实时漫游叠加显示。

2.根据权利1所述的精确匹配实时漫游的背景地图叠加显示方法，其特征在于所述步骤1)包括如下步骤：

①将以当前雷达位置的经纬度为中心，地图经纬度数据映射成极坐标即方位、距离点；

②由极坐标到OpenGL或D3D三维世界坐标系的映射，将地图经纬度数据转换为OpenGL或D3D顶点坐标。

3.根据权利1或2所述的精确匹配实时漫游的背景地图叠加显示方法，其特征在于所述步骤2)包括如下步骤：

①设置合适的投影矩阵实现OpenGL或D3D顶点坐标到屏幕坐标的转换，完成地图渲染；

②利用OpenGL或D3D的复杂多边形填充法则对相关区域进行颜色填充；

③通过OpenGL模型视图变换来实现量程实时匹配与实时漫游。