CN112634446B - 一种基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法 - Google Patents

一种基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，首先基于OSG的三维场景构建：对基础地理数据和地物模型数据进行预处理，构建三维场景地貌并生成三维场景地物，基于OSG生成的三维场景数据采用自顶向下、分层的树状数据结构来组织空间数据集；然后将OSG三维场景数据转换为其他引擎数据格式，包括FBS引擎进行数据格式转换和VRForce引擎进行数据格式转换；根据不同的引擎设置对应的数据格式和数据转换模块，完成对应引擎的三维场景数据转换。本发明可实现三维场景数据在不同引擎下的快速复用，加快项目建设的同时，还能确保联演联训时各分系统三维场景数据空间一致。

Description

一种基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法
技术领域
本发明属于三维场景数据建设领域，特别是一种基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法。
背景技术
三维场景数据建设是虚拟战场环境数据建设的重要环节，是训练仿真的基础数据支撑。随着部队对训练仿真需求的日益增加，构建高逼真的三维战场环境也变得尤为重要。
当前由于项目背景和技术体制问题，不同系统和单位所使用的三维仿真引擎各不相同。各仿真引擎所支持的三维场景数据结构差异大，基于某一仿真引擎生成的三维场景数据无法复用到其他引擎，各模拟训练分中心不得不重复建设三维场景数据，尤其针对大规模场景进行重构时，海量数据难以在短时间内完成复现，严重影响模拟训练中心联演联训开展。归纳为以下两大问题：
1)数据重复建设，延长了项目开发周期；
2)联演联训时各分系统的三维场景数据空间不一致，无法进行交互仿真。
目前，针对上述问题仍然没有很好的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，以实现三维场景数据在不同引擎下的快速复用，加快项目建设的同时，还能确保联演联训时各分系统三维场景数据空间一致。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，包括以下步骤：
步骤1、基于OSG的三维场景构建
对基础地理数据和地物模型数据进行预处理，构建三维场景地貌并生成三维场景地物，基于OSG生成的三维场景数据采用自顶向下、分层的树状数据结构来组织空间数据集；
步骤2、将OSG三维场景数据转换为其他引擎数据格式，包括：
1)针对FBS引擎进行数据格式转换；
2)针对VRForce引擎进行数据格式转换；
根据不同引擎对应的数据格式设计数据转换模块，完成对应引擎的三维场景数据转换。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)基于OSG开源引擎的场景数据组织形式，构建三维场景与地物地貌之间的节点关系，并实现对该三维场景数据进行保存、调用和转换，使不同训练基地的参训人员可根据软件部署情况，灵活地选择仿真演训引擎平台，对已建成的三维场景数据进行合理高效地利用，有助于实现异构系统互联互动仿真。
(2)基于OSG开发了三维场景地物生成模块和三维地貌构建模块，实现了对传统多源地理数据和模型数据的三维可视化整合，并可对输出数据结构进行自定义，快速高效地解决了多引擎三维场景数据不一致的问题，避免了场景重复性构建工作，极大提高了效率，缩短了训练准备时间。
(3)基于时空一致性的FBS、VRForce等军事仿真引擎三维场景数据的转换方法。根据场景中地物模型属性(大小、位置、形状和名称)、地貌数据组织形式、纹理贴图数据格式，采用算法进行数据组织形式的转换，并基于引擎提供的二次开发接口进行功能拓展，实现多引擎之间三维场景数据自动化移植。
附图说明
图1为FBS三场场景数据组织形式图。
图2为FBS规范文件结构图。
图3为FBS数据转换模块设计流程图。
图4为VRForce三维场景数据组织结构图。
图5为VRforce转换模块总体结构图。
图6为VRForce数据转换算法流程图。
图7为横向判断示意图。
图8为三维场景数据转换验证图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
本发明的一种基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，包括以下步骤：
步骤1、基于OSG的三维场景构建
1.1、三维场景基础数据预处理：
三维场景基础数据主要包含基础地理数据和地物模型数据。
(a)基础地理数据预处理
基础地理数据主要指不同渠道获取的高程数据(ASC、DTED、DEM)、影像数据、矢量数据(含数字特征分析数据(DFAD))，用来表征各种要素的空间信息：既包含地物的位置、区域分布，也包含地貌的土质类型、高度海拔，是三维场景构成的基础和参考依据。
数据预处理主要包含：
(1)高程数据：坐标配准、数据裁剪、高度差值调整；
(2)影像数据：坐标配准、数据融合、数据裁剪、除云；
(3)矢量数据：坐标配准、数据裁剪、属性表校正。
(b)基础模型数据预处理
不同仿真引擎所支持的模型数据格式各不相同，为了更好将地物模型适配到各引擎中，需要将地物模型数据做预处理。主要预处理过程为：地物模型格式统一转换为fbx格式，规范模型坐标系、模型中心坐标点归零。
1.2、三维场景地貌构建：
三维场景地貌构建包含三维地形建模和地表纹理映射两部分。
三维地形建模主要通过三维地形建模软件(例如worldmachine\worldcreator等)进行构建。首先，导入基础地理数据，以基础地理数据中的高程数据为建模依据，结合矢量数据(重点是路基、河床等属性数据)，对高程数据进行侵蚀、平滑、锐化、沉积等计算，完成复杂地形刻画，生成高精度高程数据；同时，根据高程数据的坡度、朝向、光照角度等参数信息，调用贴图库中的纹理贴图，完成地表纹理映射。然后，将上述生成的高程数据、纹理贴图数据以及前期准备的影像数据导入OSG地形系统，基于osgdem将这些数据转换为分页的地形数据，最终完成三维场景地貌构建。
1.3、三维场景地物生成：
三维场景地物包含人工地物(居民建筑、公共设施、道路等)和非人工地物(植被、水系等)两种，是整个战场环境中除去三维场景地貌之外的静态可视化模型要素。三维场景地物以二维矢量数据(人工建筑设施、道路、植被、河流等)为生成依据，利用OSG地形系统自带的模型批量部署功能，进行建筑、植被的批量放置，采用道路制作工具进行主要干道的生成，利用水体建模工具进行水系构建。从而能完成三维场景地物生成。
1.4、构件三维场景数据组织形式：
基于OSG生成的三维场景数据采用自顶向下、分层的树状数据结构来组织空间数据集，包含3大基本类节点：根节点、叶节点和组节点。场景图形树结构的顶部是一个根节点，从根节点向下延伸，各个组节点中均包含了几何信息和用于控制其外观的渲染状态信息。根节点和各个组节点都可以有零个(有零个子成员的组节点事实上没有执行任何操作)或多个子成员。在场景图形的最底部，各个叶节点包含了构成场景中物体的实际几何信息。
数据组织分以下几个步骤：
1)在(1.2)三维场景地貌构建过程中，首先创建地形节点，同时创建第一层TileKey瓦片模型(TileKey瓦片包含了模型的空间信息，以四叉树形式被组织)，并读取影像和高程，最终创建出场景根节点[SceneRoot]；
2)在(1.3)三维场景地物生成过程中，创建了第二层，地物要素叶节点[SceneCell]；
3)创建地物要素组节点[ScOGroup]和地貌组节点[ScTGroup]，将场景节点加载至场景树，完成三维场景数据的组织过程。
上述节点描述如表1所示。
表1三维场景数据节点描述
步骤2、将OSG三维场景数据转换为其他引擎数据格式
步骤1主要描述了基于OSG生成三维场景数据的过程，并阐述了基于OSG的三维场景数据组织方式。下面将对上述生成的三维场景数据进行格式转换，针对不同引擎需求，采用不同的数据转换方法进行多引擎之间三维场景数据适配。
2.1、A、针对FBS引擎进行数据格式转换：
A1：设置FBS引擎数据格式：
FBS引擎中三维场景数据含地形数据、模型数据、场景配置文件、引擎入口数据文件。
(1)地形数据：
地形数据是构成三维场景地貌的基础数据，可根据场景范围进行数据切割(包含单图幅和多图幅)，主要包含地形高程数据和地图纹理数据，其中地图纹理数据包含影像瓦片、地表贴图以及地表贴图材质文件等；
(2)模型数据：
模型数据是三维场景地物生成的基础数据，包含组成场景的静态物模型、模型贴图、材质文件、模型属性配置文件；
(3)场景配置文件：
场景配置文件主要为三维场景配置场景属性(地表材质属性)、初始气象、地表杂物种类\密度等信息；
(4)引擎入口数据文件：
引擎入口数据文件记录了三场场景的全要素信息，是将三维场景数据加载到引擎的入口。
三维场景数据组织形式参见图1。
A2、设计FBS数据转换模块，FBS数据转换模块设计流程如图3所示，具体步骤如下：
(1)按照FBS引擎规范的三维场景数据文件存放层次结构，建立相应的存放文件夹。在场景工程目录下包含data和models两个主要文件夹，data文件夹下存放layers文件夹(包含影像瓦片、材质贴图、材质文件等)，models文件夹里存放场景中所有地物模型。FBS规范文件结构参见图2；
(2)采用数据转换工具(基于OSG进行二次开发)对(1.4)三维场景数据组织进行格式转换。通过地形分割(MapSp)、模型信息添加(ModelT)、贴图转换(PAACreator)、模型格式转换(P3DModelChange)、场景文件生成(TerWrpCreator)等功能转换模块，生成符合FBS规范的三维场景数据文件，包含地形数据、模型数据、贴图数据、场景配置文件以及引擎加载入口文件等。
(3)通过加密压缩工具Pbopacker(符合FBS规范)将上述三维场景数据加密并压缩；
(4)生成可以加载到FBS引擎的三维场景数据包。
B、针对VRForce引擎进行数据格式转换
B1：设置VRForce数据格式：
VRForce中三维场景数据主要由DTED、DFAD、影像数据、纹理数据以及模型数据等经过VRForce内嵌的MultigenCreator工具进行处理集成并完成资源配置，生成贴图(rgb)、配置属性信息(attr、int、txt)、模型(flt)等文件，并由Master总结点组织。三维场景数据组织结构参见图4。
B2、设计VRForce数据转换模块
基于OpenFlight模块，采用面向对象的设计思路对场景数据转换进行模块化设计，并以动态库的形式进行封装。所设计的转换模块包含地形数据调度、Master节点调度、模型转换调度、坐标系节点调度及纹理调度五个接口。转换模块总体结构如图5所示。场景数据转换步骤如下：
(1)首先调用纹理调度接口，确定纹理映射实体并对位置进行关联。实现纹理信息的准确映射；
(2)调用坐标系节点调度接口，链接ScOGroup：CoordinateSystemNode，进行地物要素组坐标信息转换；
(3)调用地形数据调度接口，读取ScTGroup四叉树并进行地形网格转化，将规则格网转成不规则格网(该过程的详细算法见下面VRforce数据转换过程)；
(4)调用模型转换调度接口，进行模型数据格式转换；
(5)调用Master节点调度接口，构建Master节点资源索引目录；
(6)完成三维场景数据转换。
VRforce引擎三维场景数据的转换流程参见图6。
其中进行VRForce数据转换，包括以下步骤：
VRForce数据转换核心算法在于：如何将地貌信息从规则四叉树组织形式转换成不规则离散三角面网络，其关键点是对多边形顶点进行判断、删除、整合。
多边形顶点判断主要包含平面判断与横纵判断。主要步骤如下：
(1)平面判断
Ai，j表示高程值，i，j表示坐标。则可用如下算法进行平面判断：
1)A0，0、A0，M、AN，0、AN，M为保留的4个顶点；
2)针对4条边界的判断：
if(A0，j＝＝(A0，j-1+A0，j+1)/2)删除A0，j；其中0<j<n；
if(Am，j＝＝(Am，j-1+Am，j+1)/2)删除Am，j；其中0<j<n；
if(Ai，0＝＝(Ai-1，0+Ai+1，0)/2)删除Ai，0；其中0<i<m；
if(Ai，n＝＝(Ai-1，n+Ai+1，n)/2)删除Ai，n；其中0<i<m；
3)对中间区域点进行判断：
if((Ai，j＝＝(Ai-1，j+Ai+1，j)/2)&&(Ai，j-1+Ai，j+i)/2)删除Ai，j；其中0<i<m，0<j<n。
经过上述判断生成新矩阵，如下表所示。
(2)横纵判断
针对上述判断生成的新矩阵，将矩阵中的点进行连接成直线并筛选出横向或纵向上存在多于2个点的直线。令直线起始点为Ai，j，待计算点为Ai+m+1，j，则存在线段Ai，jAi+m+1，j。若Ai，jAi+m+1，j之间满足以下条件：1、不存在任意两点之间的连线在不规则离散三角面网络中与网络边界相交；2、不存在任意两点之间的距离不大于Ai，jAi+m+1，j的距离，则Ai，jAi+m+1，j之间的所有中间点都可以删除。具体操作如下：
1)求出线段Ai，jAi+m+1，j上面第i条到i+m+1条纵线之间离线段最近且距离小于Ai， jAi+m+1，j间距离的点。例如点O。
2)以O点为圆心，以Ai，jAi+m+1，j间的距离为半径画圆，点B，C是直线OAi，j，OAi+m+1，j与圆的相交处，在曲线CBO之中查找，若满足条件则操作结束，否则继续判断。
3)求出线段Ai，jAi+m+1，j下面第i条到i+m+1条纵线之间离线段最近且距离小于Ai， jAi+m+1，j间距离的点。例如点P。
4)以P点为圆心，以Ai，jAi+m+1，j间的距离为半径画圆，点D，E是直线OAi，j，OAi+m+1，j与圆的相交处，F是过Ai，j的格网与弧线DE的交点，G是过Ai+m+1，j的格网与弧线DE的交点。在弧线Ai，jDF,Ai+m+1，jEG中继续查找，若满足条件则操作结束，否则Ai，jAi+m+1，j之间的所有中间点都可以删除。
横纵判断示意图如图7所示。
为检验本方法的可行性，将某指定区域三维场景基础数据(含高程数据(平原)，地表材质数据(草地)，模型数据(电线杆、树木))，矢量数据(柏油路))作为输入数据，基于OSG开源引擎进行三维场景构建，并分别针对FBS引擎和VRForce引擎做三维场景数据转换，转换后的三维场景数据在各引擎中预览效果如图8(a-c)所示，图8(a)为OSG三维场景，图8(b)为FBS三维场景，图8(c)为VRForce三维场景。如图所示，三种引擎场景时空一致。

Claims (6)

1.一种基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于OSG的三维场景构建：
对基础地理数据和地物模型数据进行预处理，构建三维场景地貌并生成三维场景地物，基于OSG生成的三维场景数据采用自顶向下、分层的树状数据结构来组织空间数据集；具体包括以下步骤：
1.1、三维场景基础数据预处理：
(a)基础地理数据预处理，包含：
(1)高程数据：坐标配准、数据裁剪、高度差值调整；
(2)影像数据：坐标配准、数据融合、数据裁剪、除云；
(3)矢量数据：坐标配准、数据裁剪、属性表校正；
(b)基础模型数据预处理：地物模型格式统一转换为fbx格式，规范模型坐标系、模型中心坐标点归零；
1.2、三维场景地貌构建：
三维场景地貌构建包含三维地形建模和地表纹理映射两部分；
1.3、三维场景地物生成：以二维矢量数据为生成依据，利用OSG地形系统自带的模型批量部署功能，进行建筑、植被的批量放置，采用道路制作工具进行主要干道的生成，利用水体建模工具进行水系构建，完成三维场景地物生成；
1.4、构件三维场景数据组织形式：基于OSG生成的三维场景数据采用自顶向下、分层的树状数据结构来组织空间数据集；
步骤2、将OSG三维场景数据转换为其他引擎数据格式，包括：
1)针对FBS引擎进行数据格式转换；
2)针对VRForce引擎进行数据格式转换；
根据不同引擎对应的数据格式设计数据转换模块，完成对应引擎的三维场景数据转换。
2.根据权利要求1所述的基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，其特征在于，步骤1.4数据组织分以下几个步骤：
(1)在三维场景地貌构建过程中，首先创建地形节点，同时创建第一层TileKey瓦片模型，并读取影像和高程，最终创建出场景根节点；
(2)在三维场景地物生成过程中，创建了第二层，地物要素叶节点；
(3)创建地物要素组节点和地貌组节点，将场景节点加载至场景树，完成三维场景数据的组织过程。
3.根据权利要求1所述的基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，其特征在于，步骤2将OSG三维场景数据转换为其他引擎数据格式，其中针对FBS引擎进行数据格式转换，包括以下步骤：
A1：设置FBS引擎数据格式：
FBS引擎中三维场景数据含地形数据、模型数据、场景配置文件、引擎入口数据文件；
A2、设计FBS数据转换模块，具体步骤如下：
(1)按照FBS引擎规范的三维场景数据文件存放层次结构，建立相应的存放文件夹；在场景工程目录下包含data和models两个主要文件夹，data文件夹下存放layers，models文件夹里存放场景中所有地物模型；
(2)采用数据转换工具对三维场景数据组织进行格式转换，生成符合FBS规范的三维场景数据文件；
(3)通过加密压缩工具将上述三维场景数据加密并压缩；
(4)生成可以加载到FBS引擎的三维场景数据包。
4.根据权利要求1所述的基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，其特征在于，步骤2将OSG三维场景数据转换为其他引擎数据格式，其中针对VRForce引擎进行数据格式转换，包括以下步骤：
B1：设置VRForce数据格式：
VRForce中三维场景数据主要由DTED、DFAD、影像数据、纹理数据以及模型数据等经过VRForce内嵌的MultigenCreator工具进行处理集成并完成资源配置，生成贴图(rgb)、配置属性信息(attr、int、txt)、模型(flt)等文件，并由Master总结点组织；
B2、设计VRForce数据转换模块：
B2、设计VRForce数据转换模块，具体步骤如下：
(1)首先调用纹理调度接口，确定纹理映射实体并对位置进行关联；实现纹理信息的准确映射；
(2)调用坐标系节点调度接口，链接ScOGroup：CoordinateSystemNode，进行地物要素组坐标信息转换；
(3)调用地形数据调度接口，读取ScTGroup四叉树并进行地形网格转化，将规则格网转成不规则格网；
(4)调用模型转换调度接口，进行模型数据格式转换；
(5)调用Master节点调度接口，构建Master节点资源索引目录；
(6)完成三维场景数据转换。
5.根据权利要求4所述的基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，其特征在于，将规则格网转成不规则格网，转换过程为：
(1)平面判断：
Ai,j表示高程值，i,j表示坐标，用如下算法进行平面判断：
1)A0,0、A0,M、AN,0、AN,M为保留的4个顶点；
2)针对4条边界的判断：
if(A0,j＝＝(A0,j-1+A0,j+1)/2)删除A0,j；其中0<j<n；
if(Am,j＝＝(Am,j-1+Am,j+1)/2)删除Am,j；其中0<j<n；
if(Ai,0＝＝(Ai-1,0+Ai+1,0)/2)删除Ai,0；其中0<i<m；
if(Ai,n＝＝(Ai-1,n+Ai+1,n)/2)删除Ai,n；其中0<i<m；
3)对中间区域点进行判断：
if((Ai,j＝＝(Ai-1,j+Ai+1,j)/2)&&(Ai,j-1+Ai,j+1)/2)删除Ai,j；其中0<i<m，0<j<n；
经过上述判断生成新矩阵；
(2)横纵判断
将矩阵中的点进行连接成直线并筛选出横向或纵向上存在多于2个点的直线，令直线起始点为Ai,j，待计算点为Ai+m+1,j，则存在线段Ai,jAi+m+1,j；若Ai,jAi+m+1,j之间满足：a、不存在任意两点之间的连线在不规则离散三角面网络中与网络边界相交；b、不存在任意两点之间的距离不大于Ai,jAi+m+1,j的距离，则Ai,jAi+m+1,j之间的所有中间点都可以删除。
6.根据权利要求5所述的基于时空一致性的多引擎三维场景数据转换方法，其特征在于，横纵判断具体操作如下：
1)求出线段Ai,jAi+m+1,j上面第i条到i+m+1条纵线之间离线段最近且距离小于Ai,jAi+m+1,j间距离的点O；
2)以点O为圆心，以Ai,jAi+m+1,j间的距离为半径画圆，点B，C是直线OAi,j,OAi+m+1,j与圆的相交处，在曲线CBO之中查找，若满足条件则操作结束，否则继续判断；
3)求出线段Ai,jAi+m+1,j下面第i条到i+m+1条纵线之间离线段最近且距离小于Ai,jAi+m+1,j间距离的点P；
4)以点P为圆心，以Ai,jAi+m+1,j间的距离为半径画圆，点D，E是直线OAi,j,OAi+m+1,j与圆的相交处，F是过Ai,j的格网与弧线DE的交点，G是过Ai+m+1,j的格网与弧线DE的交点；在弧线Ai, jDF,Ai+m+1,jEG中继续查找，若满足条件则操作结束，否则Ai,jAi+m+1,j之间的所有中间点都可以删除。
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