CN105205852B - 一种基于多尺度渲染和拟合的三维船舶动态展现方法 - Google Patents

Abstract

本发明获取实时船舶目标的类型、位置、航向和航速信息，结合计算机系统配置，动态匹配相应的三维模型、图标信息，作为船舶展现的要素；基于观察距离和密集程度，切换不同尺度下船舶的可见性和三维展现方式，保证模型等资源的动态卸载；根据观察距离和位置航速等信息，确定不同情况下的插值间隔和拟合路线，在不同给点情况下进行多尺度的前推计算、直线插值或曲线拟合，提高处理效率和船舶航行展现的平滑度。最终实现高效动态的三维船舶展现效果，兼顾整体性能优化和细节特征展现。

Description

一种基于多尺度渲染和拟合的三维船舶动态展现方法

技术领域

本发明属于计算机图像处理，特别是船舶交通态势显示领域，是一种使用多尺度渲染和拟合进行三维船舶动态展现的方法，特别是实现大量船舶目标在不同航行状态下的高效三维显示方法。

背景技术

在传统的船舶交通管理系统中，较多使用基于二维海图的船舶目标绘制展现交通态势，多使用简单图形(矩形、三角形等)和颜色区别船舶目标的类型、情报来源，使用点线等表示船舶轨迹，文字标签提示船名和其他信息等。二维显示的方式简单、直观，适用于海事值班人员对整体交通态势的掌握和观察，但也存在一定的不足，主要包括两个方面：(1)无法直接表现船舶目标的各类细节特征，如船舶尺寸、船高、吃水、外观特征等；(2)无法连续显示船舶目标的动态航行过程，只能通过离散的位置的表现船舶的历史航行轨迹，而没有一个平滑连续的航行效果。而基于硬件加速的三维渲染引擎，则适合解决这些问题，通过详细的三维模型或图片纹理可以很好的展现出船舶目标的全部特征，通过插值或拟合方式能够表现船舶航行的连续过程，此外搭配上港区的高清影像、高程水深信息、以及光线、天气等特效，则能够达到动画级别的动态展示效果。三维渲染是对船舶交通态势的一种更加逼真、立体的展现方式，也是对二维态势的一种重要补充。对船舶交通管理而言，二三维展现各有侧重，前者适用于掌握全局态势和整体特征，后者侧重于细节特效和真实运动场景的模拟。

目前国内海事局所使用的VTS系统中，三维交通态势的应用还很低，主要原因是现役系统开发时间都较早，三维渲染技术尚不成熟。在已有部分三维功能的VTS软件中，其展现效果也普遍存在一些短板，主要分为几个方面：(1)接入船舶目标的数量很少，功能也非常有限，大批量目标接入时难以实现二三维交通态势的一致性；(2)动态效果不足，更侧重于船舶的静态模型展示，不能观察所有目标动态航行效果。由于三维渲染占用的系统资源较多，而随着现代航运的日益发展，港口吞吐量和船舶数量都在一个很大的量级上，如果以统一尺度的细节渲染方式和运动计算方法展现所有船舶目标，很容易到达三维展现的性能瓶颈，这也是很多三维系统无法与二维船舶交通显示做到态势一致、互相补充的内在原因。在大批量的背景下，急需要提出一种多尺度的三维渲染和运动计算方法，优化三维显示的资源使用，达到与二维显示系统匹配的性能指标，保证二三维船舶交通态势的一致性，提供更加真实、更加形象、更加动态的船舶目标展现效果。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于多尺度渲染和拟合的三维船舶动态展现方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于多尺度渲染和拟合的三维船舶动态展现方法，包括如下步骤：

步骤1：接收船舶目标情报，解析相关信息，动态匹配相关资源；

步骤2：判断该船舶目标是否存在，已存在则等待渲染处理；不存在则创建对应的船舶目标，等待渲染；

步骤3：遍历待渲染目标，根据可见性条件、观察距离，进行渲染前计算，判断三维船舶目标的可见性、密集度和渲染的细节层次，根据计算结果动态加载或卸载相关资源；

步骤4：根据观察距离、船舶航速和渲染帧速，计算船舶航行的插值间隔；

步骤5：对于确定显示的三维船舶目标，根据两次情报点给定的时间和位置，通过不同的拟合路线和插值间隔计算下一帧渲染的位置和姿态。

本发明步骤1中，需要解析的船舶信息包括：位置(经纬度)、高度、航向、航速、船舶类型、长度、宽度，以及三维观察点(虚拟相机)位置和视角，作为渲染和拟合的计算依据。

本发明步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：根据三维观察点位置和船舶目标位置，将地理坐标(经度longitude，纬度latitude，高度altitude)转换为笛卡尔坐标(x，y，z)，观察位置(x^c，y^c，z^c)和船舶目标位置(x，y，z)两点间直线距离，记录观察距离d；计算方式如下，其中R为地球半径；

坐标转换：

距离计算：d＝|(x,y,z)-(x^c,y^c,z^c)|，

观察位置(x^c，y^c，z^c)中角标c没有特定的含义，仅仅是区分符号。

步骤3-2：根据船舶目标位置和观察位置，进行视口裁剪和可见性判断，视截体之外的目标隐藏，不做渲染；

步骤3-3：根据船舶长度、宽度，观察距离和视角，计算船舶目标在屏幕上的投影位置和面积，使用正方形表达，记录投影平面位置(xⁱ，yⁱ)和边长r；使用m×n的二维数组A记录投影面所有位置的密集度，如果投影位置相互重合，观察距离更远的目标隐藏，不做渲染；计算方式如下，计算方式如下，其中(t，b，l，r)分别表示是投影窗口平面的上下左右边界，N和F分别是虚拟相机近平面和远平面的观察距离，M是投影矩阵；

投影矩阵：

其中参数：

投影计算：(xⁱ,yⁱ,zⁱ,1)^T＝M×(x,y,z,1)^T，

密集判断：A(xⁱ,yⁱ)＞1表示(xⁱ，yⁱ)位置有重叠。其中A为m×n的二维数组，与投影窗口大小一致，m＝r-l，n＝b-t；时间间隔intervalⁱ、投影平面位置(xⁱ，yⁱ)中角标c没有特定的含义，仅仅是区分符号。

步骤3-4：根据船舶的观察距离或者视角高度，决定当前尺度下该船舶的显示模式和渲染细节，区别使用精确模型、简单模型、精确纹理、简单纹理对船舶目标进行展现，不需要的细节元素进行隐藏，不做渲染。

本发明步骤4中，根据观察距离计算当前尺度下的插值间隔为interval；计算当前时刻距上次插值的时间间隔为intervalⁱ，与插值间隔比较，不足一次插值间隔，直接给定原来点的位置和姿态，不做后续计算；超过插值间隔过多或观察距离很远，直接给定最新点的位置和姿态；剩余的情况需进行进一步的前推或拟合计算，得到合适的位置和姿态。

本发明步骤5包括以下步骤：

步骤5-1：计算前一点和最新点的时间间隔，记作time，计算当前时刻所处的比例，记作ratio；根据前一点位置和最新点所给的位置，计算两者间的距离朝向，分别记作length和turning；

步骤5-2：根据两点的时间间隔、距离、和朝向，距离小于10米或时间小于1秒，保持原航向和速度，按当前时刻前推给点；距离小于船舶长度或朝向正切值小于船舶长宽比，采用直线插值；其他情况则采用曲线拟合；

曲线拟合计算方式如下，其中：

(1)上一点的时刻time1，位置记作(longitude1，latitude1，altitude1)，速度记作v1，航向记作course1；

(2)最新点的时刻time2，位置记作(longitude2，latitude2，altitude2)，速度记作v2，航向记作course2，时刻记作time2；

(3)当前点的时刻timeⁱ，位置记作(longitudeⁱ，latitudeⁱ，altitudeⁱ)，速度记作vⁱ，航向记作courseⁱ；

(4)最新点与上一点的距离记作length，朝向记作turning，当前点与上一点的距离记作lengthⁱ，朝向记作turningⁱ，R为地球半径；

距离朝向：

球面角度：angleⁱ＝lengthⁱ/R*180/π，

经度纬度：

步骤5-3：根据前推、插值、或拟合计算得到的位置点和方向，计算对应的偏移矩阵、扭转矩阵、缩放矩阵，进行三维船舶及其元素的渲染处理。

本发明通过三维方式展现港区中的船舶目标和通航过程，提供一个多尺度下高效渲染三维船舶的方法。根据船舶观察距离、密集程度和位置等信息，调整渲染程度和航行计算过程，优化显示系统对软硬件资源的分配和利用，保证用户能对船舶特征、航行过程、航行状态进行更加直观、详细的观察，实现大批量船舶目标的高效三维显示。

本发明考虑不同观察尺度下，根据船舶类型和系统配置，合理设计三维船舶目标的显示方式，动态加载和卸载模型、纹理、标签等相关资源，动态调整插值精度和拟合路线进行航行平滑计算，实现资源优化利用前提下的三维船舶动态展现，达到与二维显示系统匹配的性能指标，无论是大范围场景、局部场景还是近距离观察尺度下，都能提供高效、动态的船舶目标展现。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是三维船舶展现总流程图。

图2是多尺度渲染和计算处理流程图。

图3是多尺度渲染细节配置图。

图4是多尺度插值和拟合计算的示意图。

图5是大范围场景的三维船舶交通态势图。

图6是局部场景的三维船舶交通态势图。

图7是近距离的三维船舶通航效果图。

具体实施方式

本发明获取实时船舶目标的类型、位置、航向和航速信息，结合计算机系统配置，动态匹配相应的三维模型、图标信息，作为船舶展现的要素；基于观察距离和密集程度，切换不同尺度下船舶的可见性和三维展现方式，保证模型等资源的动态卸载；根据观察距离和位置航速等信息，确定不同情况下的插值间隔和拟合路线，在不同给点情况下进行多尺度的前推计算、直线插值或曲线拟合，提高处理效率和船舶航行展现的平滑度。最终实现高效动态的三维船舶展现效果，兼顾整体性能优化和细节特征展现。

总体而言，本发明获取实时船舶目标的类型、位置、航向和航速信息，结合计算机系统配置，动态匹配相应的三维模型、图标信息，作为船舶展现的要素；基于观察距离和密集程度，切换不同尺度下船舶的可见性和三维展现方式，保证模型等资源的动态卸载；根据观察距离和位置航速等信息，确定不同情况下的插值间隔和拟合路线，在不同给点情况下进行多尺度的前推计算、直线插值或曲线拟合，提高处理效率和船舶航行展现的平滑度。最终实现高效动态的三维船舶展现效果，兼顾整体性能优化和细节特征展现。

实施例

具体而言，结合图1和图2所示，本实施包括如下步骤：

步骤1：接收船舶目标情报，解析相关信息，动态匹配相关资源；具体信息包括：位置(经纬度)、高度、航向、航速、船舶类型、长度、宽度，以及三维观察点(虚拟相机)位置和视角，作为渲染和拟合的计算依据。

步骤2：判断该船舶目标是否存在，已存在则等待渲染处理；不存在则创建对应的船舶目标，等待渲染。

步骤3：遍历待渲染目标，根据可见性条件、观察距离，进行渲染前计算，判断三维船舶目标的可见性、密集度和渲染的细节层次，根据计算结果动态加载或卸载相关资源。

步骤3-1：根据三维观察点位置和船舶目标位置，将地理坐标(经度longitude，纬度latitude，高度altitude)转换为笛卡尔坐标(x，y，z)，观察位置(x^c，y^c，z^c)和船舶目标位置(x，y，z)两点间直线距离，记录观察距离d；计算方式如下，其中R为地球半径；

坐标转换：

距离计算：d＝|(x,y,z)-(x^c,y^c,z^c)|；

步骤3-2：根据船舶目标位置和观察位置，进行视口裁剪和可见性判断，视截体之外的目标隐藏，不做渲染；

步骤3-3：根据船舶长度、宽度，观察距离和视角，计算船舶目标在屏幕上的投影位置和面积，使用正方形表达，记录投影平面位置(xⁱ，yⁱ)和边长r；使用m×n的二维数组A记录投影面所有位置的密集度，如果投影位置相互重合，观察距离更远的目标隐藏，不做渲染；计算方式如下，计算方式如下，其中(t，b，l，r)分别表示是投影窗口平面的上下左右边界，N和F分别是虚拟相机近平面和远平面的观察距离，M是投影矩阵；

投影矩阵：

其中参数：

投影计算：(xⁱ,yⁱ,zⁱ,1)^T＝M×(x,y,z,1)^T，

密集判断：A(xⁱ,yⁱ)＞1表示(xⁱ，yⁱ)位置有重叠，

其中A为m×n的二维数组，与投影窗口大小一致，m＝r-l，n＝b-t；

步骤3-4：根据船舶的观察距离或者视角高度，决定当前尺度下该船舶的显示模式和渲染细节，如图3(由于本发明特殊性，图3只能以灰度形式展现)所示，区别使用精确模型、简单模型、精确纹理、简单纹理对船舶目标进行展现，不需要的细节元素进行隐藏，不做渲染。

步骤4：根据观察距离、船舶航速和渲染帧速，计算船舶航行的插值间隔；根据图4多尺度插值和拟合计算的示意图所示，根据观察距离计算当前尺度下的插值间隔为interval；计算当前时刻距上次插值的时间间隔为intervalⁱ，与插值间隔比较，不足一次插值间隔，直接给定原来点的位置和姿态，不做后续计算；超过插值间隔过多或观察距离很远，直接给定最新点的位置和姿态；剩余的情况需进行进一步的前推或拟合计算，得到合适的位置和姿态。

步骤5：对于确定显示的三维船舶目标，根据两次目标情报点给定的时间和位置，通过不同的拟合路线和插值间隔计算下一帧渲染的位置和姿态。

步骤5-1：计算前一点和最新点的时间间隔，记作time，计算当前时刻所处的比例，记作ratio；根据前一点位置和最新点所给的位置，计算两者间的距离朝向，分别记作length和heading；

步骤5-2：根据两点的时间间隔、距离、和朝向，距离小于10米或时间小于1秒，保持原航向和速度，按当前时刻前推给点；距离小于船舶长度或朝向正切值小于船舶长宽比，采用直线插值；其他情况则采用曲线拟合；

曲线拟合计算方式如下，其中：

(1)上一点的时刻time1，位置记作(longitude1，latitude1，altitude1)，速度记作v1，航向记作course1；

(2)最新点的时刻time2，位置记作(longitude2，latitude2，altitude2)，速度记作v2，航向记作course2，时刻记作time2；

(3)当前点的时刻timeⁱ，位置记作(longitudeⁱ，latitudeⁱ，altitudeⁱ)，速度记作vⁱ，航向记作courseⁱ；

(4)最新点与上一点的距离记作length，朝向记作turning，当前点与上一点的距离记作lengthⁱ，朝向记作turningⁱ，R为地球半径；

距离朝向：

球面角度：angleⁱ＝lengthⁱ/R*180/π，

经度纬度：

步骤5-3：根据前推、插值、或拟合计算得到的位置点和方向，计算对应的偏移矩阵、扭转矩阵、缩放矩阵，进行三维船舶及其元素的渲染处理。最终在不同尺度下的均实现了高效的渲染和计算，如图5、图6、图7所示(由于本发明特殊性，图5～图7只能以灰度形式展现)，分别是大范围、局部场景和近距离下的三维船舶动态展现效果。

本发明提供了一种基于多尺度渲染和拟合的三维船舶动态展现方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于多尺度渲染和拟合的三维船舶动态展现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：接收船舶目标情报，解析船舶信息，动态匹配对应资源；

步骤2：判断该船舶目标是否存在，已存在则等待渲染处理；不存在则创建对应的船舶目标，等待渲染；

步骤3：遍历待渲染目标，进行渲染前计算，判断三维船舶目标的可见性、密集度和渲染的细节层次，根据计算结果动态加载或卸载对应资源；

步骤4：根据观察距离、船舶航速和渲染帧速，计算船舶航行的插值间隔；

步骤5：对于确定显示的三维船舶目标，根据两次目标情报点给定的时间和位置，通过不同的拟合路线和插值间隔计算下一帧渲染的位置和姿态；

步骤1中，船舶信息包括：船舶目标位置即经纬度、高度、航向、航速、长度、宽度，以及三维观察点位置和视角；

步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：根据三维观察点位置和船舶目标位置，将地理坐标的经度、纬度以及高度转换为笛卡尔坐标系x轴、y轴和z轴，计算观察位置(x^c，y^c，z^c)和船舶目标位置(x，y，z)两点间直线距离，记录观察距离d；计算方式如下，其中R为地球半径；

坐标转换：

距离计算：d＝|(x,y,z)-(x^c,y^c,z^c)|，

其中，longitude为经度，latitude为纬度，altitude为高度；

步骤3-2：根据船舶目标位置和观察位置，进行视口裁剪和可见性判断，裁剪范围之外的目标隐藏，不做渲染；

步骤3-3：根据船舶长度、宽度，观察距离和视角，计算船舶目标在屏幕上的投影位置和面积，使用正方形表达，记录其在投影窗口平面的位置(xⁱ，yⁱ)和边长；使用m×n的二维数组A记录投影面所有位置的密集度，如果投影位置相互重合，观察距离更远的目标隐藏，不做渲染；计算方式如下，其中(t，b，l，r)分别表示是投影窗口平面的上下左右边界，N和F分别是虚拟相机近平面和远平面的观察距离，M是投影矩阵；

投影矩阵：

其中参数：

投影计算：(xⁱ,yⁱ,zⁱ,1)^T＝M×(x,y,z,1)^T，

密集判断：A(xⁱ,yⁱ)＞1表示(xⁱ，yⁱ)位置有重叠，

其中A为m×n的二维数组，与投影窗口大小一致，m＝r-l，n＝b-t；

步骤3-4：根据船舶的观察距离或者视角高度，决定当前尺度下该船舶的显示模式和渲染细节。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4中，根据观察距离计算当前尺度下的插值间隔为interval；计算当前时刻距上次插值的时间间隔为intervalⁱ，与插值间隔比较，不足一次插值间隔，直接给定原来点的位置和姿态，不做后续计算；超过插值间隔，直接给定最新点的位置和姿态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤5包括以下步骤：

步骤5-1：计算前一点到最新点的时间间隔，以及前一点到当前点的时间time，以及所占比例，记作ratio；根据前一点位置和最新点所给的位置，计算两者间的距离朝向，分别记作length和turning；

步骤5-2：根据两点的时间间隔、距离和朝向，在不同的给点情况下，有区别的选择进行多尺度的前推计算、直线插值或曲线拟合：距离小于10米或时间小于1秒，保持原航向和速度，按当前时刻前推给点；距离小于船舶长度或朝向正切值小于船舶长宽比，采用直线插值；其他情况则采用曲线拟合；

曲线拟合计算方式如下，其中：

(1)上一点的时刻time1，位置记作(longitude1，latitude1，altitude1)，速度记作v1，航向记作course1；

(2)最新点的时刻time2，位置记作(longitude2，latitude2，altitude2)，速度记作v2，航向记作course2，时刻记作time2；

(3)当前点的时刻timeⁱ，位置记作(longitudeⁱ，latitudeⁱ，altitudeⁱ)，速度记作vⁱ，航向记作courseⁱ；

(4)最新点与上一点的距离记作length，朝向记作turning，当前点与上一点的距离记作lengthⁱ，朝向记作turningⁱ，R为地球半径；

距离朝向：

球面角度：angleⁱ＝lengthⁱ/R*180/π，

经度纬度：

步骤5-3：根据前推、插值、或拟合计算得到的位置点和方向，计算对应的偏移矩阵、扭转矩阵、缩放矩阵，进行三维船舶及其元素的渲染处理，最终得到三维船舶的动态渲染效果。