CN108646922A - 一种交互式数字地球仪及交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交互式数字地球仪及交互方法。该数字地球仪包括：播放器、高清投影仪、鱼眼镜头、球形屏幕和动作捕捉跟踪器；播放器的输出端与高清投影仪的输入端连接，播放器用于播放世界地势图平面图；高清投影仪位于球形屏幕后方，高清投影仪的投影镜头前固定有鱼眼镜头，高清投影仪用于通过鱼眼镜头将世界地势图平面图投影至球形屏幕上；球形屏幕为四分之一球面的屏幕；动作捕捉跟踪器的输出端连接播放器的输入端，动作捕捉跟踪器用于捕捉用户的手臂动作，播放器还用于根据用户的手臂动作调节世界地势图平面图的播放效果。采用本发明的数字地球仪，成本大幅降低，可用性和普适性更强，利于推广应用。

Description

一种交互式数字地球仪及交互方法

技术领域

本发明涉及数字地球仪领域，特别是涉及一种交互式数字地球仪及交互方法。

背景技术

目前，国内外关于电子地球仪的研究主要集中在利用全息投影技术制作的全息模拟地球仪，例如Orboot地球仪、地理科普模拟演示地球仪、180度全息互动电子地球仪。

(1)Orboot地球仪，是利用AR增强现实技术研制的虚拟地球仪，具有 3D立体动画，真人语音，AR互动三大特色。地球仪以iOS或Android设备为基础，通过AR程序描绘三维立体地球。目前该产品主要用于科普教学。

(2)地理科普模拟演示地球仪，主要有两款产品，一是大型下悬浮地球仪，利用电磁斥力将球体悬浮于空中并进行导向，实现球体与底座间的无机械接触，且使球体匀速旋转。大型下悬浮地球仪适用于科技馆、少年宫、科学宫、青少年活动中心、自然博物馆、学校、展厅等。二是智能互动地球仪，声光电互动产品，受众通过触摸旋转球体的方式认识地球动态的演变。它把地球表面投影到圆形球面上，把大陆历史变迁做为它的主要特征，能演示几百种不同的地球状态，如：大陆漂移，气候变化等。智能互动地球仪并不是简单地改变了地球仪，而是使地球仪具有生动形象的特征，如各种行星图文互换，月亮、太阳、火星和其它星球都能投影到地球上，也是适用于现代科技馆、天文馆、自然地理馆等的高科技声光电产品。

(3)180度全息互动电子地球仪，该地球仪由180度全息互动触控球面投影屏幕、高清投影仪、触屏控制元件等构成。图片清晰可交互，占地空间小，适合科普展览使用。

上述提到的地球仪普遍存在两个问题，第一包含的地理信息量少，大部分用于科普演示；第二价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种交互式数字地球仪及交互方法，以降低交互式数字地球仪的成本，提高交互式数字地球仪的成像精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种交互式数字地球仪，所述数字地球仪包括：播放器、高清投影仪、鱼眼镜头、球形屏幕和动作捕捉跟踪器；

所述播放器的输出端与所述高清投影仪的输入端连接，所述播放器用于播放世界地势图平面图；

所述高清投影仪位于所述球形屏幕后方，所述高清投影仪的投影镜头前固定有所述鱼眼镜头，所述高清投影仪用于通过所述鱼眼镜头将所述世界地势图平面图投影至所述球形屏幕上；

所述球形屏幕为四分之一球面的屏幕，所述球形屏幕与屏幕后方的竖直面和屏幕下方的水平面构成四分之一球体，所述竖直面为所述球面竖直方向的半径所在的平面，所述水平面为所述球面水平方向的半径所在的平面；

所述动作捕捉跟踪器的输出端连接所述播放器的输入端，所述动作捕捉跟踪器用于捕捉用户的手臂动作，所述播放器还用于根据所述用户的手臂动作调节所述世界地势图平面图的播放效果。

可选的，所述世界地势图平面图基于WGS84坐标系。

可选的，所述鱼眼镜头与所述水平面的夹角为20度～30度。

可选的，所述球形屏幕的外表面为亚克力磨砂面，且在所述球形屏幕的外表面刷有投影漆，所述球形屏幕的半径为1.1米。

可选的，所述高清投影仪的尾部距离所述球形屏幕后方的竖直面0.6米。

可选的，所述球形屏幕下方的水平面上具有防反光涂层。

本发明还提供一种交互方法，所述交互方法应用于上述的交互式数字地球仪，所述交互方法包括：

获取动作捕捉跟踪器采集的用户的手臂动作；

根据所述手臂动作确定用户的滑动方向与滑动角度；

根据所述用户的滑动方向与滑动角度，调节播放器中世界地势图平面图的滚动方向与滚动角度。

可选的，所述获取动作捕捉跟踪器采集的用户的手臂动作，之前还包括：

获取世界地理数据，所述世界地理数据包括：全球百万数据、多比例尺矢量数据、多分辨率遥感影像数据、地形晕渲数据、地名地址数据；

以所述全球百万数据为基础数据，以WGS84坐标系为平面图坐标系，通过图层叠加的方式将所述多比例尺矢量数据、所述多分辨率遥感影像数据、所述地形晕渲数据、所述地名地址数据叠加在所述基础数据上，生成所述世界地势图平面图；

获取所述播放器的播放参数，所述播放参数包括滚动速度和滚动模式；

根据所述播放参数播放所述世界地势图平面图。

可选的，所述滚动速度为49.4像素/秒，所述滚动模式为平滑滚动模式。

可选的，所述生成所述世界地势图平面图，之后还包括：

根据模型Φ＝k₁L+k₂p+k₃S+k₄d+k₅α+k₆w+k₇b+k₈c+k₉v调节各个加权参数的数值，其中Φ为球形屏幕的投影效果，L为所述球形屏幕的投影图像的尺寸，p为计算机分辨率，S为所述球形屏幕的面积，d为高清投影仪的尾部与所述球形屏幕后方的竖直面之间的距离，α为鱼眼镜头和水平面的夹角，w 为投影图像的标注字体，b为所述标注字体的尺寸，c为所述标注字体的颜色， v为所述交互式数字地球仪的转速，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉为对应加权参数的权重。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明的交互式投影数字地球仪，综合全球百万数据、多比例尺矢量数据、多分辨率遥感影像数据、地形晕渲数据、地名地址数据以及有关综合信息，数据内容丰富，不但可用于科普展示，因其详实的地理信息使其具有很高的实用价值。本发明通过集成球形屏幕、高清投影仪、鱼眼镜头以及人体的动作捕捉跟踪器，自主开发地图交互控制程序，成本大幅降低，可用性和普适性更强，利于推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明交互式数字地球仪的结构示意图；

图2为本发明交互式数字地球仪中平面图通过鱼眼镜头投影到球形屏幕的示意图；

图3为本发明交互方法的流程示意图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明通过集成球面展示地图、球形屏幕、投影仪、投影控制软件、人体动作捕捉跟踪器、遥控器，设计制作了我国首台交互式内投影数字地球仪，利用多媒体技术和声光电技术展现自西向东自转形态下的北半球，用于地理信息成果大场景可视化展示。该地球仪标绘了南纬15度至北纬90度的地理信息，包括亚洲、欧洲、非洲、北美洲以及南美洲的洲界、大洋、中国的国界、部分岛屿和岛礁、地图范围内的其他国界、未定国界、地区界和停火线，部分国家的首都和大城市等信息。采用数字高程模型数据晕渲的手段生成的地形数据不仅覆盖全球陆地区域，还增加了海底地形。该地球仪具有轻量级、内存消耗小、易于部署、不依赖其他插件的特点，亮度5000到12000流明，分辨率1920 乘1200dpi，可无人值守状态下持续巡航使用时间20天以上，地球自转平滑，视觉观感良好。

图1为本发明交互式数字地球仪的结构示意图。如图1所示，所述数字地球仪包括：播放器1、高清投影仪2、鱼眼镜头3、球形屏幕4和动作捕捉跟踪器5；

所述播放器1的输出端与所述高清投影仪2的输入端连接，所述播放器1 用于播放世界地势图平面图；

所述高清投影仪2位于所述球形屏幕4后方。使用高清投影仪2可以真实的还原地图本身的清晰度，让观众获取高清晰的视觉感受。高清投影仪2在布设时，要保证高清投影仪2的尾部距离球形屏幕4后平面0.6米，即距离球形屏幕4后方的竖直面0.6米。所述高清投影仪2的投影镜头前固定有所述鱼眼镜头3，所述高清投影仪2用于通过所述鱼眼镜头3将所述世界地势图平面图投影至所述球形屏幕4上。鱼眼镜头3属于超广角镜头，拥有视角接近180°的镜头，能够保证投影后的地图铺满整个球形屏幕4。经过反复试验测试，鱼眼镜头3和水平面夹角应该控制在20°～30°之间，可以获得最佳的投影效果。

所述球形屏幕4为四分之一球面的屏幕，所述球形屏幕4与屏幕后方的竖直面和屏幕下方的水平面构成四分之一球体，所述竖直面为所述球面竖直方向的半径所在的平面，所述水平面为所述球面水平方向的半径所在的平面。球形屏幕4采用亚克力磨砂面，外刷投影漆，球形屏幕4的半径为1.1米，作为地球仪的展示层。所述球形屏幕4下方的水平面上还设置有防反光涂层。

所述动作捕捉跟踪器5的输出端连接所述播放器1的输入端，所述动作捕捉跟踪器5用于捕捉用户的手臂动作，所述播放器1还用于根据所述用户的手臂动作调节所述世界地势图平面图的播放效果。

图2为本发明交互式数字地球仪中平面图通过鱼眼镜头投影到球形屏幕的示意图。如图2所示，利用鱼眼镜头接近180°的视角使地图铺满球形屏幕。本发明巧妙的利用“平面到球面的投影模式”，通过鱼眼镜头将平面图自然拉伸投射到球面上，相比于其他“球面到球面”、“椭球面到球面”的投影模式，这种模式确保了地图形变较小，实现了地图从平面到立体的较为精确转换，解决了地图投影不合适造成的反投影后地图变形问题。

图3为本发明交互方法的流程示意图。所述交互方法应用于上述的交互式数字地球仪，如图3所示，所述交互方法包括：

步骤100：获取动作捕捉跟踪器采集的用户的手臂动作。

步骤200：根据手臂动作确定用户的滑动方向与滑动角度。

步骤300：根据用户的滑动方向与滑动角度，调节播放器中世界地势图平面图的滚动方向与滚动角度。

其中，步骤100之前还包括构建世界地势图平面图和播放世界地势图平面图的过程，具体如下：

获取世界地理数据，所述世界地理数据包括：全球百万数据、多比例尺矢量数据、多分辨率遥感影像数据、地形晕渲数据、地名地址数据；

以所述全球百万数据为基础数据，以WGS84坐标系为平面图坐标系，通过图层叠加的方式将所述多比例尺矢量数据、所述多分辨率遥感影像数据、所述地形晕渲数据、所述地名地址数据叠加在所述基础数据上，生成所述世界地势图平面图；

获取所述播放器的播放参数，所述播放参数包括滚动速度和滚动模式，滚动速度为49.4像素/秒，所述滚动模式为平滑滚动模式；

根据所述播放参数播放所述世界地势图平面图。

本发明选择WGS84坐标系作为制作地图的坐标系，是因为WGS84坐标系是面向全球的质心坐标系，逼近整个地球表面，适用于全球范围内的地图表达。在开启电子地球仪时，将WGS84坐标系下的平面图通过鱼眼镜头投影到 1/4球面上。

具体的，生成所述世界地势图平面图之后，根据模型Φ＝k₁L+k₂p+k₃S+k₄d+k₅α+k₆w+k₇b+k₈c+k₉v调节各个加权参数的数值，以调节地球仪的显示效果。其中Φ为球形屏幕的投影效果，L为所述球形屏幕的投影图像的尺寸，p为计算机分辨率，S为所述球形屏幕的面积，d为高清投影仪的尾部与所述球形屏幕前方的竖直面之间的距离，α为鱼眼镜头和水平面的夹角，w为投影图像的标注字体，b为所述标注字体的尺寸，c为所述标注字体的颜色，v为所述交互式数字地球仪的转速，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、 k₇、k₈、k₉为对应加权参数的权重。

本发明解决了现有技术中的以下问题：

(1)地图投影参数不匹配造成的反投影后地图变形问题；

(2)地图、投影像素映射不一致造成的影像模糊问题；

(3)小空间大场景地图人机交互和长续航平滑运转问题。

针对上述问题，从三个角度更加全面的理解本发明的技术方案。

(1)针对地图投影不合适造成的反投影后地图变形问题，本发明通过叠加世界地理数据(包括全球百万数据为基础数据、多比例尺矢量数据、多分辨率遥感影像数据、地形晕渲数据、地名地址数据等多种数据)制作了WGS84 坐标系下的世界地势图平面图，通过视角接近180度的鱼眼镜头将平面图投影到球形屏幕，大幅度降低了地图变形问题。全球百万数据是公开数据，从网上可以下载；多比例尺矢量数据是根据制图需要，存储的非涉密矢量数据；多分辨率遥感影像数据是从国外公开版的遥感数据(例如google的数据)和现在能获取到的我国的遥感卫星影像；地形晕渲数据，是利用非涉密DEM数据，生成的陆地和海底地形数据；地名地址数据根据世界行政区划和我国政治主张，利用数据库中已有的地名地址数据，抽取生成。

(2)针对地图、投影像素映射不一致造成的影像模糊问题，经过反复试验对比，设计了由地图展示尺寸L(即球形屏幕的投影图像的尺寸)(长宽单位像素)、计算机分辨率p、球形屏幕的面积S、高清投影仪与球形屏幕相对位置d、鱼眼镜头和水平面夹角α、标注字体w、标注字体大小b、标注字体颜色c、地球仪转速v9种要素组成的地图展示效果模型Φ＝k₁L+k₂p+k₃S+k₄d+k₅α+k₆w+k₇b+k₈c+k₉v。在地图播放过程中，充分考虑地图的拉伸变形问题，通过模型定制参数，微调各个加权参数的数值，保证了投影后的地图铺满整个球形屏幕，同时地图底图和文字注记清晰，可视化效果好。

(3)研制了地图交互方法。通过该方法实现了展示地图的平滑滚动，动作捕捉跟踪器信号捕捉和翻译，遥控器信号捕捉和翻译，以及地图的尺寸控制等功能。利用动作捕捉跟踪器，捕捉观众的手臂动作，并将信号传入地图交互控制程序，控制地球仪停止、向左转或者向右转。为了避免地图播放过程中的“卡顿问题”以及运转过快或过慢造成的眩晕感，以达到逼真的地球自转形态，本发明采取了两个措施：一是经过反复试验，将地球仪的运转速度限定在49.4 像素/秒，效果最佳；二是将播放器的播放模式设置为平滑滚动。动作捕捉跟踪器采用了微软体感开源设备Kinect，在设计开发时，只捕捉处在地球仪正前方的观众的动作，避免了人数较多时造成动作识别错乱。同时地球仪的转动动作还可以通过遥控器控制。整个地球仪中地图的播放展示，依托于部署在后台计算机上的地图播放器程序，程序基于JavaScript开发，具有轻量级、内存消耗小、易于部署、不依赖其他插件的特点，在普通浏览器中即可演示运行，这样的设计对于交互式内投影地球仪的长时间运行具有重要意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种交互式数字地球仪，其特征在于，所述数字地球仪包括：播放器、高清投影仪、鱼眼镜头、球形屏幕和动作捕捉跟踪器；

所述播放器的输出端与所述高清投影仪的输入端连接，所述播放器用于播放世界地势图平面图；

所述高清投影仪位于所述球形屏幕后方，所述高清投影仪的投影镜头前固定有所述鱼眼镜头，所述高清投影仪用于通过所述鱼眼镜头将所述世界地势图平面图投影至所述球形屏幕上；

所述球形屏幕为四分之一球面的屏幕，所述球形屏幕与屏幕后方的竖直面和屏幕下方的水平面构成四分之一球体，所述竖直面为所述球面竖直方向的半径所在的平面，所述水平面为所述球面水平方向的半径所在的平面；

所述动作捕捉跟踪器的输出端连接所述播放器的输入端，所述动作捕捉跟踪器用于捕捉用户的手臂动作，所述播放器还用于根据所述用户的手臂动作调节所述世界地势图平面图的播放效果。

2.根据权利要求1所述的数字地球仪，其特征在于，所述世界地势图平面图基于WGS84坐标系。

3.根据权利要求1所述的数字地球仪，其特征在于，所述鱼眼镜头与所述水平面的夹角为20度～30度。

4.根据权利要求1所述的数字地球仪，其特征在于，所述球形屏幕的外表面为亚克力磨砂面，且在所述球形屏幕的外表面刷有投影漆，所述球形屏幕的半径为1.1米。

5.根据权利要求4所述的数字地球仪，其特征在于，所述高清投影仪的尾部距离所述球形屏幕后方的竖直面0.6米。

6.根据权利要求1所述的数字地球仪，其特征在于，所述球形屏幕下方的水平面上具有防反光涂层。

7.一种交互方法，其特征在于，所述交互方法应用于权利要求1-5所述的交互式数字地球仪，所述交互方法包括：

获取动作捕捉跟踪器采集的用户的手臂动作；

根据所述手臂动作确定用户的滑动方向与滑动角度；

根据所述用户的滑动方向与滑动角度，调节播放器中世界地势图平面图的滚动方向与滚动角度。

8.根据权利要求7所述的交互方法，其特征在于，所述获取动作捕捉跟踪器采集的用户的手臂动作，之前还包括：

获取世界地理数据，所述世界地理数据包括：全球百万数据、多比例尺矢量数据、多分辨率遥感影像数据、地形晕渲数据、地名地址数据；

以所述全球百万数据为基础数据，以WGS84坐标系为平面图坐标系，通过图层叠加的方式将所述多比例尺矢量数据、所述多分辨率遥感影像数据、所述地形晕渲数据、所述地名地址数据叠加在所述基础数据上，生成所述世界地势图平面图；

获取所述播放器的播放参数，所述播放参数包括滚动速度和滚动模式；

根据所述播放参数播放所述世界地势图平面图。

9.根据权利要求8所述的交互方法，其特征在于，所述滚动速度为49.4像素/秒，所述滚动模式为平滑滚动模式。

10.根据权利要求8所述的交互方法，其特征在于，所述生成所述世界地势图平面图，之后还包括：

根据模型Φ＝k₁L+k₂p+k₃S+k₄d+k₅α+k₆w+k₇b+k₈c+k₉v调节各个加权参数的数值，其中Φ为球形屏幕的投影效果，L为所述球形屏幕的投影图像的尺寸，p为计算机分辨率，S为所述球形屏幕的面积，d为高清投影仪的尾部与所述球形屏幕后方的竖直面之间的距离，α为鱼眼镜头和水平面的夹角，w为投影图像的标注字体，b为所述标注字体的尺寸，c为所述标注字体的颜色，v为所述交互式数字地球仪的转速，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆、k₇、k₈、k₉为对应加权参数的权重。