CN105823475B

CN105823475B - 场景的三维表示方法

Info

Publication number: CN105823475B
Application number: CN201510005207.2A
Authority: CN
Inventors: J·多米尼西; J-P·热尔布; E·蒙瓦森
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2035-01-06
Also published as: FR3030092A1; US9619935B2; CN105823475A; FR3030092B1; US20160171758A1

Abstract

本发明涉及一种场景的三维表示方法，其大体技术领域为地形的三维综合表示方法。这些方法在交通工具领航和导航辅助系统中实施。根据本发明的方法包括下列步骤：步骤1：对于确定的交通工具的位置，计算通过检视系统见到的地形的第一部分或整体；步骤2：对于所述地形部分，在每个点计算所述地形的曲率；步骤3：根据运载器的位置和朝向，计算所显示的点的位置；步骤4：依据所述曲率，根据确定的法则计算所述可见地形部分的每个点的亮度；步骤5：通过检视系统显示每个点的亮度。

Description

场景的三维表示方法

技术领域

本发明的技术领域为综合和三维的地图表示。其可以表示为平视(head-up)模式(作为正形视图)或下视(head-down)模式。正形表示的表述指的是极佳地叠加到观察者实际见到的地形上的地图表示。通过将综合图像向观察者的眼睛进行投影的光学系统，光学叠加得到了保证。该光学系统包括光学混合器或组合器，其保证了图像在外部景观上的叠加。该类型的表示尤其用于航空领域，以便保证在低可见度或在夜间的领航。在下视模式中，综合视图(根据定义)不与外部景观正形，但是如果存在符号体系，则其可以对于所显示的主要领航符号体系极佳地定位。

背景技术

图1显示了地图表示系统。该系统包括表示所飞越的地形的数据库、能够确定检视系统的位置和朝向的构件(检视系统显示地图图像)、图像产生器CE和检视系统D。图像产生器CE保证了三个主要功能：计算检视点、选择待显示的地形区域以及根据检视点计算待显示的图像。

该三维表示的一个棘手之处是，其必须足够完整和精确以便提供对于领航和导航有用的所飞越地形的良好表示，并且足够的简洁以便不使景观的自然图像饱和。

已经提出了各种解决方案。

与平视检视系统兼容的表示3D地形的第一个解决方案描述于标题为“System,apparatus,and method for presenting a monochrome image of terrain on a head-up display unit”的专利US 8 264 498中。在该表示中，地形的光亮度根据发光参数而调整，所述发光参数通过在所飞越的地形之上定位虚拟的点状或全方向的光源而获得。该表示使显示大大过载，并且没有正确处理对于综合图像与实际图像的叠加的需要。

第二个解决方案包括如图2所示的在简单栅格的辅助下显示地形。距离感知仅通过图2中显示为白线的栅格的几何元素尺寸来产生。实际上，根据透视效果，其相对于所显示的检视点的距离越大，屏幕上的几何元素越小。该类型的显示不适合显示与观察者非常遥远的地形。标题为“Method and system for providing depth cues by attenuatingdistant displayed terrain”的专利US7 098 913提出了改进表示的方案，其包括将远离检视点的地形变暗。该技术能够更好地获取地形的距离，但是其不解决图像饱和的问题。

作为上述解决方案的变化的第三个解决方案包括修改向前特定距离的几何元素的尺寸。例如，评估网格的两个点中仅有一个得到保留。举例来说，图3示出了该类型的图形表示。确实，在屏幕上显示的元素的数量成功地得到了限制，但是能够改进地形深度的感知的很大一部分元素被删除。实际上，通过栅格表示3D综合地形对于接近检视点的地形来说非常合适。

第四个解决方案包括通过高亮山脊线来呈现地形。山脊线的表述指的是景观的隐藏部分与可见部分之间的边界。山脊线不必表示一系列海拔局部最大的点。因此，其不仅取决于地形，还取决于观察者的位置。因此，山脊线必须根据运载器的位置而连续地再计算。这能够提供一些关于地形地势的信息而不会使图像过载。这样的表示描绘于图4中。该基于山脊线的地形表示能够大大限制在屏幕上显示的信息密度。其提供环境的部分视野，这对于遥远地形的感知来说是有利的。然而，其在接近检视点的地形上仅提供极为受限的信息。

可以同时使用上文引用的图形表示中的两种。从而，能够如图5所示地以栅格的形式表示接近的地形并以山脊线的形式表示遥远的地形。在栅格形式的地形表示与山脊线形式的表示之间，通过基于地形距离的交叉淡出来保证过渡。直到距离接近之前限定的距离时，地形在两种模式下表示。然后，随着接近预定距离，栅格形式的图绘减轻，同时山脊线表示加重。该解决方案能够确实减少在屏幕上的信息，并且似乎适合于显示位于背景中的地形信息，但是产生了显示的人工效果(artefacts)。这些人工效果例如是当我们接近检视点时山脊线的突然出现和/或消失、诸如山谷或峡谷的潜在相关地形信息的缺失。结果，该表示没有提供最佳水平的地形感知。

如图2、图3、图4和图5所示，根据现有技术的各种地图表示不能适当地在不减少地形深度的感知的情况下减少在屏幕上显示的数据量。根据本发明的地图表示方法不会表现出这些缺陷。其不是简单地显示山脊线，而是以更一般的方式显示地形的曲率。其不是只显示局部最小和最大的曲率，而是实际上显示在地形的任一点的曲率。则该表示是灰度或其他颜色的层次而不仅是线段的组，例如出版物"Redeeming valleys and ridges forline-drawing",PCM 2005,Part I,LNCS3767,pp 327-338中所描述的。获得了易于理解并且占据有限空间的地形的实际表示。

发明内容

在下文中，对应于检视系统显示的像素的小表面单元称为地形的“点”。另外，地形的给定位置处的曲率半径的倒数称为在该位置的“曲率”。从而，完全平整的地形具有零曲率。

更精确而言，本发明的目标是地形的三维综合表示方法，所述方法实施在交通工具领航和导航辅助系统中，所述辅助系统包括至少一个导航系统、地图数据库和能够显示综合图像的检视系统，其特征在于所述方法包括下述步骤：

步骤1：对于确定的交通工具的位置，计算通过检视系统见到的地形部分；

步骤2：对于在之前步骤中确定的地形部分，在每个点计算所述地形的曲率，该曲率对应于地形朝向的变化；

步骤3：根据交通工具的位置和朝向，计算用于交通工具的所述位置和用于所述可见地形部分的点在屏幕上的位置；

步骤4：至少依据所述曲率，根据确定的法则计算所述可见地形部分的每个点的亮度；

步骤5：通过检视系统显示每个点的亮度。

有益地，步骤3之后有下述步骤，所述步骤在步骤4之前：

步骤3.1：在地形的所述可见部分的每个点计算垂直于地形的向量；

步骤3.2：对于每个点计算方向向量，该方向向量的起点位于该点的水平面而且该方向向量的终点位于参考点的水平面；

步骤3.3：对于每个点，计算垂直于地形的向量的方向与方向向量的方向之间的倾斜角度；

步骤3.4：依据所述曲率和所述倾斜角度，根据法则计算所述可见部分的每个点的亮度。

有益地，步骤4之后有下述步骤，所述步骤在步骤5之前：

步骤4.1：从交通工具的确定位置算起，直到确定的距离，计算栅格形式的地形表示，即，计算设置在地形上的规律的交叉划线；

步骤4.2：通过检视系统显示所述栅格，直到确定的距离。

有益地，地形的点的亮度是曲率的增函数。

有益地，地形的点的亮度是倾斜角度的增函数。

有益地，当地形的曲率低于特定阈值时，地形的点的亮度为零。

有益地，地形的点的亮度是距飞行器的距离的函数。

有益地，地形的点的亮度随着距飞行器的距离增加而减小。

有益地，图形表示与一种或多种类型的地形的三维表示融合。

有益地，图形表示与阴影形式的地形表示融合。

有益地，图形表示与一种或多种颜色的层次形式的地形表示融合，每个颜色表示确定的海拔水平面。

本发明还涉及交通工具领航和导航辅助系统，所述辅助系统包括至少一个导航系统、地图数据库和能够显示综合图像的检视系统，所述系统包括电子计算构件，该电子计算构件设置为实施上文限定的地形的三维综合表示方法。

有益地，该交通工具是飞行器，而领航和导航辅助系统是所述飞行器的航电系统。

附图说明

在阅读根据并借助于所附附图的非限定性说明时，本发明将得到更好的理解，并且其他的优点将变得清楚。

图1显示了地图表示系统的示意图；

图2、图3、图4和图5显示了根据现有技术的地形的三维地图表示；

图6显示了根据本发明的地图表示方法的主要步骤；

图7显示了根据本发明的地图表示方法的原理；

图8显示了根据本发明的方法所生成的第一地图表示；

图9显示了根据本发明的方法所生成的第二(“混合”)地图表示。

具体实施方式

为了实施，根据本发明的图形表示方法需要交通工具领航和导航辅助系统。交通工具可以是各种类型的交通工具。在其主要应用中，该方法实施于飞行器中，以尽可能地向飞行员提供外部景观的最好的表示。领航辅助系统是飞行器的机上航电系统。所有现代飞行器上现在都存在这类系统。其必须包括：

导航系统，其能够确定飞行器的位置和海拔。举例来说，这些导航系统包括惯性平台和/或“GPS”式系统，该首字母缩略词表示“全球定位系统”。

所飞越的地形的地图数据库；

电子计算机，其尤其能够进行数据处理和图形表示计算并实施根据本发明的显示方法；

检视系统，其优先包括所谓的“下视”(“Head-Down”)检视设备(例如位于仪表板上)或所谓的“平视”(“Head-Up”)或“透明显示”(“See-Through Display”)检视设备。这些设备可以是透明屏幕或“平视”面板，也称为“平视显示器”或“头戴显示器”或“头盔显示器”。这些设备包括将检视系统的图像叠加到外部的屏幕或光学部件。

在其基本的实施方案中，根据本发明的方法包括下述步骤：

步骤4：依据所述曲率，根据确定的法则计算所述可见地形部分的每个点的亮度；

步骤5：通过检视系统显示每个点的亮度。

这些步骤表示于图6中。步骤2示出于图7中。该图表示地形的剖面(x，z)的示意图。地形CL的局部曲率对应于地形朝向的局部变化。三种类型的地形曲率可以得到区分。第一种类型对应于在曲率没有反向的情况下的曲率的快速变化，第二种类型对应于曲率的高反向，地形曲率在该情况下对应于经过了山脊C。最后，第三种类型的曲率对应于地形曲率的低反向，在该情况下其对应于经过了峡谷T。

在图7中，具有待表示的相关曲率的地形区域以粗线显示。其对应于曲率很明显的区域。在图7中可以看到，在地形的每个点计算了法向量N，法向量N的模与曲率值成比例。

在该第一实施方案中，地形曲率的表达取决于地形曲率的显著性。更精确而言，在地形的每个点的亮度是地形曲率程度的函数，曲率越小，表达的亮度越小。在该模式下，亮度可以与地形曲率值成比例。依据是否希望加重曲率变化的表示，也可以服从其他的变化法则。

应当理解，当地形尤其崎岖时，在每个像素中由地形曲率的表示产生的亮度可能很大并且阻碍对于外部景观的观察。

因此，通过基于相对于参考点的倾斜角度而检索地形的每个点或像素的亮度，可以改进该图形表示，该参考点一般是观察点，即，交通工具的位置。

更精确而言，在该变化中，根据本发明的方法包括下述额外步骤：

举例来说，则获得了图8所示的图形表示。在该图中，地形的曲率根据亮度标度表示，该亮度标度的范围为，从用于显著曲率的白色到用于零曲率(对应于平整地形)的黑色。亮度标度可以是线性的或非线性的。例如，在平视检视设备中，地形的曲率根据亮度标度表示，该亮度标度的范围为，从用于显著曲率的给定强度到用于零曲率的透明，以便最小地遮蔽外部视野。一般而言，对于平视检视系统，所选的表示地形的颜色是绿色。可见，在图8的表示中，全部的地形得到了很好的表示，而且该表示加重了地形曲率变化，提供了更直观的地势(诸如山脊C、山谷和峡谷T)的标识。

亮度变化对于地形的曲率值不必是线性的。从而，能够在不使图像过载或使使用者目眩的情况下加重显著的地形曲率(诸如山脊、山谷和峡谷)，并因此使得使用者能够尽可能地保留最清晰的外部景观的视野。另外，其还能够关联阈值，在该阈值之下的地形曲率不再显示。这就是说，零亮度与这些曲率小于该确定的阈值的地形点或像素相关联。

有益地，亮度可以设置为取决于距飞行器的距离。更精确而言，对于地形的每个像素，亮度随着地形距飞行器变得遥远而减小。这能够使表示减弱，并且因此对于待显示的信息密度很高的遥远距离的图像能够不过载，这是因为压缩远处地形的透视效果。

有益地，地形曲率形式的图形表示可以与更多3D地形的常规三维表示融合。例如，地形曲率形式的图形表示可以重叠到基于阴影的图形表示上，或重叠到通过颜色层次表示地形海拔的图形表示上。每个颜色层表示海拔水平面。

在图8中还可见，相比于遥远区域，位于近距离的区域总是包括更少的关于地形曲率的信息。这是因为压缩远处地形的透视效果。因此，可能是有益的是，用栅格形式的地形表示补充地形曲率形式的图形表示，如图9所表示的。

更精确而言，在该变化中，根据本发明的方法包括下述额外步骤，所述步骤在步骤5之前：

步骤4.2：通过检视系统显示所述栅格，直到确定的距离。

举例来说，则获得了诸如图9所示的图形表示，其表示与图8相同的地形，但是在近景补充了栅格形式的表示。从而获得了根据地形接近度(proximity)而具有极佳可读性和极佳适用性的地形的三维表示。

Claims

1.一种地形的三维综合表示方法，其实施在交通工具领航和导航辅助系统中，所述辅助系统包括至少一个导航系统、地图数据库和能够显示综合图像的检视系统，其特征在于所述方法包括下述步骤：

步骤2：对于在之前步骤中确定的地形部分，在每个点计算所述地形的曲率，该曲率对应于地形朝向的变化，每个点表示对应于检视系统显示的像素的小表面单元；

步骤3：根据交通工具的位置和朝向，计算用于交通工具的所述位置和用于可见地形部分的点在屏幕上的位置；

步骤5：通过检视系统显示每个点的亮度。

2.根据权利要求1所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，步骤4进一步包括以下步骤：

在所述可见地形部分的每个点计算垂直于地形的向量；

对于每个点计算方向向量，该方向向量的起点位于该点的水平面而且该方向向量的终点位于参考点的水平面；

对于每个点，计算垂直于地形的向量的方向与方向向量的方向之间的倾斜角度；

依据所述曲率和所述倾斜角度，根据法则计算所述可见地形部分的每个点的亮度；

所述参考点表示交通工具的位置。

3.根据权利要求1所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，步骤5进一步包括以下步骤：

从交通工具的确定位置算起，直到确定的距离，计算栅格形式的地形表示，即，计算设置在地形上的规律的交叉划线；

通过检视系统显示所述栅格，直到确定的距离。

4.根据权利要求1所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，地形的点的亮度是曲率的增函数。

5.根据权利要求2所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，地形的点的亮度是倾斜角度的增函数。

6.根据权利要求1所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，当地形的曲率低于特定阈值时，地形的点的亮度为零。

7.根据权利要求1所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，地形的点的亮度是距交通工具的距离的函数。

8.根据权利要求7所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，地形的点的亮度随着距交通工具的距离增加而减小。

9.根据权利要求1所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，图形表示与一种或多种类型的地形的三维表示融合。

10.根据权利要求9所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，图形表示与阴影形式的地形表示融合。

11.根据权利要求9所述的地形的三维综合表示方法，其特征在于，图形表示与一种或多种颜色层次形式的地形表示融合，每个颜色表示确定的海拔水平面。

12.一种交通工具领航和导航辅助系统，所述辅助系统包括至少一个导航系统、地图数据库和能够显示综合图像的检视系统，其特征在于，所述系统包括电子计算构件，其设置为实施根据前述权利要求中的一项的地形的三维综合表示方法。

13.根据权利要求12所述的交通工具领航和导航辅助系统，其特征在于，交通工具是飞行器，而领航和导航辅助系统是所述飞行器的航电系统。