CN105427361A - 一种三维场景中动目标轨迹的显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维场景中动目标轨迹的显示方法。该方法通过对动目标产生轨迹点经纬度数据，采用基于帧插值的离散数据平滑和空间坐标向量转换方法，形成位置连续稳定、姿态变换柔和的曲线轨迹；采用实时计算扩展比例计算方法，使目标轨迹在与观察者处于不同距离时均显示相同的像素宽度，同时采用正反颜色值对比的方法，通过在航向、俯仰、横滚等自由度变化时对正反面取不同的颜色值，逼真地实现了飘带状轨迹的柔和效果。本发明解决了在三维场景中，对动目标轨迹的三维曲线在不同观察距离的消隐现象，实现了对动目标产生的轨迹点连续、稳定、平滑的飘带状轨迹显示效果。

Description

一种三维场景中动目标轨迹的显示方法

技术领域

本发明属于计算机三维态势显示技术领域，尤其涉及一种三维场景中动目标轨迹的显示方法。

背景技术

在各种仿真与应用信息系统中，通过实时访问遥感/侦察影像、数字高程模型、矢量地形图等地理空间数据，在空间范围进行剪裁，融合成所属区域的栅格图像数据，构建具备真实感的三维场景；通过雷达、电子侦察等传感器的探测、处理，将空中飞行的飞机，海面上航行的舰船，陆地上运动的车辆等动目标，在三维场景中进行显示；对动目标采集的各离散点位置连续显示是表现目标物体运动过程的重要手段之一。

通常情况下，在三维场景中，动目标轨迹的显示是将动目标运动中各点的经纬度位置转换为世界坐标位置，然后直接调用底层平台提供的接口显示形成固定像素宽度的线，或者是通过一定的计算和优化加工，形成特有的数据格式再加以显示。但是，这种集中方法在实际应用过程中，存在着不可避免的可视化效果问题，表现在三维透视投影模式下，当观察者与观察目标的距离发生变化时，目标轨迹显示生硬，主要表现在像素宽度变化不平稳，易产生突变效果，位置与姿态变化时会产生重叠扭曲，特别是当目标轨迹中的点比较离散，目标姿态运动变化剧烈时，其轨迹显示会产生异常的扭曲效果。

有些三维应用软件在动目标显示的具体实现中，采用了一些特殊的方法来解决该问题，例如先进行简单的数据插值，然后在内存中对每个点进行扩展，再将计算出的点进行三角化，最后显示出动目标的轨迹。该方法存在的问题主要表现在曲线轨迹的像素宽度不易控制，由于三维透视投影空间的特性，需要根据像素宽度值对空间坐标系下的位置进行转换，否则当目标与观察者的距离较远时会使目标不可见，而为保持像素宽度的一致性，需要在运行过程中实时计算扩展点的位置并重建顶点结构，因此要占用大量的CPU资源。该类方法仅从有限的角度来避免问题，其计算出的动目标轨迹的像素宽度在不同显示比例尺进行切换的情况下会产生尺寸的跳变，动目标轨迹曲线图形在姿态变换剧烈时极易产生扭曲现象，同时，该方法需占用大量的CPU进行实时计算，画面容易出现停顿现象，表现效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维场景中动目标空间轨迹的显示方法，该方法可以在三维场景中，通过采用基于帧的数据插值方法、空间坐标向量转换方法、基于GPU的像素宽度计算以及颜色对比方法，使得动目标轨迹在不同比例尺场景下均具有较好的表现效果。

本发明公开了一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，包括如下步骤：

步骤1、采集动目标的航迹数据，获得航迹点；

步骤2、建立数据结构，得到左扩展点位置坐标和右扩展点位置坐标；

步骤3、计算比例系数Scale，将比例系数Scale输入到GPU中，GPU根据比例系数Scale对变换后的左扩展点位置坐标和右扩展点位置坐标进行二次转换，得到最终输出的位置坐标；

步骤4、在GPU中根据姿态变化的程度以及当前渲染顺序，基于基础颜色Cr_ref计算不同的像素颜色值Cr，并最终输出到计算机屏幕。计算不同的像素颜色值Cr，并最终输出到计算机屏幕。

其中，步骤1中采用平滑方法对航迹数据进行规范性检查：统计三维场景中各航迹点位置之间的距离系数Dis和航向角系数Dir，对距离系数Dis大于10公里的点进行大圆弧插值；对航向角系数Dir大于180度的点进行补点扩充，获得航迹点。

步骤2包括：以步骤1所获得的航迹点为基准点，在其左右各扩展1米得到左扩展点位置坐标V_s1、右扩展点位置坐标V_s2，计算基准点与下一个基准点的航向角系数Dir，从而计算出该航迹点的空间变换矩阵Mat_s，将左扩展点位置坐标V_s1和右扩展点位置坐标V_s2在空间变换矩阵Mat_s上变换，最终得到在世界坐标系下的基准点与两个扩展点，其中，基准点V＝{x,y,z}，x、y、z分别为基准点V在空间坐标x方向、y方向和z方向的位置坐标值，左扩展点位置坐标V_s1＝{0,-1,0}，右扩展点位置坐标V_s2＝{0,1,0}，坐标转换过程：V’＝V×Mat_s，s表示基准点代号，V'表示该点转换后的坐标值。本步骤中所使用的补点方法能较好地解决曲线在加宽时的转弯处易出现的折叠现象，同时基准点与单位化的扩展点便于在GPU中实时的根据比例，重新计算其位置，保证像素宽度的一致性。

步骤2中基准点与下一个基准点的航向角系数Dir的计算方法如下：

两点间经度差LngDif＝P_i+1.dLng-P_i.dLng，

两点间纬度差LatDif＝P_i+1.dLat-P_i.dLat，

其中P_i+1.dLng表示第i+1个基准点的经度，P_i.dLng表示第i个基准点的经度，P_i+1.dLat表示第i+1个基准点的纬度，P_i.dLat表示第i个基准点的纬度；

经度差对应的空间距离wk1＝LngDif*cos(P_i+1.dLat*PI/180)，

纬度差对应的空间距离wk2＝wk1*wk1+LatDif*LatDif，

两点间的航向角系数 $Dir\left(wk2\right)=\left\{\begin{array}{c}Po\mathrm{int}.dYaw,wk2<1^{-10}\\ \left(a\tan \right(wk1,LatDif)*180.0/PI\end{array}\right.,$

其中Point.dYaw表示该点的航向角，atan()表示反正切函数。

步骤3包括：在动目标运行过程中，根据动目标与观察者的距离，计算比例系数Scale：

Scale＝k*DisToEye；

其中k为可输入的调节参数，DisToEye为观察者到点的距离；

在每帧渲染过程中将其设置到GPU中，GPU根据比例系数Scale对变换后的左扩展点位置坐标V_s1和右扩展点位置坐标V_s2进行二次转换，保证其在不同显示比例尺下显示同样的像素宽度，最终输出的位置坐标V_si'计算公式如下：

V_si'＝V_base+Scale*(V_si-V_base)，

其中，V_si为扩展点的位置坐标，V_base(该值与V相等，s为基准点代号，其值为输入的航迹点位置，base为通用概念，可以说s是base的具体值)为基准点位置坐标。本步骤中所使用的实时计算比例系数，对扩展点进行动态的位置计算，在确保效率的基础上实现了曲线的平滑过渡。在像素渲染器中，最终输出的位置坐标V_si'最终被转换为像素坐标，进而进行颜色取值。

步骤4中通过如下公式计算像素颜色值Cr：

与姿态相关的颜色系数值DirCoef＝1-Sin(Dir_j)，

Cr＝Cr_ref*DirCoef+Cr_ref*(1-DirCoef)，

其中，Cr_ref是根据图形学设置的经验值，取值范围为[0,255]，可作为参数输入，Dir_j(其意义与前述的“线段航向”是同一个意思)该像素点所在线段的方向。本步骤中所使用的曲线正反颜色计算方法，能较好地反映出姿态的变换效果，对于模拟飞行等特效有较好的支撑作用。

有益效果：本发明与现有技术相比具有以下的优点：

1)对目标轨迹的点进行插值处理，形成连续、平滑的曲线，在姿态变化较为剧烈的地方，进行数据增插值，形成曲线过渡效果；

2)在不同的视点远近场景中，目标轨迹在三维场景空间内皆可见，不会因观察视点过远而使目标轨迹消隐在三维场景之中，并且图形在整个显示的过程中，其显示尺寸是平滑过渡的，不会造成比例的跳变；

3)基于GPU的计算方法提升了软件效率，同时提升了目标轨迹曲线的飘带状显示效果，明确区分出目标轨迹曲线的正反面；

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是本发明的流程示意图。

图2是本发明的需进行样条插值的原始点示意图。

图3是本发明的原始点线性插值示意图。

图4是本发明的经过样条插值后的示意图。

图5是本发明的插值点与扩展点示意图。

图6是本发明的动态Scale计算示意图。

图7是本发明的GPU场景处理示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种三维场景中动目标轨迹的显示方法。该方法通过对动目标产生轨迹点经纬度数据，采用基于帧插值的离散数据平滑和空间坐标向量转换方法，形成位置连续稳定、姿态变换柔和的曲线轨迹；采用实时计算扩展比例计算方法，使目标轨迹在与观察者处于不同距离时均显示相同的像素宽度，同时采用正反颜色值对比的方法，通过在航向、俯仰、横滚等自由度变化时对正反面取不同的颜色值，逼真地实现了飘带状轨迹的柔和效果。本发明解决了在三维场景中，对动目标轨迹的三维曲线在不同观察距离的消隐现象，实现了对动目标产生的轨迹点连续、稳定、平滑的飘带状轨迹显示效果。本发明主要包括如下步骤：

步骤1、采集动目标的数据，通过设置数据的平滑方法对数据进行规范性检查：统计三维场景中各航迹点位置之间的距离系数Dis和航向角系数Dir，对距离系数Dis大于10公里的点进行大圆弧插值；对航向角系数Dir大于180度的点进行补点扩充；

步骤2、建立数据结构，得到左扩展点位置坐标和右扩展点位置坐标；

步骤3、计算比例系数，在目标运行过程中，根据目标包围盒中心与观察者的距离DisToEye，实时计算出比例系数Scale，在每帧渲染过程中将其设置到GPU中，GPU根据Scale对变换后的左扩展点位置坐标V_s1和右扩展点位置坐标V_s2进行二次转换，保证其在不同显示比例尺下显示同样的像素宽度。

Scale＝k*DisToEye；其中k为可输入的调节参数。最终输出的位置坐标V_si'计算公式如下：

V_si'＝V_base+Scale*(V_si-V_base)，

上述公式中，V_si为扩展点的位置坐标，V_base为基准点位置坐标。

步骤4、将基础点V、扩展点V_s1、V_s2以及变换矩阵输入到GPU中，通过投影变换得出像素坐标，进而对每一个像素进行颜色处理。同时在GPU中根据姿态变化的程度以及当前渲染顺序，基于基础颜色Cr_ref计算不同的像素颜色值Cr，并最终输出到计算机屏幕。

实施例

本实施例提供了一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，如图1所示，其具体实施步骤如下：

步骤1、设置数据的平滑方法，包括线性插值、样条插值等，建立平滑函数，对输入的数据进行规范性检查，统计各点之间的距离系数Dis(单位为公里，该值用于描述点的离散度)、航向角系数Dir(单位为度，该值用于描述目标的连续性)，对距离系数Dis大于10公里较大的点进行大圆弧插值，保证其不会被沿线高程数据遮掩。

如图2所示，P₁、P₂、P₃、P₄为输入的航迹点，Dis为两点之间的距离，Dir为P₁P₂的航向角系数，对航向角系数Dir大于180度的点进行点扩充，确保其平滑的拐弯效果。当数据点连续稳定、可信度较高时使用线性插值方法，当数据点离散度高、质量较差时需使用较为复杂的样条插值。

上述公式中Dis_ref与Dir_ref均为根据可输入的用户参数，分别表示距离调节系数、航向调节系数。如图3所示，是原始点线性插值示意图，图4是经过样条插值后进行平滑拟合得到光滑的曲线的示意图。

步骤2、建立数据结构，以基于步骤1所获得的数据值为基准，在其左右各扩展1米得到左扩展点位置坐标V_s1和右扩展点位置坐标V_s2，从而形成了面状结构，V_s1、V_s2分别代表P₁的左扩展点与右扩展点。再计算其与下一个点的航向角系数Dir，从而计算出该点的空间变换矩阵Mat_s，将左扩展点位置坐标V_s1和右扩展点位置坐标V_s2在空间变换矩阵Mat_s上变换，如图5所示，最终得到世界坐标系下的基准点与两个扩展点：

基准点V＝{x,y,z}，x、y、z分别为基准点V在空间坐标x方向、y方向和z方向的位置坐标值，

左扩展点V_s1＝{0,-1,0}，

右扩展点V_s2＝{0,1,0}，

坐标转换过程：V'＝V×Mat_s，s表示基准点。

航向角系数Dir的计算方法如下：

两点间经度差LngDif＝P_i+1.dLng-P_i.dLng，

两点间纬度差LatDif＝P_i+1.dLat-P_i.dLat，

其中P_i+1.dLng表示第i+1个基准点的经度，P_i.dLng表示第i个基准点的经度，P_i+1.dLat表示第i+1个基准点的纬度，P_i.dLat表示第i个基准点的纬度；

经度差对应的空间距离wk1＝LngDif*cos(P_i+1.dLat*PI/180)，

纬度差对应的空间距离wk2＝wk1*wk1+LatDif*LatDif，

两点间的航向角系数 $Dir\left(wk2\right)=\left\{\begin{array}{c}Po\mathrm{int}.dYaw,wk2<1^{-10}\\ \left(a\tan \right(wk1,LatDif)*180.0/PI\end{array}\right.,$

其中Point.dYaw表示该点的航向角，atan()表示反正切函数。

步骤3、计算比例系数，在目标运行过程中，根据目标包围盒中心与观察者的距离DisToEye，实时计算出比例系数Scale，在每帧渲染过程中将其设置到GPU中，GPU根据Scale对变换后的左扩展点位置坐标V_s1和右扩展点位置坐标V_s2进行二次转换，保证其在不同显示比例尺下显示同样的像素宽度，Scale的计算过程见图6所示。图6描述了动态比例Scale的计算过程，其保持拟合曲线的像素宽度始终不变，基本原理为设计一个线性函数，根据曲线中心点到观察者之前的距离动态调整Scale。

Scale＝k*DisToEye；其中k为可输入的调节参数，Scale的取值范围与三维视景的窗口大小有关。最终输出的位置坐标V_si'计算公式如下：

V_si'＝V_base+Scale*(V_si-V_base)，

上述公式中，V_si为扩展点的位置坐标，V_base为基准点位置坐标。

步骤4、在GPU中根据姿态变化的程度以及当前渲染顺序，计算不同的像素颜色值Cr，并最终输出到屏幕，

与姿态相关的颜色系数值DirCoef＝1-Sin(Dir_j)，

Cr＝Cr_ref*DirCoef+Cr_ref*(1-DirCoef)，

上述公式中Cr_ref是根据图形学设置的经验值，取值范围为[0,255]，可作为参数输入，Dir_j为该像素点所在线段的方向，GPU中最终效果处理过程见图7。图7为最终输出到屏幕上的效果图，中间为填充色。该过程首先根据顶点坐标进行投影变化，得出像素坐标，再对像素取色。

本发明提供了一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，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 (6)

1.一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采集动目标的航迹数据，获得航迹点；

步骤2、建立数据结构，得到左扩展点位置坐标和右扩展点位置坐标；

步骤3、计算比例系数Scale，将比例系数Scale输入到GPU中，GPU根据比例系数Scale对变换后的左扩展点位置坐标和右扩展点位置坐标进行二次转换，得到最终输出的位置坐标；

步骤4、在GPU中根据姿态变化的程度以及当前渲染顺序，基于基础颜色Cr_ref计算不同的像素颜色值Cr，并最终输出到计算机屏幕。

2.根据权利要求1所述的一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，其特征在于，步骤1中采用平滑方法对航迹数据进行规范性检查：统计三维场景中各航迹点位置之间的距离系数Dis和航向角系数Dir，对距离系数Dis大于10公里的点进行大圆弧插值；对航向角系数Dir大于180度的点进行补点扩充，获得航迹点。

3.根据权利要求2所述的一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，其特征在于，步骤2建立数据结构包括：以步骤1所获得的航迹点为基准点，在其左右各扩展1米得到左扩展点位置坐标V_s1和右扩展点位置坐标V_s2，计算基准点与下一个基准点的航向角系数Dir，从而计算出该航迹点的空间变换矩阵Mat_s，将左扩展点位置坐标V_s1和右扩展点位置坐标V_s2在空间变换矩阵Mat_s上变换，最终得到在世界坐标系下的基准点与两个扩展点；其中，基准点V＝{x,y,z}，x、y、z分别为基准点V在空间坐标x方向、y方向和z方向的位置坐标值，左扩展点位置坐标V_s1＝{0,-1,0}，右扩展点位置坐标V_s2＝{0,1,0}，坐标转换方程：V'＝V×Mat_s，s表示基准点代号，V'表示该点转换后的坐标值。

4.根据权利要求3所述的一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，其特征在于，步骤2中基准点与下一个基准点的航向角系数Dir的计算方法如下：

两点间经度差LngDif＝P_i+1.dLng-P_i.dLng，

两点间纬度差LatDif＝P_i+1.dLat-P_i.dLat，

其中P_i+1.dLng表示第i+1个基准点的经度，P_i.dLng表示第i个基准点的经度，P_i+1.dLat表示第i+1个基准点的纬度，P_i.dLat表示第i个基准点的纬度；

经度差对应的空间距离wk1＝LngDif*cos(P_i+1.dLat*PI/180)，

纬度差对应的空间距离wk2＝wk1*wk1+LatDif*LatDif，

两点间的航向角系数 $Dir\left(wk2\right)=\left\{\begin{array}{c}Po\mathrm{int}.dYaw,wk2<1^{-10}\\ \left(a\tan \right(wk1,LatDif)*180.0/PI\end{array}\right.,$

其中Point.dYaw表示该点的航向角，atan()表示反正切函数。

5.根据权利要求4所述的一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，其特征在于，步骤3包括：在动目标运行过程中，根据动目标与观察者的距离，计算比例系数Scale；

在每帧渲染过程中将其设置到GPU中，GPU根据比例系数Scale对变换后的左扩展点位置坐标V_s1和右扩展点位置坐标V_s2进行二次转换，保证其在不同显示比例尺下显示同样的像素宽度，最终输出的位置坐标V_si'计算公式如下：

V_si'＝V_base+Scale*(V_si-V_base)，

其中，V_si为扩展点的位置坐标，V_base为基准点位置坐标。

6.根据权利要求5所述的一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，其特征在于，步骤4中通过如下公式计算像素点的颜色值Cr：

与姿态相关的颜色系数值DirCoef＝1-Sin(Dir_j)，

Cr＝Cr_ref*DirCoef+Cr_ref*(1-DirCoef)，

其中，Cr_ref是根据图形学设置的经验值，取值范围为[0,255]，可作为参数输入，Dir_j为该像素点所在线段的方向。