CN107590280A - 一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法 - Google Patents

一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,包括以下步骤:解析云图,将云图卷曲显示在地球大气层高度,并生成云图缓存;构建四叉树结构的全球体积云瓦块;根据相机或视角的高度不同,调度体积云瓦块;通过在云图缓存中采样生成瓦块中的云朵;通过使用连续多张全球云图,让全球云层效果随时间变化;通过相机位置、云层高度和体积云瓦块中心点位置实时调整云层的透明度;采用全球实时云图作为三维地理信息系统全球尺度三维体积云仿真的基础数据来源,具有数据来源简单、数据量小的特点;根据不同的相机视角展示不同细节层次的云层效果,根据不同的空间时间,可以连续运用不同的实时云来构建不同的三维全球体积云。

Description

一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法
技术领域
本发明涉及三维地理信息系统图形仿真技术领域,尤其涉及一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法。
背景技术
在三维地理信息系统图形仿真技术上,在地球这样大的空间尺度的三维场景中实时渲染符合真实云层分布的体积云,存在着存储量大,运行效率低的问题。真实云层分布的最简单直接的数据来源就是实时云图。而实时云图在二维中一般以平面图像的方式展现,在三维地球仿真中,一般将云图卷曲包围在地球表面,也是以图像的方式展现,缺乏立体感,真实感。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点,而提出的一种运行效率高和图像效果逼真等特点的三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,包括以下步骤:
1)解析云图,将云图卷曲显示在地球大气层高度,并生成云图缓存;
2)构建四叉树结构的全球体积云瓦块;
3)根据相机或视角的高度不同,调度体积云瓦块;
4)通过在云图缓存中采样生成瓦块中的云朵;
5)通过使用连续多张全球云图,让全球云层效果随时间变化;
6)通过相机位置、云层高度和体积云瓦块中心点位置实时调整云层的透明度。
进一步地,步骤1)包括,将.png格式的WGS84投影的云图读入内存,作为纹理贴在三维球体表面,形成一层半透明的球壳套在数字地球球壳外层;同时从云图图像数据中提取出每个像素的灰度和透明度,以灰度8位和透明度8位的格式缓存到内存中,以供生成真实体积云使用。
进一步地,步骤2)包括,以经度范围(-180,180)、纬度范围(-90,90)作为体积云四叉树的根节点范围,以根节点经纬度范围为基础,采用二分法获得下一级别的四叉树节点范围,总共生成若干个级别的体积云瓦块。
进一步地,步骤3)包括,根据相机或视角的高度不同,选取不同级别不同区块的体积云进行显示,离相机近的地方显示高级别的瓦块,离相机远的地方显示低级别的瓦块,从而达到显示效果和显示效率的平衡,是否需要显示更高一级瓦块的计算方法;计算瓦块投影到三维渲染窗口的投影面积,当投影面积大于一定数值时,则切换到下一级瓦块。
进一步地,步骤4)包括,当某个瓦块显示出来时,在瓦块中均匀选取若干个点,分别计算这些点的经纬度,然后将这个经纬度换算为实时云图图像的像素坐标(通过在WGS84投影的云图像素坐标上进行线性映射),根据像素坐标从云图图像缓存中获取灰度和透明度值来生成体积云云朵,体积云云朵是通过将云朵图片显示在一个始终面向观察者的正方形上进行显示的,每个云朵在的高度是一个在云层高度附近的随机值,每个云朵图片的旋转角度也是随机的。
进一步地,当瓦块中心点从云图图像缓存中获取的透明度值小于0.5时,则整个瓦块都不生成体积云云朵,当连续两个点获取到的透明度值都大于0.7时才生成一个体积云云朵。
进一步地,步骤5)包括,生成的两张全球实时云图也共同作为真三维体积云的数据来源,即生成体积云瓦块中的云朵时,同时从两张云图中进行采样,根据当前时间到前后两张云图的时间差,进行线性融合计算。
进一步地,步骤6)的调整方法是通过相机位置、云层高度和体积云瓦块中心点位置这几个参数,对每个云朵的透明度进行修正。
本发明具有以下有益效果:
1、全球实时云图作为三维地理信息系统全球尺度三维体积云仿真的基础数据来源,具有数据来源简单、数据量小的特点;
2、全球实时云图和真三维体积云融合显示,全球视角下,只显示云图,当虚拟相机接近云层时,真三维体积云逐渐显现出来,根据不同的相机视角展示不同细节层次的云层效果,具有连续性,清晰,高效,逼真的特点;
3、根据不同的空间时间,可以连续运用不同的实时云来构建不同的三维全球体积云,运用在大型地理信息系统EARTH View Image的三维地球界面上,真正仿真了全球不同时间的云层飘动变化;
4、使用全球实时云图仿真三维全球体积云的方法计算效率高,存储信息量小,实现了高效仿真的目的。
附图说明
图1为本发明实现过程的流程图;
图2为本发明的云图示意图;
图3为本发明的体积云瓦块四叉树;
图4为本发明云图覆盖在地球外的效果图;
图5为本发明近距离观察的云图;
图6为本发明云图变成体积云的效果图;
图7为本发明相机进入云层的效果图;
图8为本发明在地表观察体积云的效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
参照图1-8,一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,包括以下步骤:1)解析云图,将云图卷曲显示在地球大气层高度,并生成云图缓存;2)构建四叉树结构的全球体积云瓦块;3)根据相机或视角的高度不同,调度体积云瓦块;4)通过在云图缓存中采样生成瓦块中的云朵;5)通过使用连续多张全球云图,让全球云层效果随时间变化;6)通过相机位置、云层高度和体积云瓦块中心点位置实时调整云层的透明度。
具体实施步骤如下:
步骤1),将.png格式的WGS84投影的云图读入内存,作为纹理贴在三维球体表面,形成一层半透明的球壳套在数字地球球壳外层;同时从云图图像数据中提取出每个像素的灰度和透明度,以灰度8位和透明度8位的格式缓存到内存中,以供生成真实体积云使用。
灰度值的计算为:
Gray=(R+G+B)/3;其中,
Gray:灰度;
R:红色通道值;
G:绿色通道值;
B:蓝色通道值。
透明度的计算:
Alpha=A;其中,
Alpha:透明度;
A:透明通道值。
步骤2),以经度范围(-180,180)、纬度范围(-90,90)作为体积云四叉树的根节点范围,以根节点经纬度范围为基础,采用二分法获得下一级别的四叉树节点范围,总共生成若干个级别的体积云瓦块。
步骤3),根据相机或视角的高度不同,选取不同级别不同区块的体积云进行显示,离相机近的地方显示高级别的瓦块,离相机远的地方显示低级别的瓦块,从而达到显示效果和显示效率的平衡,是否需要显示更高一级瓦块的计算方法;计算瓦块投影到三维渲染窗口的投影面积,当投影面积大于一定数值时,则切换到下一级瓦块,依次类推。
步骤4),当某个瓦块显示出来时,在瓦块中均匀选取若干个点,分别计算这些点的经纬度,然后将这个经纬度换算为实时云图图像的像素坐标(通过在WGS84投影的云图像素坐标上进行线性映射),根据像素坐标从云图图像缓存中获取灰度和透明度值来生成体积云云朵,体积云云朵是通过将云朵图片显示在一个始终面向观察者的正方形上进行显示的,每个云朵在的高度是一个在云层高度附近的随机值,每个云朵图片的旋转角度也是随机的。
经过大量实验得出了如下参数值:当瓦块中心点从云图图像缓存中获取的透明度值小于0.5时,则整个瓦块都不生成体积云云朵,当连续两个点获取到的透明度值都大于0.7时才生成一个体积云云朵。这样有效地节省了每朵云的存储空间,并保持云层有效的清晰度。
为了有效逼真地显示云朵,云朵颜色和透明度通过从云图缓存中采样到的灰度值和透明度值计算得到:
每个云朵的颜色计算方法:
RGB=Gray*RGB(1,1,1);其中,
RGB:红绿蓝通道颜色值;
Gray:从云图缓存中采样到的灰度值;
RGB(1,1,1):红色通道值为1,绿色通道值为1,蓝色通道值为1。每个云朵的透明度计算方法:
A=Pow(Alpha,3);其中,
A:从云图中采样得到的透明度值;
Pow(Alpha,3):我们特有的计算透明通道值A的函数方程式,含义是计算Alpha的三次方,其中Alpha表示从云图缓存中采样到的透明度值。
云朵颜色和透明度的计算方法有一定调整空间,可以根据自己的需要使用不同的参数或者计算公式,以达到自己想要的效果。目前,本发明所使用的计算公式和参数,能使云图非常自然的过渡到三维体积云。
通过使用连续多张全球云图,让全球云层效果随时间变化。每张全球实时云图都有自己的时间,前后两张全球实时云图同时传入GPU进行线性融合计算,根据时间不同,计算云层球壳的颜色:
Colour=Colour1*(T2-T)/(T2-T1)+Colour2*(T-T1)/(T2-T1);其中,
Colour:GPU片段着色器返回的颜色
Colour1:从第一张云图上采样的颜色
Colour2:从第二张云图上采样的颜色
T1:第一张云图的时间;
T2:第二张云图的时间;
T:当前时间
步骤5),以上生成的两张全球实时云图也共同作为真三维体积云的数据来源,即生成体积云瓦块中的云朵时,同时从两张云图中进行采样,根据当前时间到前后两张云图的时间差,进行线性融合计算:
Gray=Gray1*(T2-T)/(T2-T1)+Gray2*(T-T1)/(T2-T1);
Alpha=Alpha1*(T2-T)/(T2-T1)+Alpha2*(T-T1)/(T2-T1);其中,
Gray:灰度;
Gray1:第一张云图上采样得到的灰度;
Gray2:第二张云图上采样得到的灰度;
Alpha:透明度;
Alpha1:第一张云图上采样得到的透明度;
Alpha2:第二张云图上采样得到的透明度;
T1:第一张云图的时间;
T2:第二张云图的时间;
T:当前时间
线性融合是一种常用的计算方法,通常用在两种颜色的混合计算中。以上数值计算好之后,再根据步骤4)的公式实时更新云朵的颜色和透明度。
通过上述云层球壳和真三维体积云的效果变化,从而得到云层随时间变化的效果。
步骤6),调整方法是通过相机位置、云层高度和体积云瓦块中心点位置这几个参数,对每个云朵的透明度进行修正。
为了和云图球壳比较好的融合到一起显示,使观察者不管是从大气层外的任何距离观察云层还是从大气层内的任何距离观察云层,都能得到一个比较自然的显示效果,需要对体积云的透明度进行微调。调整方法如步骤所述,计算方法如下:
当相机在云层上方时:
A=A*(1.2-虚拟相机高度/云层高度/20)*Pow(1e5/Distance,3);
当相机在云层下方时:
A=A*(1.2-虚拟相机高度/云层高度/20)*Pow(6e4/Distance,3);其中,
A:透明通道值;
Distance:虚拟相机到体积云瓦块中心点的直线距离;
Pow(1e5/distance,3):计算1e5/Distance的三次方;
Pow(6e4/Distance,3):计算6e5/Distance的三次方。
透明度修正的计算方法有一定调整空间,可以根据自己的需要使用不同的参数或者计算公式,以达到自己想要的效果。
参照图2-3,全球云是基于云图来生成的,全球云包含两个部分,从远处看到的是一个半透明的球体,拉近之后,看到的是一朵朵云彩。如果直接生成全球的云彩,对计算机的性能有很高的要求,因此需要采用实时裁剪和多级细节层次技术。每个细节层次的体积云瓦块内部划分为了n*n个小区域,通过每个小区域的地理坐标向云图进行像素的采样,像素颜色越白、越不透明,该小区域的云朵就越多越不透明。
综上所述,本发明经过试验表明,达到了在三维地理信息系统中逼真有效地仿真全球真实云层的效果;以上这种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法在中国地理信息三维仿真领域是一种创新,并能在大型地理信息地球三维界面中得到了很好的应用,可以从不同的地理位置、时间、虚拟相机高度和姿态快速看到不同的三维全球真实云层,其效果逼真,运行效率高。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,包括以下步骤:
1)解析云图,将云图卷曲显示在地球大气层高度,并生成云图缓存;
2)构建四叉树结构的全球体积云瓦块;
3)根据相机或视角的高度不同,调度体积云瓦块;
4)通过在云图缓存中采样生成瓦块中的云朵;
5)通过使用连续多张全球云图,让全球云层效果随时间变化;
6)通过相机位置、云层高度和体积云瓦块中心点位置实时调整云层的透明度。
2.根据权利要求1所述的一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,步骤1)其特征在于,将.png格式的WGS84投影的云图读入内存,作为纹理贴在三维球体表面,形成一层半透明的球壳套在数字地球球壳外层;同时从云图图像数据中提取出每个像素的灰度和透明度,以灰度8位和透明度8位的格式缓存到内存中,以供生成真实体积云使用。
3.根据权利要求1所述的一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,步骤2)其特征在于,以经度范围(-180,180)、纬度范围(-90,90)作为体积云四叉树的根节点范围,以根节点经纬度范围为基础,采用二分法获得下一级别的四叉树节点范围,总共生成若干个级别的体积云瓦块。
4.根据权利要求1所述的一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,步骤3)其特征在于,根据相机或视角的高度不同,选取不同级别不同区块的体积云进行显示,离相机近的地方显示高级别的瓦块,离相机远的地方显示低级别的瓦块,从而达到显示效果和显示效率的平衡,是否需要显示更高一级瓦块的计算方法;计算瓦块投影到三维渲染窗口的投影面积,当投影面积大于一定数值时,则切换到下一级瓦块。
5.根据权利要求1所述的一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,步骤4)其特征在于,当某个瓦块显示出来时,在瓦块中均匀选取若干个点,分别计算这些点的经纬度,然后将这个经纬度换算为实时云图图像的像素坐标(通过在WGS84投影的云图像素坐标上进行线性映射),根据像素坐标从云图图像缓存中获取灰度和透明度值来生成体积云云朵,体积云云朵是通过将云朵图片显示在一个始终面向观察者的正方形上进行显示的,每个云朵在的高度是一个在云层高度附近的随机值,每个云朵图片的旋转角度也是随机的。
6.根据权利要求5所述的一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,其特征在于,当瓦块中心点从云图图像缓存中获取的透明度值小于0.5时,则整个瓦块都不生成体积云云朵,当连续两个点获取到的透明度值都大于0.7时才生成一个体积云云朵。
7.根据权利要求1所述的一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,步骤5)其特征在于,生成的两张全球实时云图也共同作为真三维体积云的数据来源,即生成体积云瓦块中的云朵时,同时从两张云图中进行采样,根据当前时间到前后两张云图的时间差,进行线性融合计算。
8.根据权利要求1所述的一种三维地理信息系统全球真实云层的仿真方法,步骤6)其特征在于,调整方法是通过相机位置、云层高度和体积云瓦块中心点位置这几个参数,对每个云朵的透明度进行修正。
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