CN110222111B

CN110222111B - 一种目标特性数据库可视分析系统

Info

Publication number: CN110222111B
Application number: CN201910461078.6A
Authority: CN
Inventors: 杨武; 陆卫兵; 李思
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: CN110222111A

Abstract

本发明提供了一种目标特性数据库可视分析系统，包括目标特性数据多视图关联可视分析模块、目标与特性融合可视分析模块、页面动态布局模块、多种图表交互方式模块；目标特性数据多视图关联可视分析模块用于将三维视图与二维视图间通过视向角度数据实现双向关联；目标与特性融合可视分析模块用于将目标三维模型与其特性数据融合显示在同一视图中；页面动态布局模块用于根据需要可视化的文件数量分别展现不同的页面布局方案；多种图表交互方式模块用于实现三维模型及其融合显示图形的旋转、缩放，并显示信息。本发明将用户的交互与视图显示密切结合，可实现针对目标特性数据的动态对比分析。

Description

一种目标特性数据库可视分析系统

技术领域

本发明属于计算机数据可视化技术领域，涉及一种目标特性数据库可视分析系统。

背景技术

随着可视化学科的发展，当前可视化技术热点已由数据可视化向数据可视分析转移，关注的对象也拓展至大规模、类型多样、结构复杂、多维构成的复杂数据。国外，尤其是美国，应用在国防中的可视化技术起步早，更新换代快，几乎紧随技术前沿，但国外针对国防军工的先进可视化工具都对我国保密或禁售。

而在国内商业应用领域，受移动互联网时代大数据发展的驱动，近年来大数据可视化应用技术水平迅猛提高。但由于不同领域的业务模式及数据特性各不相同，现有针对商业或社交网络大数据应用的可视化工具并不适合直接应用于目标和环境特性信息。

发明内容

针对目标特性数据库中数据类型多样、结构复杂、数量庞大，传统可视化手段难以有效展现数据丰富信息、缺乏辅助用户进一步挖掘和分析数据内在信息和深层关系的有效手段等问题，本发明基于数据的关联可视化分析和数据融合可视分析研究，提出了一种目标特性数据库可视分析系统。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种目标特性数据库可视分析系统，包括目标特性数据多视图关联可视分析模块、目标与特性融合可视分析模块、页面动态布局模块、多种图表交互方式模块；

所述目标特性数据多视图关联可视分析模块用于将三维视图与二维视图间通过视向角度数据实现双向关联，若发生三维视图的旋转事件，则计算获取当前视线的视向角数据，并在可视化数据中查找对应旋转角度的数据，对二维视图进行更新；若发生二维视图中的选择或设置视向角事件，则由用户设置的视向角，转换为相应的旋转变换矩阵，对三维模型实施旋转变换；

所述目标与特性融合可视分析模块用于将目标三维模型与其特性数据融合显示在同一视图中，首先，通过将RCS值归一化，并映射至球坐标中的半径分量，从而实现RCS数据到空间几何点的映射，并基于俯仰角与方位角参数连接相邻点构成三维面网格模型，在模型视图上叠加显示模型表面电流图像和/或RCS球面色阶图；其次，采用了基于区间统计的比例映射方法实现图像中颜色的均匀分布；并采用颜色融合方法对模型、表面电流图像、RCS网格进行绘制；

页面动态布局模块用于根据需要可视化的文件数量分别展现不同的页面布局方案，通过在当前HTML页面文档中写入可能出现的元素标签及其对应的标识，然后通过控制元素标签的显隐、大小、位置等来实现相应的页面布局；

多种图表交互方式模块用于实现三维模型及其融合显示图形的旋转、缩放，并能够在发生交互事件时显示相应的信息。

进一步的，若发生三维视图的旋转事件时，计算视向角数据的方法为：将当前旋转四元数quaternion转换为直角坐标三维向量(x,y,z)，其中x＝sinθcosφ，y＝sinθsinφ，z＝cosθ；

由以上公式得θ＝arcos(z)，y/x＝tan(φ)；

由公式得φ的值为：

·当x>0且y>0时，φ＝arctan(y/x)；

·当x<0且y<0时，φ＝arctan(y/x)+π；

·当x>0且y<0时，φ＝arctan(y/x)+2π；

·当x<0且y>0时，φ＝arctan(y/x)+π；

·当x>0且y＝0时，φ＝0；当x<0且y＝0时，φ＝π；

·当x＝0且y>0时，φ＝π/2；当x＝0且y<0时，φ＝3π/2；

当x＝0且y＝0时，φ＝0；

若发生二维视图中的选择或设置视向角事件，由视向角驱动三维图像旋转位置方法为：

·计算当前相机位置向量的模长len；

·已知θ、φ由公式x＝sinθcosφ，y＝sinθsinφ，z＝cosθ计算得到x，y，z；

再将x，y，z分别乘上模长len，将得到的(x，y，z)设置为当前相机的位置。

进一步的，所述目标与特性融合可视分析模块还用于实现三维模型及三维数据的加载。

进一步的，所述加载利用Three.js提供的对应的loader属性导入模型文件或利用格式转换器将文件转换保存为JSON格式，利用JSONLoader类，引入该JSON进行解析。

进一步的，所述映射方法采用如下映射函数：

其中，rcs为当前进行映射的RCS值，RCSmax为RCS的最大值。

进一步的，所述颜色融合方法采用如下公式计算：

s＝[s_r，s_g，s_b，s_α] d＝[d_r，d_g，d_b，d_α]

d′＝[b_rs_r+c_rd_r，b_gs_g+c_gd_g，b_bs_b+c_bd_b，b_αs_α+c_αd_α]

其中，b＝[b_r，b_g，b_b，b_α]和c＝[c_r，c_g，c_b，c_α]分别是源融合因子和目标融合因子。

进一步的，所述多种图表交互方式模块用于实现如下功能：折线图或极坐标折线图上发生交互事件时通过提示框显示当前交互位置的数据信息，及当前位置垂直于x轴的直线或从圆心出发经过鼠标位置的射线；色阶图或极坐标色阶图上发生交互事件时通过提示框显示当前交互位置的数据信息；若选择关联可视化，当交互位置移动到二维图像上时，显示对应的角度及其数据的提示框，三维图形旋转到对应的角度，并显示当前视向角，当旋转三维图形时，显示对应的旋转角度，二维图像获取当前角度的数据重新进行绘制，并显示当前视向角数据的提示框。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明将用户的交互与视图显示密切结合，可实现针对目标特性数据的动态对比分析，如目标的各特性指标对比、不同目标的某些特性指标之间的对比等。区别于传统可视化技术的单一展示功能，本发明将用户的交互与视图显示密切结合，有效支持用户对数据的比较和分析。

附图说明

图1为本发明的多视图关联原理示意图。

图2为本实施例中三维视图与一个二维视图关联交互流程。

图3为本实施例中多视图联动交互流程。

图4为本实施例中三维视图交互流程。

图5为本实施例中三维视图的数据加载。

图6为本实施例中导入目标模型的网格显示及面片显示。

图7为本实施例中虚拟跟踪球原理示意图。

图8中的(a)为本实施例中比例映射之前的绘制效果，图8中的(b)为比例映射之后的绘制效果。

图9为本实施例中不同透明度下的融合效果。

图10为本实施例中页面动态布局效果图。

图11为本实施例中三维模型的交互方式示意图。

图12为本实施例中折线图的交互方式示意图。

图13为本实施例中色阶图的交互方式示意图。

图14为本实施例中多视图关联交互方式示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供的目标特性数据库可视分析系统，包括目标特性数据多视图关联可视分析模块、目标与特性融合可视分析模块、页面动态布局模块、多种图表交互方式模块。系统宜采用交互式界面，并采集用户操作数据实现关联可视化分析和数据融合可视分析。

目标特性数据多视图关联可视分析模块实现了以数据为中心的多视图协调技术，构建相互协调的视图组件，并将关系模式对应的数据载入到视图组件，从而实现用户交互改变参数或某一视图时，相关视图实现联动。

本模块将三维视图与二维视图间通过视向角度数据实现双向关联，其中三维视图包括三维模型视图、目标与RCS融合视图、目标表面电流融合视图。二维视图包括目标电磁散射特性的折线图和色阶图等视图，多视图关联原理请参阅图1。如图1所示，用户可通过浏览器登录系统并进行交互操作，浏览器获取交互对象信息，生成交互参数后，实现关联视图的更新。

视图之间通过视向角度数据进行关联，具体请参阅图2。三维视图与二维视图之间的关联优选作为可打开、关闭的功能，可在系统界面中显示未可操作的开关控件，即采用一关联开关，当打开开关时，则将该视图与相对应的二维或三维视图关联。三维视图与二维视图之间的基本交互流程如下：

1)若三维视图中产生旋转事件(例如被鼠标拖拽旋转)，则计算获取当前视线的视向角数据，并在可视化数据中查找对应旋转角度的数据，对二维视图进行更新；

计算视向角数据的方法为：将当前旋转四元数quaternion转换为直角坐标三维向量(x,y,z)，其中x＝sinθcosφ，y＝sinθsinφ，z＝cosθ；

由以上公式得θ＝arcos(z)，y/x＝tan(φ)；

由公式得φ的值为：

·当x>0且y>0时，φ＝arctan(y/x)；

·当x<0且y<0时，φ＝arctan(y/x)+π；

·当x>0且y<0时，φ＝arctan(y/x)+2π；

·当x<0且y>0时，φ＝arctan(y/x)+π；

·当x>0且y＝0时，φ＝0；当x<0且y＝0时，φ＝π；

·当x＝0且y>0时，φ＝π/2；当x＝0且y<0时，φ＝3π/2；

·当x＝0且y＝0时，φ＝0。

2)若在二维视图中发生选择或设置视向角事件，则由用户设置的视向角，转换为相应的旋转变换矩阵，对三维模型实施旋转变换，实现二维图像驱动三维模型的关联可视化。

由视向角θ、φ驱动三维图像旋转位置方法：

·计算当前相机位置向量的模长len；

·再将x，y，z分别乘上模长len，将得到的(x，y，z)设置为当前相机的位置。

进一步，当所有视图都进行关联时，则以视向角为纽带，建立了多视图的同时关联，其基本流程请参阅图3。当用户交互，产生视向角数据的变动，则驱动另外所有的视图同步更新数据显示。模型三维显示视图、点频单站二维视图、点频双站二维视图、扫频单站二维视图之间可相互关联。可以通过打开关联开关启动其与其他视图的关联，任意一个二维视图都有关联开关，当三维视图变化时，只要开启某二维视图的关联开关，对应二维视图就可以关联更新。二维视图的设置发生变化若引起了三维视图的旋转变换，对应的其他打开关联开关的二维视图也会发生变化。

由于目标特性数据格式的多样性，采用了两种二维视图更新方式：针对俯仰视向角与方位视向角均可变的数据源，即在数据中查找对应旋转角度的可视化数据，对数据进行二维曲线绘制；针对俯仰视向角或方位视向角固定的数据源，若二维图像中有对应的角度的数据，则在二维图像上弹出带有二维对应角度数据的提示框。

目标与特性融合可视分析模块实现了将目标三维模型与其特性数据融合显示在同一视图中，并通过交互查看目标特性数据在目标模型上的分布态势和作用情况，迅速建立用户对复杂抽象数据信息的直观感受。针对目标RCS分析、目标表面电流分布等典型应用，研究目标的电磁特性与三维模型的融合可视分析。具体的，本模块基于GPU的目标网格与特性数据融合绘制技术实现。三维可视化视图为系统缺省视图，可交互查看物体三维模型及其相关的特性分布情况。显示的数据包括目标网格模型、目标表面电流文件和点频单站RCS数据。前两者数据自身具有几何结构，对于RCS数据则投影至模型包围球面上，并三角化转换为球面显示。视图交互流程请参阅图4。

具体的，实现方法如下：首先，通过将RCS值归一化，并映射至球坐标中的半径分量，从而实现RCS数据到空间几何点的映射，并基于俯仰角与方位角参数连接相邻点构成三维面网格模型；进一步，采用了基于区间统计的比例映射方法，使用合理的颜色对顶点数据编码，实现图像中颜色的均匀分布。最后，在对模型及RCS网格进行绘制时，为保证两者的同时显示效果，采用半透明融合方法。

系统缺省显示模型三维视图，可实现旋转或放缩等交互操作。

(1)获取用户需可视化的数据，当数据为“表面电流”时，则在目标网格模型上叠加显示模型表面电流图像；若数据为“RCS”时，则在模型视图上叠加显示RCS球面色阶图。可视化数据可以同时为表面电流和RCS，实现三类数据(目标网格模型、目标表面电流文件和点频单站RCS数据)的同时显示。

(2)获取RCS数据并进行可视化后，可调整RCS球面色阶图的透明度，实现更好的融合显示效果。

实现过程：

1)首先，本系统通过两种方式实现目标三维模型及三维数据的加载：

(1)对于STL、OBJ等网格模型文件，通过与数据库接口获取文件后，可直接利用Three.js提供的对应的loader属性，简单高效导入模型文件，其流程如图5所示，导入后的模型如图6所示。

(2)而对于数据库中可能存在的其他曲面模型、CAD模型等复杂模型，则设计实现格式转换器，转换保存为JSON格式，利用JSONLoader类，引入该JSON进行解析。该格式转换器独立可扩展，能够转换更多格式的文件，以适应后续数据库中模型文件格式的增加。

2)基于虚拟跟踪球的三维旋转交互

对模型进行旋转从不同角度进行观察是三维视图中最主要的交互方式，采用虚拟跟踪球旋转实现。虚拟跟踪球的原理请参阅图7，假设在投影面上方有一个半球面，将鼠标光标位置投影至球面上。这样，鼠标光标在平面上的移动就映射为单位球面上点的转动。由图7的右图可知旋转轴是两个鼠标矢量(p₁和p₂)所张成的平面的法向量，所以通过相关运算可得：

相应的旋转轴为：n＝p₁×p₂

旋转角a≈sin a＝|n|

相应的旋转四元数R为：

为了后续的视图联动中，将视线投射方向看作是电磁波入射方向，从而与相应的二维视图产生关联。因此，在对模型进行旋转查看时，必须跟踪反馈此时射线的方位，也即其俯仰角θ和方位角

由于在视图中，当前视线方向始终为z轴负方向，在模型导入时，此时射线视向角为(0，0)。在旋转查看时，当前视线方向经过了旋转变换，因此当前视线所对应的初始射线方向v＝R^-1(0，0，0，1)R。此处运算为四元数乘法。

由射线方向向量v＝(v_x，v_y，v_z)，按如下公式可计算获得相应的俯仰角与方位角：

3)目标特性数据颜色映射技术

采用了基于区间统计的比例映射方法，即对归一化的数值进行区间分段统计，得出大致的数据分布情况，然后再将其比例映射至灰度值区间(0，255)，以实现图像中颜色的均匀分布。对于上例，RCS值可采用如下映射函数，其中rcs为当前进行映射的RCS值，RCSmax为RCS的最大值：

修正灰度值后的融合显示效果请参阅图8(b)，可以看到比较明显的融合效果，细节比丰富。

4)颜色融合技术

当目标的RCS图像、表面电流图像与目标模型叠加绘制时，为了实现较好的可视效果，达到同时查看多种源数据的目的，需要采用颜色融合技术以达到半透明的效果。

该效果可以通过基于RGBA颜色模型的混合技术实现。其中α值取值范围为[0，1]，表示为不透明度。缺省情况下，该项值为1，即颜色完全不透明。引入α通道可以对图像进行混合操作，将要绘制的像素颜色与当前颜色缓冲器中的像素颜色比较，根据如下选择的混合函数，将对象颜色s与当前缓冲器中的颜色d相混合差生一种颜色，达到半透明的效果。具体的融合运算如下：

s＝[s_r，s_g，s_b，s_α] d＝[d_r，d_g，d_b，d_α]

d′＝[b_rs_r+c_rd_r，b_gs_g+c_gd_g，b_bs_b+c_bd_b，b_αs_α+c_αd_α]

注意，在WebGL中激活融合功能时，需要关闭深度缓存的写入功能，否则当同时存在半透明与不透明面片时，会造成消隐结果的错误。另外，进行颜色融合时，不同的渲染顺序会导致不同的结果，因此要求按视点方向有序绘制模型图元，才能得到正确的融合绘制效果。在本方法中，RCS数据以三维球面形式包围在目标模型与表面电流图像外部，因此，只要保证在最后进行RCS数据绘制，即可保证正确的融合效果。请参阅图9，为设置不同的融合因子α下，目标网格模型、表面电流及RCS数据融合显示的效果。

页面动态布局模块实现了根据用户选择可视化数据文件个数的不同，展现不同的页面布局方式。系统主界面由标题区、数据选择区、视图区组成。视图区为目标模型及特性数据可视化的显示区域。页面初始打开时，视图区仅有一块视图。之后，可以根据用户的选择，视图区可以呈现一块视图、两块视图、三块视图或者四块视图，其布局请参阅图10。

实现方式为首先将四个视图标签元素及其标识写入布局中，使用flex布局。然后判断用户选择可视数据文件的个数，通过控制视图的标签元素的显示与隐藏、大小与位置等来实现动态布局。当没有选择可视文件时，让三维视图平铺整个视图区，设置其他三个视图隐藏；当选择一个可视文件时，设置视图1的标签元素为显示，三维视图与视图1的width和height分别为视图区的width和height的一半，并且将这两个视图竖直居中，将视图2与视图3隐藏；当选择两个可视文件时，设置视图1与视图2的标签元素为显示，三维视图与视图1、2的width和height分别为视图区的width和height的一半，将视图2设置在视图区的右下方，视图3为隐藏；当选择三个可视文件时，设置视图1、2、3的标签元素为显示，三维视图与视图1、2、3的width和height分别为视图区的width和height的一半。

多种图表交互方式模块实现了多种交互方式：鼠标拖拽进行旋转、鼠标滚轮进行缩放、鼠标移动显示数据信息提示框、多视图关联交互等。三维模型及其融合显示图形都可以利用鼠标的拖拽与滚轮实现旋转、缩放，还可以显示当前模型旋转角度(请参阅图11)；

折线图(或极坐标折线图)上发生交互事件时(如鼠标移动到其上时)会有提示框显示当前交互位置的数据信息，及当前位置垂直于x轴的直线(或从圆心出发经过交互位置的射线)(请参阅图12)；

色阶图(或极坐标色阶图)上发生交互事件时会有提示框显示当前交互位置的数据信息(请参阅图13)；

若选择关联可视化，当交互位置移动到二维图像上时，会显示对应的角度及其数据的提示框，三维图形旋转到对应的角度，并显示当前视向角。当旋转三维图形时，显示对应的旋转角度，二维图像会获取当前角度的数据重新进行绘制，并显示当前视向角数据的提示框，实现了多视图关联的交互(请参阅图14)。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种目标特性数据库可视分析系统，其特征在于：包括目标特性数据多视图关联可视分析模块、目标与特性融合可视分析模块、页面动态布局模块、多种图表交互方式模块；

若发生三维视图的旋转事件时，计算视向角数据的方法为：将当前旋转四元数quaternion转换为直角坐标三维向量(x,y,z)，其中x＝sinθcosφ，y＝sinθsinφ，z＝cosθ，θ为俯仰角，φ为方位角；

由以上公式得θ＝arcos(z)，y/x＝tan(φ)；

由公式得φ的值为：

·当x>0且y>0时，φ＝arctan(y/x)；

·当x<0且y<0时，φ＝arctan(y/x)+π；

·当x>0且y<0时，φ＝arctan(y/x)+2π；

·当x<0且y>0时，φ＝arctan(y/x)+π；

·当x>0且y＝0时，φ＝0；当x<0且y＝0时，φ＝π；

·当x＝0且y>0时，φ＝π/2；当x＝0且y<0时，φ＝3π/2；

当x＝0且y＝0时，φ＝0；

·计算当前相机位置向量的模长len；

再将x，y，z分别乘上模长len，将得到的(x，y，z)设置为当前相机的位置；

所述目标与特性融合可视分析模块用于将目标三维模型与其特性数据融合显示在同一视图中，首先，通过将RCS值归一化，并映射至球坐标中的半径分量，从而实现RCS数据到空间几何点的映射，并基于俯仰角与方位角参数连接相邻点构成三维面网格模型，在模型视图上叠加显示模型表面电流图像和/或RCS球面色阶图；其次，采用了基于区间统计的比例映射方法实现图像中颜色的均匀分布；并采用颜色融合方法对模型、表面电流图像、RCS网格进行绘制；所述映射方法采用如下映射函数：

其中，rcs为当前进行映射的RCS值，RCSmax为RCS的最大值；

2.根据权利要求1所述的目标特性数据库可视分析系统，其特征在于：所述目标与特性融合可视分析模块还用于实现三维模型及三维数据的加载。

3.根据权利要求2所述的目标特性数据库可视分析系统，其特征在于：所述加载利用Three.js提供的对应的loader属性导入模型文件或利用格式转换器将文件转换保存为JSON格式，利用JSONLoader类，引入该JSON进行解析。

4.根据权利要求1所述的目标特性数据库可视分析系统，其特征在于：所述颜色融合方法采用如下公式计算：

s＝[s_r，s_g，s_b，s_α] d＝[d_r，d_g，d_b，d_α]

d′＝[b_rs_r+c_rd_r，b_gs_g+c_gd_g，b_bs_b+c_bd_b，b_αs_α+c_αd_α]

5.根据权利要求1所述的目标特性数据库可视分析系统，其特征在于：所述多种图表交互方式模块用于实现如下功能：折线图或极坐标折线图上发生交互事件时通过提示框显示当前交互位置的数据信息，及当前位置垂直于x轴的直线或从圆心出发经过鼠标位置的射线；色阶图或极坐标色阶图上发生交互事件时通过提示框显示当前交互位置的数据信息；若选择关联可视化，当交互位置移动到二维图像上时，显示对应的角度及其数据的提示框，三维图形旋转到对应的角度，并显示当前视向角，当旋转三维图形时，显示对应的旋转角度，二维图像获取当前角度的数据重新进行绘制，并显示当前视向角数据的提示框。