CN109087391A - 一种三维场景下的军标标绘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维场景下的军标标绘方法，包括三维点军标符号标绘方法和三维函数军标符号标绘方法；三维点军标符号标绘方法包括以下步骤：步骤S11、二维军标符号的浮雕处理；步骤S12、图像的边缘检测；步骤S13、符号的绘制；三维函数军标符号标绘方法包括以下步骤：步骤S21、算法分析；步骤S22、可变步长区间平均法确定插值点；步骤S23、参数插值步长l的确定；步骤S24、添加高程。本发明基于实体模型和公告板组合技术实时构建三维点军标符号，将二维符号高度抽象化与三维符号的形象化结合，给作战指挥人员无限的想象空间；同时不定长区间平分的三角剖分算法，既保证了节点减少影响曲线的美观，又不影响绘制效率。

Description

一种三维场景下的军标标绘方法

技术领域

本发明涉及一种军标标绘方法，尤其涉及一种三维场景下的军标标绘方法。

背景技术

军队标号是表现部队作战指挥、作战模拟和其他军事相关活动中一种常用的图形符号，根据敌我双方有关军事情况将这些符号和文字标记在电子地图中，形成表示敌我双方的作战态势、战斗队形、首长决心、部队武器装备等一系列与军事活动相关的状态图。现代战场环境构建已经由二维平面地图转为三维虚拟化战场，因此构建一套三维军标符号成为当务之急。

三维军标标绘对于构建三维数字化战场至关重要，三维军标的生成和绘制方法多种多样，没有统一的标准，按照构建方式的不同分为点军标符号和函数军标符号。

目前针对点军标符号的三维军标标绘方法研究，主要有以下两种：一)JimDurbin等人在对美军的战场可视化系统－龙系统的论述中，详细介绍了美军三维军标的标绘方法，该方法采用实体模型和各表面都贴有二维军标纹理的象征立方体相结合来表示三维军标，并用不同的色彩、纹理以及旗帜或者不同的实体模型来区分友军、敌军等不同性质单位。这种方法虽然战术意义明确，可视性好，实现也较为简单，但由于需绘制三维象征立方体模型，再加之军标的数量繁多，需占用大量的内存空间，耗费时间长，实时性差；二)DanHagens等人提出了另外一种军标标绘形式，就是用公告板技术直接在场景中显示二维军标图像。这种方法标绘速度快，占用内存空间少，实时性好，但是这种形式的军标真实感、立体感不强，战术意义不够明确，可视性差。

而函数军标符号尤其需要解决面状军标的填充问题、军标符号与地形匹配的问题。所谓面状军标符号，最典型的当属地域类军标和箭头类军标，目前主要基于三角剖分算法来实现。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种三维场景下的军标标绘方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三维场景下的军标标绘方法，包括三维点军标符号标绘方法和三维函数军标符号标绘方法；

三维点军标符号标绘方法包括以下步骤：

步骤S11、二维军标符号的浮雕处理：使用斜面与浮雕算法将二维军标图片处理生成具有三维军标效果的图像；

步骤S12、图像的边缘检测：取图像左上角象素为背景，颜色值处于背景或军标或军标内部不同颜色部分的分界处的象素即为边界点；

步骤S13、符号的绘制：首先绘制三维模型，其次计算模型与二维军标符号结合处的精确位置，利用公告牌技术绘制二维军标符号，实时计算二维军标符号的位置，确保二维军标符号与三维模型的无缝结合；

三维函数军标符号标绘方法包括以下步骤：

步骤S21、算法分析：在进行三角剖分之前，首先分析箭标光滑曲线边与三角网连线点的关系，箭标左右光滑边经过三角剖分后，保证两边所得到的三角网点个数相等；军标中的光滑曲线用剖分后的三角网点相连的多折线逼近进行转换；

步骤S22、可变步长区间平均法确定插值点：根据光滑Bezier曲线边的控制点进行区间分段，对每段使用不同的插值步长应用区间平均法提取对应该段区间曲线段上的三角网点；

步骤S23、参数插值步长l的确定：按屏幕坐标横向范围和地理坐标横向范围的比例进行计算，对应求得在三维场景中剖分计算所需的插值步长，保证算法与屏幕坐标和地理坐标的一致性；

步骤S24、添加高程：在第三个坐标维度确定三维军标的高度以及生成三维箭标的各个侧面，使之成为三维实体。

三维点军标符号标绘方法步骤S11中浮雕算法的步骤为：遍历二维军标的边界，对任何一个边界点，计算其内法矢量，将其得到的法矢量方向与虚拟光源的光线矢量方向进行比较，以现实世界中物体对光源的亮度反应为依据，对边界点以及沿内法矢量方向给定数目的象素点赋以适当的亮度。

三维函数军标符号标绘方法步骤S22中按照Bezier曲线边控制点的数目分以下三种情况：

(1)三个控制点的情况：此时分三段区间，将特征三角形的顶角夹围的曲率最大的曲线段按照预设的插值步长应用区间平均法提取三角网点，同时曲率最大的曲线段对应的区间将整个曲线区间分为三段，另外两段区间采用相同的比预设步长稍大的插值步长应用区间平均法提取各自曲线段上的三角网点；

(2)四个控制点的情况：对中间两个控制点处变化的两段曲率最大的曲线段采用预设插值步长应用区间平均法提取各自的三角网点，对因此产生的另外三个区间采用相同的比预设步长稍大的提取对应的三角网点：

(3)四个以上控制点的情况：根据Bezier曲线边的方向，从起始点开始对每三个控制点形成的曲率最大的曲线段采用不同的与预设步长差不大的步长提取该段曲线的三角网点，插值步长的大小根据三个控制点依次相连组成的夹角的大小确定，夹角越大插值步长越大，反之越小；对于因此得到的其他区间的插值步长采用略大于与之最近的曲率最大曲线段对应区间插值步长的值。

三维函数军标符号标绘方法步骤S24中添加高程具体包括以下两个步骤：

a、高程的确定以及高程维度方向上顶面的生成：将底面箭标用来构成三角面的所有点坐标：x坐标、y坐标增加z坐标，且这个z坐标的值为三维军标的高程，然后采用和构建底面坐标相同的方式生成三维军标的顶面；

b、三维箭标各侧面的生成：对于上下箭头所形成的侧面，填充上下对应折线段组成的矩形来生成上下箭头所形成的各个侧面；对于上下光滑曲线边形成的侧面，用上下对应三角网点连成的折线段组成的一系列矩形来生成，或者用光滑曲线边为准线，竖直直线为母线的Bezier曲面来生成，最后将箭标的尾部端开口处上下线段组成的矩形封闭组成三维实体箭标。

本发明基于实体模型和公告板组合技术实时构建三维点军标符号，点状符号将二维符号和三维符号进行组合后，不仅具备实体模型的形象化特点，还具备公告牌始终将精灵符号(包括文字)将最合适的一面始终朝向观察者的特点，而且二维符号高度抽象化与三维符号的形象化结合，兼容了理性思维和感性思维两种方式，给作战指挥人员无限的想象空间；同时不定长区间平分的三角剖分算法标绘三维函数军标符号，既保证了节点减少影响曲线的美观，又不影响绘制效率；此外，本发明绘速度快、占用内存空间少，可在GEOVIS5三维军标标绘中实现，结果切实可行，系统运行稳定。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种三维场景下的军标标绘方法，包括三维点军标符号标绘方法和三维函数军标符号标绘方法；

三维点军标符号标绘方法包括以下步骤：

步骤S11、二维军标符号的浮雕处理，使其具有三维效果：使用斜面与浮雕算法将二维军标图片处理生成具有三维军标效果的图像；浮雕算法的步骤为：遍历二维军标的边界，对任何一个边界点，计算其内法矢量，将其得到的法矢量方向与虚拟光源的光线矢量方向进行比较，以现实世界中物体对光源的亮度反应为依据，对边界点以及沿内法矢量方向给定数目的象素点赋以适当的亮度。

步骤S12、图像的边缘检测：取图像左上角象素为背景，颜色值处于背景或军标或军标内部不同颜色部分的分界处的象素即为边界点；这样很容易地遍历图像的边界，还可以减低图像的复杂度。

步骤S13、符号的绘制：首先绘制三维模型，其次计算模型与二维军标符号结合处的精确位置，利用公告牌技术绘制二维军标符号，实时计算二维军标符号的位置，确保二维军标符号与三维模型的无缝结合；

利用实体模型和公告板技术组合的方法实时生成和标绘三维点军标符号，具体操作如下：首先在对二维军标符号增加浮雕处理，使其具有三维效果，之后利用公告板技术在三维场景中构建点军标符号，基于这种方法构建的三维点军标符号，不仅具备实体模型的形象化特点，而且同时具备公告牌始终将精灵符号(包括文字)将最合适的一面始终朝向观察者。二维符号高度抽象化与三维符号的形象化结合，给作战指挥人员无限的想象空间。

函数军标包括线状军标和面状军标。线状符号是长度在地图上依比例尺表示，而宽度不依比例尺表示的符号，任何线状符号都由具有单一特征的线状符号或点状符号组合而成，这种组合要考虑叠置顺序、在基线上布局的偏移量、符号单元的比例关系等。一种符号往往可以通过多种基本符号采用不同的组合方式生成。面状军标是由一个封闭曲线构成军标的轮廓，有时中间含有若干个点军标作为点缀。下面以箭头类军标为例，说明函数军标符号的生成方法：

步骤S21、算法分析：在进行三角剖分之前，首先分析箭标光滑曲线边与三角网连线点的关系，箭标左右光滑边经过三角剖分后，保证两边所得到的三角网点个数相等；军标中的光滑曲线用剖分后的三角网点相连的多折线逼近进行转换；三角网的疏密程度是可以调节的，三角网过密会产生冗余数据，过疏又会导致军标曲线不光滑；由于箭标左右光滑边之间的距离是渐变的，当曲线弯度较大时，会有尖锐的三角形产生，试验发现按照由箭尾到箭颈的顺序构网，从长边向短边构出的三角网形状较为均匀。

步骤S22、可变步长区间平均法确定插值点：采用可变步长区间平均法的基本思想是根据光滑Bezier曲线(应用于二维图形应用程序的数学曲线)边的控制点进行区间分段，对每段使用不同的插值步长应用区间平均法提取对应该段区间曲线段上的三角网点。按照Bezier曲线边控制点的数目分以下三种情况讨论：

(1)三个控制点的情况：此时分三段区间，将特征三角形的顶角夹围的曲率最大的曲线段按照预设的插值步长应用区间平均法提取三角网点，同时曲率最大的曲线段对应的区间将整个曲线区间分为三段，另外两段区间采用相同的比预设步长稍大的插值步长应用区间平均法提取各自曲线段上的三角网点；

(2)四个控制点的情况：对中间两个控制点处变化的两段曲率最大的曲线段采用预设插值步长应用区间平均法提取各自的三角网点，对因此产生的另外三个区间采用相同的比预设步长稍大的提取对应的三角网点：

(3)四个以上控制点的情况：根据Bezier曲线边的方向，从起始点开始对每三个控制点形成的曲率最大的曲线段采用不同的与预设步长差不大的步长提取该段曲线的三角网点，插值步长的大小根据三个控制点依次相连组成的夹角的大小确定，夹角越大插值步长越大，反之越小；对于因此得到的其他区间的插值步长采用略大于与之最近的曲率最大曲线段对应区间插值步长的值。

可变步长区间平均算法根据曲线的弯曲程度分段采用不同的插值步长，可以在很大程度上优化曲线插值点的分布，减少数据冗余，提高插值效率。

步骤S23、参数插值步长l的确定：一般来说，箭头的长度为整个箭身长的1/5-1/6，两个箭耳之间的宽度应该为整个箭头长度的1/2，箭颈宽度应该为两箭耳之间宽度的1/2。不能根据某种固有坐标来定步长，步长太小，构成曲线点太密，计算量大，数据冗余；步长太大，插值点太少，又不能满足构成光滑曲线所需要的点，因此步长要设定的合理可行。在实验过程中箭头的长度随着箭标控制点的变化而变化，根据箭标的几何特点，将箭颈宽度作为步长是可行的。这样确定箭头长度的时候也就确定了步长。但考虑算法中插值步长直接用于在横坐标区间查找分段点，因此直线与曲线的关系，在实验过程中插值步长l一般取箭颈宽度的1/2。对于可变步长区间平均，由控制点形成的曲率较大曲线段的插值步长与l相近，其他步长大于l小于2l。

插值步长l与屏幕上所显示地图的地理坐标范围有关，当这个值在屏幕坐标中满足需求时，在地图上的取值需要经过换算，也就是按屏幕坐标横向范围和地理坐标横向范围的比例进行计算，对应求得在三维场景中剖分计算所需的插值步长，这样就能保证算法与屏幕坐标和地理坐标的一致性。

步骤S24、添加高程：对平面三角剖分得到的箭标添加高程主要包括在第三个坐标维度确定三维军标的高度以及生成三维箭标的各个侧面，使之成为三维实体，具体包括两个步骤：

a)高程的确定以及高程维度方向上顶面的生成：为了使生成的三维箭标几何比例适当，在三维场景中标绘美观，需要确定三维军标的高程。高程既不能太大也不能太小，故一般箭颈宽度作为三维箭标的高程，对于其他动态军标，一般取平面军标的宽度作为高程。

将底面箭标用来构成三角面的所有点坐标(x,y)增加z坐标，且这个z坐标的值为三维军标的高程，然后采用和构建底面坐标相同的方式生成三维军标的顶面；

b)三维箭标各侧面的生成：对于上下箭头所形成的侧面，由于箭头是由折线段组成，故侧面均为矩形，填充上下对应折线段组成的矩形即可生成上下箭头所形成的各个侧面；

对于上下光滑曲线边形成的侧面，用上下对应三角网点连成的折线段组成的一系列矩形来生成，或者用光滑曲线边为准线，竖直直线为母线的Bezier曲面来生成，最后将箭标的尾部端开口处上下线段组成的矩形封闭组成三维实体箭标。

函数军标符号采用面三角剖分算法生成函数军标符号的形状底面，再对生成的平面军标添加高程实现函数军标符号的生成，最后在三维场景中进行标绘。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种三维场景下的军标标绘方法，其特征在于：包括三维点军标符号标绘方法和三维函数军标符号标绘方法；

所述三维点军标符号标绘方法包括以下步骤：

步骤S11、二维军标符号的浮雕处理：使用斜面与浮雕算法将二维军标图片处理生成具有三维军标效果的图像；

步骤S12、图像的边缘检测：取图像左上角象素为背景，颜色值处于背景或军标或军标内部不同颜色部分的分界处的象素即为边界点；

步骤S13、符号的绘制：首先绘制三维模型，其次计算模型与二维军标符号结合处的精确位置，利用公告牌技术绘制二维军标符号，实时计算二维军标符号的位置，确保二维军标符号与三维模型的无缝结合；

所述三维函数军标符号标绘方法包括以下步骤：

步骤S21、算法分析：在进行三角剖分之前，首先分析箭标光滑曲线边与三角网连线点的关系，箭标左右光滑边经过三角剖分后，保证两边所得到的三角网点个数相等；军标中的光滑曲线用剖分后的三角网点相连的多折线逼近进行转换；

步骤S22、可变步长区间平均法确定插值点：根据光滑Bezier曲线边的控制点进行区间分段，对每段使用不同的插值步长应用区间平均法提取对应该段区间曲线段上的三角网点；

步骤S23、参数插值步长l的确定：按屏幕坐标横向范围和地理坐标横向范围的比例进行计算，对应求得在三维场景中剖分计算所需的插值步长，保证算法与屏幕坐标和地理坐标的一致性；

步骤S24、添加高程：在第三个坐标维度确定三维军标的高度以及生成三维箭标的各个侧面，使之成为三维实体。

2.根据权利要求1所述的三维场景下的军标标绘方法，其特征在于：所述三维点军标符号标绘方法步骤S11中浮雕算法的步骤为：遍历二维军标的边界，对任何一个边界点，计算其内法矢量，将其得到的法矢量方向与虚拟光源的光线矢量方向进行比较，以现实世界中物体对光源的亮度反应为依据，对边界点以及沿内法矢量方向给定数目的象素点赋以适当的亮度。

3.根据权利要求1所述的三维场景下的军标标绘方法，其特征在于：所述三维函数军标符号标绘方法步骤S22中按照Bezier曲线边控制点的数目分以下三种情况：

(1)三个控制点的情况：此时分三段区间，将特征三角形的顶角夹围的曲率最大的曲线段按照预设的插值步长应用区间平均法提取三角网点，同时曲率最大的曲线段对应的区间将整个曲线区间分为三段，另外两段区间采用相同的比预设步长稍大的插值步长应用区间平均法提取各自曲线段上的三角网点；

(2)四个控制点的情况：对中间两个控制点处变化的两段曲率最大的曲线段采用预设插值步长应用区间平均法提取各自的三角网点，对因此产生的另外三个区间采用相同的比预设步长稍大的提取对应的三角网点：

(3)四个以上控制点的情况：根据Bezier曲线边的方向，从起始点开始对每三个控制点形成的曲率最大的曲线段采用不同的与预设步长差不大的步长提取该段曲线的三角网点，插值步长的大小根据三个控制点依次相连组成的夹角的大小确定，夹角越大插值步长越大，反之越小；对于因此得到的其他区间的插值步长采用略大于与之最近的曲率最大曲线段对应区间插值步长的值。

4.根据权利要求1所述的三维场景下的军标标绘方法，其特征在于：所述三维函数军标符号标绘方法步骤S24中添加高程具体包括以下两个步骤：

a、高程的确定以及高程维度方向上顶面的生成：将底面箭标用来构成三角面的所有点坐标：x坐标、y坐标增加z坐标，且这个z坐标的值为三维军标的高程，然后采用和构建底面坐标相同的方式生成三维军标的顶面；

b、三维箭标各侧面的生成：对于上下箭头所形成的侧面，填充上下对应折线段组成的矩形来生成上下箭头所形成的各个侧面；对于上下光滑曲线边形成的侧面，用上下对应三角网点连成的折线段组成的一系列矩形来生成，或者用光滑曲线边为准线，竖直直线为母线的Bezier曲面来生成，最后将箭标的尾部端开口处上下线段组成的矩形封闭组成三维实体箭标。