CN111724474B - 一种基于现实增强系统实时绘制船岸距离线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于现实增强系统实时绘制船岸距离线的方法，通过电子海图获取周边的目标物；以目标物的经纬度转换为三维坐标后再转化二维坐标，以目标物轮廓的虚拟线段的两个端点坐标为基点，连接两个端点形成直线线段；以目标船舶为中心建立绘线区，并选择多个代表点作为起点，绘出分别穿过代表点且平行于X轴的校准线，以直线线段与各校准线相交的点作为终点；将起点和终点的二维坐标转换为三维坐标，然后在三维地图进行连线和标注相应的距离值，最后显示在实时三维地图上。本发明通过经纬度、三维坐标及二维坐标之间的相互转换，实现在二维下实时绘制船岸距离线，然后在3D界面中实时显示的效果，为船舶的航行提供了更多安全方式。

Description

一种基于现实增强系统实时绘制船岸距离线的方法

技术领域

本发明涉及智能船舶辅助驾驶领域，具体涉及一种基于现实增强系统实时绘制船岸距离线并在3D地图中显示的方法。

背景技术

智能化是现代船舶发展的趋势，现代船舶在信息感知、通信导航、能效控制、状态监测与故障诊断、遇险预警救助等多个方面都朝向智能化、高效化方向发展。

现有的电子海图可以通过手动选取目标点的方式测量两点间的距离，在实际航行中船舶位置是不断变化的，手动选取两点测得的距离并不能够准确反映两点间的实时距离，且现有距离测量的方式基本都是通过在二维地图上选取目标点来实现的。

而且在二维地图上使用的测量方法在三维界面中并不适用，对于大中型船舶而言，现实航行过程中存在较多的视野盲区，这在二维地图中不能得到表现，而三维地图虽然能够立体呈献出船舶的状态，但又不能实时表示出与岛屿的距离，因此需要一种能够在三维地图中实时表现出船舶与其它目标物之间实际距离的方法，以便能够既提供直观的视觉效果，同时能够实时了解本船当前与岛屿之间距离值。

发明内容

本文发明的目的是提供一种利用经纬度确定的目标物位置通过现实增强系统实时绘制出与本船之间的距离线，并实时显示在三维地图中的方法。

具体地，本发明提供一种基于现实增强系统实时绘制船岸距离线的方法，包括如下步骤：

步骤100，通过目标船舶的电子海图，获取航行路线上预定显示范围内由经纬度信息表示的目标物；

步骤200，将目标物的经纬度转换为三维坐标并绘制出三维地图，将三维地图的三维坐标转化二维坐标，得到目标物的二维坐标图，以表示目标物轮廓的每段虚拟线段的两个端点坐标为基点，连接两个端点形成直线线段；

步骤300，以目标船舶为中心确定一个绘线区，并在目标船舶的外轮廓上选择多个代表点，绘出分别穿过代表点且平行于X轴的校准线，两者的交点作为距离的起点，当直线线段进入绘线区时确认直线线段和交点位置，然后以相应交点作为对应起点的终点；

步骤400，将起点和终点的二维坐标转换为三维坐标，利用三维地图的绘线函数绘制出起点与终点的连线，同时在各连线上标出相应的距离值，然后显示在实时三维地图上。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤200中，将目标物的经纬度转换为三维坐标的过程如下：

步骤210，提取表示所述目标物的轮廓信息的经纬度值，将其中的经度值作为x值，纬度值作为z值；

步骤211，以所述目标物的真实顶点数量为依据建立同样数量的y值，且所有y值统一；

步骤212，依据转换后的x、y、z三维坐标，即可绘制出一个具备所述目标物二维轮廓形状但高度一致的三维目标物。

在本发明的一个实施方式中，在绘制所述三维目标物时，对所述目标物的侧面和顶面采用不同的绘制方法，对侧面采用三角化绘制方法；对顶面采用网格化对象绘制方法。

在本发明的一个实施方式中，所述网格化对象绘制方法为：先创建分格化对象，再注册回调函数，然后设置分格化对象的属性值，最后始绘制多边形，且在结束多边形绘制后删除分格化对象。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤200中，将三维坐标转化二维坐标的过程为：首先删除三维坐标中的y值，然后将三维坐标中的x、z坐标分别对应于二维坐标中的x、y，即得到相应点的二维坐标。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤300中，确定所述绘线区的过程如下：

所述绘线区为矩形平面，所述绘线区的宽度为所述目标船舶的长度，所述绘线区的长度至少是所述目标船舶最小遇险距离的2倍，且所述最小避险距离至少大于所述目标船舶的宽度。

在本发明的一个实施方式中，所述代表点为七个，其中所述目标船舶的船首设置一个，由船首至船尾左右两侧对称且间隔分别设置三个，每条所述校准线同时穿过对称的两个代表点。

在本发明的一个实施方式中，还包括比较步骤，首先创建与所述终点数量对应的存储空间，在每个存储空间内分别存储一个所述起点与对应所述终点的距离值信息，在所述目标船舶的航行过程中，不断遍历所述绘线区内的目标物并计算与其轮廓上所述直线线段的距离，并在相应存储空间对应的新距离值小于原存储的距离值时进行更换。

在本发明的一个实施方式中，所述交点数量是以所述直线线段分别与所述目标船舶左右两侧的所述校准线的交点数量计算的，共8个。

在本发明的一个实施方式中，在所述显示范围内出现多个所述目标物时，重复所述步骤200～400以分别计算出所述直线线段与所述目标船舶的距离值，且所述存储空间内始终保存最短距离值。

本发明利用GPS信息和电子海图，通过经纬度与三维坐标的转换，三维坐标与二维坐标之间的相互转换，实现在二维下实时绘制船岸距离线，然后在3D界面中实时显示的效果，为船舶的靠离泊以及航行安全提供更多方式。通过在3d中显示距离线，使呈献效果更佳，更具真实感。

本发明可实现实时绘制，无需在三维地图上手动选取两点，具备跟随性，实时性，与现有方式相比实时性更强。

附图说明

图1是本发明一个实施方式中绘制船舶与目标物之间距离线的方法步骤示意图；

图2是本发明一个实施方式中三维坐标系转换为二维坐标系的示意图；

图3是本发明一个实施方式的绘线区结构示意图；

图4是本发明一个实施方式的代表点和校准线位置示意图；

图5是本发明一个实施方式的方法执行过程流程框图。

具体实施方式

以下具体说明如何通过已知的经纬度信息，生成三维地图，同时在三维地图中表示出目标船舶与目标物之间实际距离值的过程。

如图1所示，在本发明的一个实施方式中公开一种基于现实增强系统实时绘制船岸距离线的方法，包括如下步骤：

步骤100，通过目标船舶的电子海图，获取航行路线上预定显示范围内由经纬度信息表示的目标物；

其中的电子地图，可以是目标船舶独立安装的，也可以是目标船舶的AIS中包含的，这里的AIS即是指智能船舶的船载AIS系统(船舶自动识别系统)，简称为控制系统或AIS系统，AIS系统本身具备数据处理、存储和计算功能，日常用于目标船舶与岸基及其它智能船舶之间的通讯和数据接收，且自动对外界进行定量分析，利用GPS随时可获取自身及航行路线上其它目标物的经纬度数据。

这里的显示范围可以根据目标船舶需要了解的水面范围自行确定。

本实施方式中的目标物是指固定的岛屿或码头。

步骤200，将目标物的经纬度转换为三维坐标并绘制出三维地图，将三维地图的三维坐标转化二维坐标，得到目标物的二维坐标图，以表示目标物轮廓的虚拟线段的两个端点坐标为基点，连接两个端点形成线段；

根据目标船舶的经纬度数据，从电子海图中可提取距目标船舶显示范围内的目标物的轮廓信息，即该显示范围内的岛屿或码头的经纬度数据。

由于目标物的轮廓是由多个二维点组成的，因此需要将二维点的经纬度数据转换为绘制目标物所需的三维数据。具体操作如下：

步骤210，提取表示所述目标物的轮廓信息的经纬度值，将其中的经度值作为x值，纬度值作为z值；

步骤211，以所述目标物的真实顶点数量为依据建立同样数量的y值，且所有y值统一；

这里y值的取值需要统一，使其保持在同一水平面上，屏幕中心为坐标原点，x轴正方向平行于屏幕水平向右，y轴正方向平行于屏幕竖直向上，z轴正方向垂直于屏幕向外。

转换后的数据绘制出来仍只是平面图，并不具备三维目标物的高度属性，所以需要虚构目标物的顶面顶点数据，例如经转化后的某一顶点数据为(x,y,z)，则相应的虚构的目标物顶面的顶点数据为(x，y+value，z)，每一个真实的顶点数据都对应一个虚拟的顶面顶点数据。value可根据实际绘制情况调整大小，这样就拥有了绘制目标物所需的上下面轮廓的顶点数据。

步骤212，依据转换后的x、y、z三维坐标，即可绘制出一个具备所述目标物二维轮廓形状但高度一致的三维目标物。

在绘制三维目标物时，对目标物的侧面和顶面采用不同的绘制方法，其中，对侧面采用三角化绘制方法；对顶面采用网格化对象绘制方法。

网格化对象绘制方法的具体过程为：先创建分格化对象，再注册回调函数，然后设置分格化对象的属性值，最后始绘制多边形，且在结束多边形绘制后删除分格化对象，即完成目标物顶面的绘制。

将三维坐标转化二维坐标的过程为：首先删除三维坐标中的y值，然后将三维坐标中的x、z坐标分别对应于二维坐标中的x、y，即得到相应点的二维坐标。其中，三维坐标系转换为二维坐标系的过程如图2所示。

若在OpenGL中某一点坐标为(1，2，3)，简化后则为(1，3)，转换到直角坐标系xOy后，该点坐标值为(1，-3)。

由于目标物轮廓是不规则的多边形，其由多个虚拟线段组成，这些虚拟线段是通过对电子海图中提取的经纬度坐标点转换后绘制而成的，故本方案以每个转换后的虚拟线段的两个端点的经纬度坐标点间作一条连接直线，形成直线线段，然后在后续步骤中利用该直线线段。直线线段的绘制说明如下：假设某个目标物轮廓由四个虚拟线段组成，则各虚拟线段相应端点为p1、p2、p3、p4，其中在p1p2、p2p3、p3p4、p4p1之间分别绘制一条直线线段。

步骤300，以目标船舶为中心确定一个绘线区，并在目标船舶的外轮廓上选择多个代表点，绘出分别穿过代表点且平行于X轴的校准线，两者的交点作为距离的起点，当直线线段进入绘线区时确认直线线段和交点位置，然后以相应交点作为对应起点的终点；

如图3所示，绘线区11的宽度W1为目标船舶的长度L2，绘线区11的长度L1是目标船舶1的最小避险距离R的2倍，且最小避险距离R至少大于目标船舶1的宽度W2。

本实施方式中虽然以目标船舶1的最小避险距离来限定R值，但在其它的实施方式中，该R值可随意设置大小，只要大于目标船舶1的宽度W2即可。

如图4所示，代表点12需要能够表现出目标船舶1的外轮廓，同时作为距离线的起点，以获取目标船舶1各处与目标物轮廓的真实距离。因此，本实施方式中将代表点12设置为七个，其中目标船舶1的船首设置一个，由船首至船尾左右两侧对称且间隔分别设置三个，即位于目标船舶1两侧的六个点左右对称，每条校准线L1,L2,L3,L4同时穿过对称的两个代表点12(船首的除外)。

如果目标船舶1的船体尺寸较大或是形状特殊，也可以对代表点12的位置和数量进行适应性调整。此外，绘线区始终以目标船舶为中心，并随目标船舶的转向而同步转向。

在确定距离前，需要确认目标物的直线线段是否进入绘线区，再确认进入的是那一条直线线段，然后确认交点位置及与该交点相交的校准线是那一条，最后再计算相应交点(终点)与对应起点之间的距离值。如果直线线段未在绘线区11则不需要考虑。此外，还可以同时判断该交点是在目标船舶的左侧还是右侧，包括直线线段相对目标船舶的具体角度。

同一时间有多条直线线段进入绘线区时，分别计算相应直线线段的终点，最终显示相应起点与终点之间最短的距离值，即使该距离值位于不同的直线线段中。

步骤400，将起点和终点的二维坐标转换为三维坐标，利用三维地图的绘线函数绘制出起点与终点的连线，同时在各连线上标出相应的距离值，然后显示在实时三维地图上。

将二维坐转换为三维坐标的方法即是前面三维坐标转二维坐标的反向操作，将二维坐标中的x、y代入三维坐标中的x、z,再增加目标物的预设高度y值，即可得到目标物的三维坐标。

此步骤中的三维地图的绘线函数即为OpenGL中的绘线函数。在三维地图上显示距离值，也可以在AIS系统或电子海图中创建一个专用距离显示框，实时显示目标船舶与目标物的距离值。

在本实施方式中，虽然是在目标船舶的船首和侧边选择代表点进行距离测量，但在其它的实施方式中，如果需要测量目标船舶的船尾与目标物的距离，也可以采用上述步骤实现。

进一步地，在本发明的一个实施方式中，可以建立一个比较模块来使目标船舶能够始终显示相对各代表点当前最短的距离值，具体步骤如下：

首先创建存储空间以分别储存与7个代表点(起点)对应的8个有效终点；因为交点数量是以直线线段分别与目标船舶左右两侧的校准线的交点数量计算的，所以共8个。

当有目标物的直线线段进入绘线区时，以该目标物的各直线线段与目标船舶的校准线交点作为终点信息，将8个终点的距离值存入对应的存储空间，随着该目标物与目标船舶的距离改变，随时对相应终点对应的存储空间内的距离值进行更新，此处可以规定只在新的距离值小于原距离值时才进行更新。

当目标物的轮廓有多条直线线段进入绘线区时，分别计算每条直线线段与目标船舶相交的终点距离值，但只将相对各起点最短的距离值写入存储空间。

将AIS系统或电子海图中显示的目标物全部遍历一遍，获取在绘线区内最近的距离线终点坐标，因为坐标点是在直角坐标系中计算出的，绘制时需要在OpenGL坐标系中绘制，故最后需将直角坐标系中的值转换到OpenGL坐标系。

如图5所示，以下以实施例的方式对本方法做进一步说明。

目标船舶在航行过程中，利用船上的AIS系统或电子海图获取GPS信息并解析以得到以本船为中心的周边区域的信息，在显示范围内出现岛屿时，AIS系统或电子海图会利用经纬度信息标出岛屿的位置及轮廓信息；

此时以经纬度信息为基础，将经纬度表示的岛屿先转换为三维岛屿再转化为二维坐标；确定本船上的距离线的起点位置，即代表点的坐标，制作穿过起点的校准线，形成绘线区。然后以绘制岛屿的轮廓线的各虚拟线段的两个端点为基点分别绘制一条连接的直线线段；当目标船舶经过岛屿时，岛屿的各直线线段如进入其绘线区，则会与相应的校准线相交，从而得到距离线的终点坐标。选取相对各起点最短的距离值坐标，将相应二维坐标转换为三维坐标，使获取的终点坐标及起点坐标转换到OpenGL中，并利用OpenGL绘制出每条校准线上终点与起点的连线，同时标上相应的距离值，即可在三维地图中实时显示出目标船舶外轮廓各处与岛屿的实际距离值。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种基于现实增强系统实时绘制船岸距离线的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，通过目标船舶的电子海图，获取航行路线上预定显示范围内由经纬度信息表示的目标物；

步骤200，将目标物的经纬度转换为三维坐标并绘制出三维地图，将三维地图的三维坐标转化二维坐标，得到目标物的二维坐标图，以表示目标物轮廓的每段虚拟线段的两个端点坐标为基点，连接两个端点形成直线线段；

步骤300，以目标船舶为中心确定一个绘线区，并在目标船舶的外轮廓上选择多个代表点，绘出分别穿过代表点且平行于X轴的校准线，两者的交点作为距离的起点，当直线线段进入绘线区时确认直线线段和交点位置，然后以相应交点作为对应起点的终点；

步骤400，将起点和终点的二维坐标转换为三维坐标，利用三维地图的绘线函数绘制出起点与终点的连线，同时在各连线上标出相应的距离值，然后显示在实时三维地图上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤200中，将目标物的经纬度转换为三维坐标的过程如下：

步骤210，提取表示所述目标物的轮廓信息的经纬度值，将其中的经度值作为x值，纬度值作为z值；

步骤211，以所述目标物的真实顶点数量为依据建立同样数量的y值，且所有y值统一；

步骤212，依据转换后的x、y、z三维坐标，即可绘制出一个具备所述目标物二维轮廓形状但高度一致的三维目标物。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

在绘制所述三维目标物时，对所述目标物的侧面和顶面采用不同的绘制方法，对侧面采用三角化绘制方法；对顶面采用网格化对象绘制方法。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述网格化对象绘制方法为：先创建分格化对象，再注册回调函数，然后设置分格化对象的属性值，最后始绘制多边形，且在结束多边形绘制后删除分格化对象。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤200中，将三维坐标转化二维坐标的过程为：首先删除三维坐标中的y值，然后将三维坐标中的x、z坐标分别对应于二维坐标中的x、y，即得到相应点的二维坐标。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤300中，确定所述绘线区的过程如下：

所述绘线区为矩形平面，所述绘线区的宽度为所述目标船舶的长度，所述绘线区的长度至少是所述目标船舶最小遇险距离的2倍，且所述最小避险距离至少大于所述目标船舶的宽度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述代表点为七个，其中所述目标船舶的船首设置一个，由船首至船尾左右两侧对称且间隔分别设置三个，每条所述校准线同时穿过对称的两个代表点。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

还包括比较步骤，首先创建与所述终点数量对应的存储空间，在每个存储空间内分别存储一个所述起点与对应所述终点的距离值信息，在所述目标船舶的航行过程中，不断遍历所述绘线区内的目标物并计算与其轮廓上所述直线线段的距离，并在相应存储空间对应的新距离值小于原存储的距离值时进行更换。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述交点数量是以所述直线线段分别与所述目标船舶左右两侧的所述校准线的交点数量计算的，共8个。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

在所述显示范围内出现多个所述目标物时，重复所述步骤200～400以分别计算出所述直线线段与所述目标船舶的距离值，且所述存储空间内始终保存最短距离值。