CN112767547A - 一种海洋空间的态势可视化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海洋空间的态势可视化方法和装置，解决现有海洋空间数字沙盘数字沙盘无法兼顾科学计算和视觉展示的技术问题。方法包括：在数字沙盘中根据海平面形成三维坐标空间；根据所述数字沙盘中的空间比例尺形成确定位置物理实体的实体计算模型，用于所述物理实体间的空间计算；根据所述数字沙盘中的固定比例尺形成所述物理实体的实体显示模型，用于所述物理实体在所述数字沙盘中的立体展示；设置所述实体计算模型与所述实体显示模型共中心。形成了一套既能满足基于地理空间的科学计算又能够让数字沙盘及实体模型符合视觉接受习惯的坐标体系。

Description

一种海洋空间的态势可视化方法和装置

技术领域

本发明涉及数字沙盘技术领域，具体涉及一种一种海洋空间的态势可视化方法和装置。

背景技术

现有技术中，数字沙盘是一种通过计算机图像、三维动画以及交互控制技术映射实际地理空间的立体空间展现方案，利用屏幕投影及全息影像等手段进行显示，兼顾全景场面及局部细节，达到一种惟妙惟肖、变化多姿的动态视觉效果。具有显示直观、交互灵活、展示手段丰富多样的特点，能够让参观者产生强烈的沉浸感和认同感。

海洋空间数字沙盘用于展示海洋地理空间环境，一般对应特定海区的海面、空中及水下范围，具有明确经纬度地理及高程边界，通过空间地理映射成为由海面、四周边界及海底地形围成的立方体形状、可交互的三维模型系统，用于海上实体的三维态势显示、海洋环境数据可视化等应用场景。目前海洋空间数字沙盘无法形成既能满足基于地理空间的科学计算又能够让数字沙盘及沙盘中实体模型符合视觉接受习惯的视觉展示方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种海洋空间的态势可视化方法和装置，解决现有海洋空间数字沙盘数字沙盘无法兼顾科学计算和视觉展示的技术问题。

本发明实施例的海洋空间的态势可视化方法，包括：

在数字沙盘中根据海平面形成三维坐标空间；

根据所述数字沙盘中的空间比例尺形成确定位置物理实体的实体计算模型，用于所述物理实体间的空间计算；

根据所述数字沙盘中的固定比例尺形成所述物理实体的实体显示模型，用于所述物理实体在所述数字沙盘中的立体展示；

设置所述实体计算模型与所述实体显示模型共中心。

本发明实施例的海洋空间的态势可视化装置，包括：

存储器，用于存储上述的海洋空间的态势可视化方法处理过程对应的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

本发明实施例的海洋空间的态势可视化装置，包括：

基准建立模块，用于在形成三维坐标空间的数字沙盘中建立海平面；

计算模型形成模块，用于根据所述数字沙盘中的空间比例尺形成确定位置物理实体的实体计算模型，用于所述物理实体间的空间计算；

显示模型形成模块，用于根据所述数字沙盘中的固定比例尺形成所述物理实体的实体显示模型，用于所述物理实体在所述数字沙盘中的立体展示；

模型基准关联模块，用于设置所述实体计算模型与所述实体显示模型共中心。

本发明实施例的海洋空间的态势可视化方法和装置形成了一套既能满足基于地理空间的科学计算又能够让数字沙盘及实体模型符合视觉接受习惯的坐标体系。非等比例坐标空间的数字沙盘，将物理实体通过等比例尺三维模型在数字沙盘中展示的同时，通过非等比例尺三维模型进行空间计算。较好地解决了海洋空间电子沙盘全景和局部区域视觉展示及空间计算互为矛盾的技术问题，为海洋空间态势显示和数据可视化提供了基础手段。

附图说明

图1所示为本发明一实施例海洋空间的态势可视化方法的流程图。

图2所示为本发明一实施例海洋空间的态势可视化方法建立的数字沙盘的坐标系示意图。

图3所示为本发明一实施例海洋空间的态势可视化方法建立的实体计算模型示意图。

图4所示为本发明一实施例海洋空间的态势可视化装置的架构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。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作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。

如图1所示，本发明一实施例本发明一实施例海洋空间的态势可视化方法如图1所示。在图1中，本实施例包括：

步骤100：在数字沙盘中根据海平面形成三维坐标空间。

本领域技术人员可以理解，数字沙盘利用空间建模技术具有三维坐标空间，通过计算机图形技术在数字沙盘可以这对预置物理实体的三维模型进行渲染实现真实场景仿真，可以通过设置摄像机对象的机位、视角等控制参数实现三维场景的变换。物理实体的三维模型与物理实体间存在尺度变换，包括但不限于尺寸间的比例变换、尺寸与像素间的比例变换等。通过形成对应尺度间变换的比例尺可以确定物理实体与三维模型间的的相似性和可测量性。海平面是指静止海水表面的三维仿真。通常以海平面为界之上为空中之下为水中，形成统一坐标空间内的空中、海平面上和水下三个确定的空间范畴，海平面上包括空中的底部空间和水下的顶部空间。通常以海平面为界形成两种背景渲染基调，本发明实施例还以海平面为二维基准平面形成两种Z轴比例尺度。

步骤200：根据数字沙盘中的空间比例尺形成确定位置物理实体的实体计算模型，用于物理实体间的空间计算。

空间比例尺是指在数字沙盘的一个确定空间范围内X轴矢量方向、Y轴矢量方向和Z轴矢量方向上与物理实体真实尺度的换算比例尺度。通常一个完整空间的三个矢量方向上的比例尺一致，但是在完整空间的局部空间三个矢量方向上的比例尺可以不一致。例如，即正方体物理实体在存在三个不同比例尺的数字沙盘的确定空间内可以体现为一个特定的长方体。在数字沙盘中形成的与物理实体对应的实体计算模型，与物理实体的尺度对应，但模型立体形状与物理实体形状根据空间比例尺定义可以存在形状差异。实体计算模型不利于直观展示有利于空间计算。空间计算主要包括在数字沙盘中对物理实体间真实的碰撞、交叉覆盖等相对状态的检测过程。

步骤300：根据数字沙盘中的固定比例尺形成物理实体的实体显示模型，用于物理实体在数字沙盘中的立体展示。

通常一个完整空间的三个矢量方向上的比例一致可以作为固定比例尺。也存在局部空间比例尺中的一个矢量方向上的比例尺与固定比例尺一致。采用一个固定比例尺对物理实体进行尺寸转换形成的实体显示模型，可以与物理实体的外观形状保持一致，有利于直观展示但不利于对外形尺度中的某一矢量方向的尺度特征做出有效展示。

步骤400：设置实体计算模型与实体显示模型共中心。

实体计算模型与实体显示模型是针对同一物理实体形成的两种应用目的模型，需要设置共同基准点以同步坐标变化与显示变化。在两个模型中确定一个公共连接点可以实现形成共同基准点。

本发明实施例的海洋空间的态势可视化方法形成了一套既能满足基于地理空间的科学计算又能够让数字沙盘及实体模型符合视觉接受习惯的坐标体系。非等比例坐标空间的数字沙盘，将物理实体通过等比例尺三维模型在数字沙盘中展示的同时，通过非等比例尺三维模型进行空间计算。较好地解决了海洋空间电子沙盘全景和局部区域视觉展示及空间计算互为矛盾的技术问题，为海洋空间态势显示和数据可视化提供了基础手段。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤100中根据海平面形成三维坐标空间的过程包括：

步骤110：在海平面建立坐标系原点，在海平面设置X轴和Y轴，通过海平面将Z轴分割为空中Z轴和水中Z轴。

本领域技术人员可以理解，利用海平面的想对位置确定性可以作为直观可见的坐标系原点所在。同时，利用海平面所在的X轴-Y轴二维平面作为界面将Z轴分割为空中Z轴和水中Z轴。

步骤120：将X轴和Y轴设置第一比例尺，空中Z轴设置第二比例尺，水中Z轴设置第三比例尺。

本发明实施例的的海洋空间的态势可视化方法在二维平面的X轴、Y轴矢量方向上采用同一个比例尺，保证了基本投影尺度的稳定性，有利于形成实体计算模型和实体显示模型的稳定连接点。进一步，可以将对实体显示模型的观察过程具有二维变换一致性，降低实体显示模型的展示复杂度。将Z轴分割对应不同的比例尺可以进一步适应不同空间中在高度特征上的精确量化，使得非等比例坐标空间可以与物理实体的空间属性合理适配。

本发明实施例海洋空间的态势可视化方法建立的数字沙盘的坐标系如图2所示。在图2中分别通过第一比例尺、第二比例尺和第三比例尺建立了数字沙盘各轴向的度量尺度。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤300中形成实体显示模型的过程包括：

步骤310：采用第一比例尺作为X轴矢量方向上、Y轴矢量方向上、空中Z轴矢量方向上和水中Z轴矢量方向上的固定比例尺，根据固定比例尺形成物理实体的实体显示模型。

本发明实施例的的海洋空间的态势可视化方法利用二维平面的通用的第一比例尺作为实体显示模型固定比例尺，在保证模型与物理实体相比较形状不失真的基础上，保证了模型尺度变化与二维平面缩放的同步。保证了响应摄像机移动时模型的体积体型变化的控制一致性。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤200中形成实体计算模型的过程包括：

步骤210：将物理实体的空中部分在X轴矢量方向上和Y轴矢量方向上的尺度按第一比例尺转换，将物理实体的海上部分在空中Z轴矢量方向上的尺度按第二比例尺转换。

步骤220：将物理实体的水中部分在X轴矢量方向上和Y轴矢量方向上的尺度按第一比例尺转换，将物理实体的海中部分在水中Z轴矢量方向上的尺度按第三比例尺转换。

本发明实施例的的海洋空间的态势可视化方法基于二维方向比例尺的一致性建立X轴矢量方向上和Y轴矢量方向上的模型统一尺度，利用两个其他比例尺形成具有空间特征针对性的Z轴矢量方向上的模型差异尺度，实现了基于平面一致性的高度因环境差异定制，使得空间计算时的局部空间适配性更具有合理性。

本发明实施例海洋空间的态势可视化方法建立的实体计算模型如图3所示。在图3中，实体计算模型在相应空间内的尺寸形成采用各轴向相应的度量尺度形成。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤100中根据海平面形成三维坐标空间的过程包括：

步骤130：设置第二比例尺或第三比例尺：第一比例尺的系数范围设置为10至300，第二比例尺：第三比例尺的系数范围设置为1至20。

本发明实施例的的海洋空间的态势可视化方法通过优化各比例尺间的比例系数，可以有效针对数字沙盘中不同空间间的关联尺度和展示效果的平衡，保证数字沙盘内各实体显示模型准确仿真展示的同时满足所有实体计算模型间的空间计算效率。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤400中确定实体显示模型的中心包括：

步骤410：空中或水下的实体显示模型的中心为几何中心，海平面上的实体显示模型的中心为在海平面投影的几何中心。

在本发明一实施例中，几何中心替换为几何重心。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤400中确定实体计算模型的中心包括：

步骤420：空中或水下的实体计算模型的中心为几何中心，海平面上的实体计算模型的中心为在海平面投影的几何中心。

在本发明一实施例中，几何中心替换为几何重心。

本发明实施例的的海洋空间的态势可视化方法通过相同的中心定义建立实体计算模型和实体显示模型的中心匹配，保证空间计算与实体展示的一致性，使得空间计算结果可以如实反映物理实体间的空间位置。

如图1所示，本发明一实施例海洋空间的态势可视化方法，还包括：

步骤500：对实体显示模型观测时进行尺度调节。

本发明实施例海洋空间的态势可视化方法的观测中调节针对摄像机采集的数字沙盘场景内容中确定实体显示模型的占比，以保证在不同摄像机取景距离下的实体显示模型基本辨识度。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤500的观测静态调节包括：

步骤510：根据摄像机与实体显示模型的设置距离，结合第一比例尺调整实体显示模型在数字沙盘场景中的模型占比，以满足模型辨识。

利用第一比例尺进行实体显示模型的占比调整可以保证调整过程中实体显示模型的外观不发生畸变并形成与摄像机设置距离的线性比例调整。

如图1所示，在本发明一实施例中，步骤500的观测静态调节包括：包括在调整摄像机距离时：

步骤520：当实体显示模型快速放大接近在摄像机视场中的占比阈值时，实体显示模型体积根据设置距离的缩小趋势而缩小，满足实体显示模型在摄像机视场中的占比阈值。

实体显示模型在场景中的占比存在阈值范围，以防止实体显示模型在较近的场景展示状态下过于放大，干扰对整体空间态势的观察。使实体显示模型体积变化率根据占比阈值逐渐缩小可以形成对整体空间态势的信息特征的保持。

步骤530：当实体显示模型当前体积与根据第一比例尺形成的实体显示模型体积相同时保持，以满足实体显示模型近距离局部辨识。

根据第一比例尺形成的实体显示模型体积是物理实体模型化的最佳观测分辨率，以此为近距离局部辨识的标准对象不再随摄像机距离调整，可以有效抑制观测时进行尺度调节导致的显示设备局限性。

步骤540：数字沙盘中其他的实体显示模型体积同步等比例变化。

数字沙盘中其他的实体显示模型体积变化与摄像机观察场景中的主要模型同步变化，可以保证场景整体的空间位置表达不失真。

本发明实施例的的海洋空间的态势可视化方法根据摄像机的调节形成适应性的实体显示模型体积尺度变化，以适应针对模型的观察距离接近、快速接近、近距离定位观察或场景内对象整体辨识的不同观察需求，大大扩展了数字茶盘对物理实体的态势观察辨识度和观察体验。

本发明一实施例例海洋空间的态势可视化装置，包括：

存储器，用于存储上述实施例的海洋空间的态势可视化方法中处理过程的程序代码；

处理器，用于执行上述实施例的海洋空间的态势可视化方法中处理过程的程序代码。

处理器可以采用DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。

本发明一实施例例海洋空间的态势可视化装置如图4所示。在图4中，本实施例包括：

基准建立模块10，用于在形成三维坐标空间的数字沙盘中建立海平面；

计算模型形成模块20，用于根据数字沙盘中的空间比例尺形成确定位置物理实体的实体计算模型，用于物理实体间的空间计算；

显示模型形成模块30，用于根据数字沙盘中的固定比例尺形成物理实体的实体显示模型，用于物理实体在数字沙盘中的立体展示；

模型基准关联模块40，用于设置实体计算模型与实体显示模型共中心。

如图4所示，在本发明一实施例中，基准建立模块10包括：

基准面形成单元11，用于在海平面建立坐标系原点，在海平面设置X轴和Y轴，通过海平面将Z轴分割为空中Z轴和水中Z轴；

比例尺设置单元12，用于将X轴和Y轴设置第一比例尺，空中Z轴设置第二比例尺，水中Z轴设置第三比例尺。

如图4所示，在本发明一实施例中，基准建立模块10还包括：

比例尺调节单元13，用于设置第二比例尺或第三比例尺：第一比例尺的系数范围设置为10至300，第二比例尺：第三比例尺的系数范围设置为1至20。

如图4所示，在本发明一实施例中，计算模型形成模块20包括：

空中形成单元21，用于将物理实体的空中部分在X轴矢量方向上和Y轴矢量方向上的尺度按第一比例尺转换，将物理实体的空中部分在空中Z轴矢量方向上的尺度按第二比例尺转换；

水中形成单元22，用于将物理实体的水中部分在X轴矢量方向上和Y轴矢量方向上的尺度按第一比例尺转换，将物理实体的水中部分在水中Z轴矢量方向上的尺度按第三比例尺转换。

如图4所示，在本发明一实施例中，显示模型形成模块30包括：

一体形成单元31，用于采用第一比例尺作为X轴矢量方向上、Y轴矢量方向上、空中Z轴矢量方向上和水中Z轴矢量方向上的固定比例尺，根据固定比例尺形成物理实体的实体显示模型。如图4所示，在本发明一实施例中，模型基准关联模块40包括：

第一中心设置单元41，用于空中或水下的实体显示模型的中心为几何中心，海平面上的实体显示模型的中心为在海平面投影的几何中心；

第二中心设置单元42，用于空中或水下的实体计算模型的中心为几何中心，海平面上的实体计算模型的中心为在海平面投影的几何中心。

如图4所示，在本发明一实施例中，还包括：

观测调整模块50，用于用于对实体显示模型观测时进行尺度调节。

如图4所示，在本发明一实施例中，观测调整模块50包括：

初始调节单元51，用于根据摄像机与实体显示模型的设置距离，结合第一比例尺调整实体显示模型在数字沙盘场景中的模型占比，以满足模型辨识。

如图4所示，在本发明一实施例中，观测调整模块50还包括：

逼近调节单元52，用于当实体显示模型快速放大接近在摄像机视场中的占比阈值时，实体显示模型体积根据设置距离的缩小趋势而缩小，满足实体显示模型在摄像机视场中的占比阈值；

观察调节单元53，用于当实体显示模型当前体积与根据第一比例尺形成的实体显示模型体积相同时保持，以满足实体显示模型近距离局部辨识；

观察同步单元54，用于数字沙盘中其他的实体显示模型体积同步等比例变化。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种海洋空间的态势可视化方法，其特征在于，包括：

在数字沙盘中根据海平面形成三维坐标空间；

根据所述数字沙盘中的空间比例尺形成确定位置物理实体的实体计算模型，用于所述物理实体间的空间计算；

根据所述数字沙盘中的固定比例尺形成所述物理实体的实体显示模型，用于所述物理实体在所述数字沙盘中的立体展示；

设置所述实体计算模型与所述实体显示模型共中心。

2.如权利要求1所述的海洋空间的态势可视化方法，其特征在于，所述形成三维坐标空间包括：

在所述海平面建立坐标系原点，在所述海平面设置X轴和Y轴，通过海平面将Z轴分割为空中Z轴和水中Z轴；

将所述X轴和Y轴设置第一比例尺，所述空中Z轴设置第二比例尺，所述水中Z轴设置第三比例尺。

3.如权利要求2所述的海洋空间的态势可视化方法，其特征在于，所述根据所述数字沙盘中的固定比例尺形成所述物理实体的实体显示模型包括：

采用第一比例尺作为所述X轴矢量方向上、所述Y轴矢量方向上、所述空中Z轴矢量方向上和所述水中Z轴矢量方向上的所述固定比例尺，根据所述固定比例尺形成所述物理实体的实体显示模型。

4.如权利要求2所述的海洋空间的态势可视化方法，其特征在于，所述根据所述数字沙盘中的空间比例尺形成确定位置物理实体的实体计算模型包括：

将所述物理实体的空中部分在所述X轴矢量方向上和所述Y轴矢量方向上的尺度按第一比例尺转换，将所述物理实体的空中部分在所述空中Z轴矢量方向上的尺度按第二比例尺转换；

将所述物理实体的水中部分在所述X轴矢量方向上和所述Y轴矢量方向上的尺度按第一比例尺转换，将所述物理实体的水中部分在所述水中Z轴矢量方向上的尺度按第三比例尺转换。

5.如权利要求2所述的海洋空间的态势可视化方法，其特征在于，形成所述空间比例尺的比例关系包括：

设置所述第二比例尺或所述第三比例尺：所述第一比例尺的系数范围设置为10至300，所述第二比例尺：所述第三比例尺的系数范围设置为1至20。

6.如权利要求1所述的海洋空间的态势可视化方法，其特征在于，所述共中心为空中或水下的所述实体计算模型和所述实体显示模型的几何中心，或所述海平面上的所述实体计算模型和所述实体显示模型在所述海平面投影的几何中心。

7.如权利要求2所述的海洋空间的态势可视化方法，其特征在于，还包括对实体显示模型观测时进行尺度调节，包括：

根据摄像机与所述实体显示模型的设置距离，结合所述第一比例尺调整所述实体显示模型在所述数字沙盘场景中的模型占比，以满足模型辨识。

8.如权利要求7所述的海洋空间的态势可视化方法，其特征在于，所述调整所述实体显示模型在所述数字沙盘场景中的模型占比包括：

在调整所述摄像机距离时：

当所述实体显示模型快速放大接近在所述摄像机视场中的占比阈值时，实体显示模型体积根据所述设置距离的缩小趋势而缩小，满足所述实体显示模型在所述摄像机视场中的占比阈值；

当所述实体显示模型当前体积与根据所述第一比例尺形成的实体显示模型体积相同时保持，以满足所述实体显示模型近距离局部辨识；

所述数字沙盘中其他的所述实体显示模型体积同步等比例变化。

9.一种海洋空间的态势可视化装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储如权利要求1至8任一所述的海洋空间的态势可视化方法处理过程对应的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

10.一种海洋空间的态势可视化装置，其特征在于，包括：

基准建立模块，用于在形成三维坐标空间的数字沙盘中建立海平面；

计算模型形成模块，用于根据所述数字沙盘中的空间比例尺形成确定位置物理实体的实体计算模型，用于所述物理实体间的空间计算；

显示模型形成模块，用于根据所述数字沙盘中的固定比例尺形成所述物理实体的实体显示模型，用于所述物理实体在所述数字沙盘中的立体展示；

模型基准关联模块，用于设置所述实体计算模型与所述实体显示模型共中心。

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