CN115221263B - 一种基于航线的地形预加载方法及预加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于航线的地形预加载方法及预加载系统，属于通讯仿真技术领域，其先将航线数据分段；根据分段的航线数据进行航线地形块分割，依据分割的地形块确定最小地形单元；根据最小地形单元确定地形等级；将地形分为不同的等级，对不同的地形等级进行分段预加载地形资源，并按照规则（最小地形单元对应的最小单元数据）呈现，以低级别地形为基础，局部使用高级别地形，解决了超大范围场景中地形资源呈现效果和加载速度不能兼顾的问题，平衡了加载速度与呈现画面清晰度的之间的关系，降低了对计算机硬件的要求，提供了更加经济的解决方案。

Description

一种基于航线的地形预加载方法及预加载系统

技术领域

本发明属于通讯仿真技术领域，涉及地形加载通讯仿真技术，具体为一种基于航线的地形预加载方法及预加载系统。

背景技术

在仿真领域中，视觉仿真是一个重要的技术手段，目的是建立一个逼真的、可交互的仿真环境；尤其是在军事仿真领域中，其具有可靠、无破坏、可多次重复、安全、经济、不受气象条件和场地空域的限制等特点。

其中，在飞行视觉仿真场景中，往往需要加载地形画面并为用户呈现超过几百公里大范围地形，需要经过海量的数据处理过程以及漫长的加载过程。传统的方法通常使用固定地形资源，使用低等级地形资源数据量小（数据量通常在10G以下），加载速度块（加载耗时低于10秒），对计算机性能要求低，但当飞机靠近地面时地形画面变得非常模糊，无法呈现更多的细节信息。使用高等级地形资源需要大量数据支持（数据量通常在100G以上），加载速度慢（加载耗时超过一分钟），对计算机要求高，影响渲染帧率，但画面清晰，能够呈现更多的细节特征。因此，如何平衡加载速度以及呈现画面清晰度之间的关系，更好的满足用户需求，成为视觉开发系统的难题。

发明内容

针对地形加载视觉仿真中，加载速度与呈现画面清晰度之间无法同时满足的问题，本发明提出了一种基于航线的地形预加载方法及预加载系统。

本发明针对不同级别的地形资源进行分类，根据飞机的航线预加载资源数据，并按照预设规则分级呈现，以低级别地形为基础，局部使用高级别地形，解决了超大范围场景中地形资源呈现效果和加载速度不能兼顾的问题，降低了对计算机的硬件性能要求，提供了更加经济的解决方案；其具体技术方案如下：

一种基于航线的地形预加载方法，包括以下步骤：

将航线数据分段；

根据分段的航线数据进行航线地形块分割，依据分割的地形块确定最小地形单元；

根据最小地形单元确定地形等级；

根据地形等级分段预加载下一航段最小地形单元对应的最小单元数据；

根据地形等级以及加载的最小单元数据创建地形。

进一步限定，所述将航线数据分段的过程具体包括：利用插值法对航线数据进行插值分段，将航线数据分割形成航线数据段。

进一步限定，所述航线数据包括飞行航线上的经纬度坐标和高程信息；所述根据分段的航线数据进行航线地形块分割，依据分割的地形块确定最小地形单元的过程具体包括：

根据分段的航线数据的高程信息确定航线地形的顶点位置，将所有的顶点位置进行连接，绘制形成一级顶点网格，一级顶点网格的一个网格表示一个地形块；

将地形块分割形成二级顶点网格，二级顶点网格的一个网格表示一个最小地形单元。

进一步限定，所述根据最小地形单元确定地形等级的过程具体包括：

计算最小地形单元的顶点位置距飞行航线中心的水平距离，并进行地形等级判断：

若水平距离≤最小距离阈值，则划分为最高等级地形资源；

若水平距离≥最大距离阈值，则划分为最低等级地形资源；

若最大距离阈值＞水平距离＞最小距离阈值，则根据等级系数确定对应的地形等级。

进一步限定，所述若最大距离阈值＞水平距离＞最小距离阈值，则根据等级系数确定对应的地形等级的具体过程包括：

若最大距离阈值＞水平距离＞最小距离阈值，确定等级系数T，根据等级系数T确定对应的地形等级。

进一步限定，所述根据地形等级分段预加载下一航段最小地形单元对应的最小单元数据的具体过程为：根据最小单元数据对应的地形等级，预加载当前飞行航段的下一航段的最小单元数据。

进一步限定，所述根据地形等级以及加载的最小单元数据创建地形的过程具体包括：

根据最低等级地形资源的最小地形单元布局，剔除最低等级地形资源上的部分最小地形单元；

根据地形等级进行贴图渲染，地形等级越高，对应的贴图等级越高，贴图等级是根据地形等级的最小单元数据对应贴图的总分辨率确定的；

将相同地形等级的贴图进行合并，创建地形。

进一步限定，相邻的地形等级，高等级地形对应的贴图等级与低等级地形对应的贴图等级之间呈倍数关系增长或呈指数关系增长。

一种基于航线的地形预加载系统，包括：

航线数据分段模块：用于航线数据分段；

最小地形单元确定模块：用于根据分段的航线数据进行航线地形块分割，依据分割的地形块确定最小地形单元；

地形等级确定模块：用于根据最小地形单元确定地形等级；

分段预加载模块：用于根据地形等级分段预加载下一航段最小地形单元对应的最小单元数据；

以及创建地形模块：用于根据地形等级以及加载的最小单元数据创建地形。

一种计算机可读存储介质，存储有程序文件，所述程序文件被执行实现上述的基于航线的地形预加载方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明一种基于航线的地形预加载方法，其先将航线数据分段；根据分段的航线数据进行航线地形块分割，确定地形等级，将地形分为不同的等级，对不同的地形等级进行分段预加载最小单元数据，并按照规则（最小地形单元对应的最小单元数据）呈现，以低级别地形为基础，局部使用高级别地形，解决了超大范围场景中地形资源呈现效果和加载速度不能兼顾的问题，平衡了加载速度与呈现画面的之间的关系，降低了对计算机硬件的要求，提供了更加经济的解决方案。

2、本发明利用插值法对航线数据进行插值分段，将航线数据分割形成航线数据段，为后续地形块分割、计算地形最小单元等级以及分段预加载地形数据提供支持。

3、本发明在确定地形等级的过程中，利用最小地形单元距航线距离与地形等级成反比的关系，即最小地形单元距离航线越近，地形等级越高，距离越远，等级越低的原理划分最高等级地形资源、最低等级地形资源以及介于最高等级地形资源和最低等级地形资源之间的地形资源，以便于后续根据不同的地形等级进行分段加载、贴图，最后创建地形；当飞机在实际场景飞行时，远处景物由于地形遮挡或雾气影响，对清晰程度以及地形细节表现要求不高，这与现实情况也是相符的。因此，在视景仿真中，小范围地区使用高等级地形，大范围地区使用低等级地形即可满足良好的呈现效果需求，也平衡了超大范围场景中地形资源呈现效果和加载速度之间的关系。

4、本发明根据地形等级的最小单元数据进行贴图渲染时，可在计算机系统较为空闲时（例如CPU、GPU、内存使用率小于50%），或飞机在接近当前航段的末端时，再加载下一航段地形资源（包括卫星照片和高程数据），存储在缓存池中供后续创建地形时使用，能够将计算机性能分散使用，降低创建地形时的耗时，提升用户体验。

5、本发明根据最低等级地形资源的最小单元数据布局，剔除最低等级地形资源的部分最小单元数据，减少了顶点数量，大幅度降低渲染负担。

附图说明

图1为本发明基于航线的地形预加载方法的过程示意图；

图2为基于航线的地形预加载系统的示意图；

图3为航线地形块分割的示意图；

图4为当前航段的最小单元数据；

图5为本发明基于航线的地形预加载方法形成的预加载地形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

实施例1

参见图1，本实施例一种基于航线的地形预加载方法，其包括以下步骤：

航线数据分段；航线数据包括飞行航线上的经纬度坐标和高程信息；

具体的，航线数据分段的具体过程为：利用插值法对航线数据进行插值分段，将航线数据分割形成航线数据段；分割的航线数据段可以是均匀插值、也可以是递增插值、递减插值或等比插值等方式；分割后航点坐标=（航点B坐标-航点A坐标）*

+航点A坐标，

表示分割系数；使用递增插值可得到分割后的航点（例如t=0、0.1、0.2、0.3、···、0.9、1），使用均匀插值，例如：t=0.2；使用等比插值，例如：t=0.2、0.4、0.8；其中，航点A坐标和航点B坐标为飞行航线上相邻的两个坐标点；从航线起始，每两个分割后的航点作为一段，为后续地形块分割、计算地形最小单元等级以及分段预加载地形数据提供支持；

航线数据包括飞行航线上的经纬度坐标和高程信息；根据分段的航线数据进行航线地形块分割，依据分割的地形块确定最小地形单元；

具体的，根据分段的航线数据的高程信息确定航线地形的顶点位置，将所有的顶点位置进行连接，绘制形成一级顶点网格；将地形块分割形成二级顶点网格，二级顶点网格的一个网格表示一个最小地形单元；顶点数据来源于高程数据，包含地形顶点的位置信息，多边形网格绘制是目前三维物体标准绘制方法，三维物体表面顶点连接成以多边形为单位的网格，其中尤以三角网格使用最为广泛，组成网格后，三维物体还缺少物体表面的纹理特征，后续使用地形贴图覆盖网格，即可形成真实的三维地形块；

根据最小地形单元确定地形等级；

根据最小地形单元距航线距离与地形等级成反比的原理，计算最小地形单元上的顶点位置距飞行航线中心的水平距离，并进行地形等级判断：

若水平距离≤最小距离阈值，则划分为最高等级地形资源；

若水平距离≥最大距离阈值，则划分为最低等级地形资源；

若最大距离阈值＞水平距离＞最小距离阈值，则根据等级系数确定对应的地形等级；首先确定等级系数T，根据等级系数T确定对应的地形等级；等级系数T=（最大距离阈值-距离航线中心距离）/（最大距离阈值-最小距离阈值），地形等级=最低等级地形+T*（最高等级地形-最低等级地形）；以最高等级地形为18、最低等级地形为12，其中，13、14、15、16、17为介于最高等级地形与最低等级地形之间的地形等级。

参见图3，对于动辄几百公里范围的场景单个地形块往往也会达到几十公里，对于使用最高等级地形资源时依旧太大，贴图尺寸过大（Unity中最大支持8192*8192尺寸贴图），顶点数量也超过三维渲染引擎最大限制（Unity中单个物体最大顶点数量为65535）。因此，需要对单个地形块进行进一步分割，单个地形块的顶点数据为字节组成的二维数组，根据设定的地形块数很容易计算得到分割后的数组长度，并将数据填充进分割后的数组中，得到分割后的最小地形单元对应的最小地形单元数据，以供在后续创建地形时使用，考虑到后续地形贴图合并便于计算，应将其分为

块，这里选择n=2，即4*4块；

根据地形等级分段预加载下一航段最小地形单元对应的最小单元数据；

具体的，根据地形等级的最小单元数据，预加载飞机当前飞行航段的下一航段最小单元数据；进一步具体的，可以在某段航线飞行过程中，检测到计算机较为空闲（例如CPU、GPU、内存使用率小于50%），或接近当前航段末端时，利用多线程的方法预加载下一航段的最小单元数据，该最小单元数据包括卫星照片和高程数据，存储在缓存池中共后续创建地形时使用，能够将计算机性能分散使用，降低创建地形时的耗时，提升用户体验；

根据地形等级以及加载的最小单元数据创建地形；

具体的，根据地形等级的最小单元数据进行贴图渲染，地形等级越高，对应的贴图等级越高，贴图等级是根据贴图的总分辨率确定的，将相同地形等级的贴图进行合并，创建地形；进一步具体的，根据最低等级地形资源的最小地形单元布局，剔除最低等级地形资源上的部分最小地形单元，根据地形等级的最小单元数据进行贴图渲染，地形等级越高，对应的贴图等级越高，贴图等级是根据地形等级的最小单元数据对应贴图的总分辨率确定的，将相同地形等级的贴图进行合并，创建地形；优选的，对于相邻的地形等级，其中，高等级地形对应的贴图等级与低等级地形对应的贴图等级倍数关系增长或呈指数关系增长。

优选的，地形贴图由标准卫星照片组成，卫星照片分辨率统一为256*256，相邻等级间为4倍关系，也就是说，相同面积等级n地形由1张256*256卫星照片填充，n+1等级由4张256*256卫星照片填充（即总分辨率为512*512），以此类推。由此可见，等级越高，卫片总分辨率越大，图像也就更清晰，即高等级地形对应的贴图等级与低等级地形对应的贴图等级呈4倍数关系增长。另外除倍数关系外，其还可以根据指数关系增长，其可以是2的指数关系或4的指数关系。

在视景软件中，为了减少DrawCall（决定渲染效率的关键因素），需要将贴图进行合并，将用于最小地形单元的标准卫星照片组合为一张地形贴图，达到提升呈现效果的目的。例如等级12地形贴图使用1张标准卫星照片，则等级n地形使用

张标准卫星照片，总分辨率为

。

除按等级合并地形贴图外，地形块的顶点数量也是影响渲染效率的一个重要因素，对于超大范围场景地形显示，同屏显示的三维地形顶点数量越多，则需要占用更多的时间去渲染，从而影响渲染帧率，因此，按照地形等级动态地改变最小地形单元的顶点数量会大大降低渲染负担，提升加载速度。

例如：顶点位置连接成以多边形为单位的网格组成网格地形块。动态生成地形块时，根据当前等级剔除顶点数量，低等级地形块每隔一个顶点剔除一个，能够减少一半顶点数量，大幅度降低渲染负担。

参见图5，本实施例根据航线对地形进行分级，分段预加载最小单元数据，将计算机性能分散使用到各个航段，兼顾加载速度和呈现效果。

优选的，本实施例的一种基于航线的地形预加载方法是以三维开发引擎Unity开发环境形成的。

实施例2

参见图2，本实施例一种基于航线的地形预加载系统，其是在实施例1的一种基于航线的地形预加载方法的基础上形成的，其包括：

航线数据分段模块：用于航线数据分段的具体过程为：利用插值法对航线数据进行插值分段，将航线数据分割形成航线数据段；分割的航线数据段可以是均匀插值、也可以是递增插值、递减插值或等比插值等方式；分割后航点坐标=（航点B坐标-航点A坐标）*

+航点A坐标，

表示分割系数；使用递增插值可得到分割后的航点（例如t=0、0.1、0.2、0.3、···、0.9、1），使用均匀插值，例如：t=0.2；使用等比插值，例如：t=0.2、0.4、0.8；其中，航点A坐标和航点B坐标为飞行航线上相邻的两个坐标点；从航线起始，每两个分割后的航点作为一段，为后续地形块分割、计算地形最小单元等级以及分段预加载地形数据提供支持；

最小地形单元确定模块：用于根据分段的航线数据进行航线地形块分割，确定地形等级；具体的，根据分段的航线数据的高程信息确定航线地形的顶点位置，将所有的顶点位置进行连接，绘制形成一级顶点网格；将地形块分割形成二级顶点网格，二级顶点网格的一个网格表示一个最小地形单元；顶点数据来源于高程数据，包含地形顶点的位置信息，多边形网格绘制是目前三维物体标准绘制方法，三维物体表面顶点连接成以多边形为单位的网格，其中尤以三角网格使用最为广泛，组成网格后，三维物体还缺少物体表面的纹理特征，后续使用地形贴图覆盖网格，即可形成真实的三维地形块；

地形等级确定模块：用于根据最小地形单元确定地形等级；具体的，根据最小地形单元距航线距离与地形等级成反比的原理，计算最小地形单元上的顶点位置距飞行航线中心的水平距离，并进行地形等级判断：

若水平距离≤最小距离阈值，则划分为最高等级地形资源；

若水平距离≥最大距离阈值，则划分为最低等级地形资源；

若最大距离阈值＞水平距离＞最小距离阈值，则根据等级系数确定对应的地形等级；首先确定等级系数T，根据等级系数T确定对应的地形等级；等级系数T=（最大距离阈值-距离航线中心距离）/（最大距离阈值-最小距离阈值），地形等级=最低等级地形+T*（最高等级地形-最低等级地形）；参见图4，以最高等级地形为18、最低等级地形为12，其中，13、14、15、16、17为介于最高等级地形与最低等级地形之间的地形等级，具体在飞行过程中，最大距离阈值、最小距离阈值、距离航线中心距离是用户根据需求进行设定的；

对于动辄几百公里范围的场景单个地形块往往也会达到几十公里，对于使用高等级地形资源时依旧太大，贴图尺寸过大（Unity中最大支持8192*8192尺寸贴图），顶点数量也超过三维渲染引擎最大限制（Unity中单个物体最大顶点数量为65535）。因此，需要对单个地形块进行进一步分割，单个地形块的顶点数据为字节组成的二维数组，根据设定的地形块数很容易计算得到分割后的数组长度，并将数据填充进分割后的数组中，得到分割后的最小地形单元数据，以供在后续创建地形时使用，考虑到后续地形贴图合并便于计算，应将其分为

块，这里选择n=2，即4*4块；

分段预加载模块：用于根据地形等级分段预加载下一航段最小地形单元对应的最小单元数据；

具体的，根据地形等级的最小单元数据，预加载飞机当前飞行航段的下一航段地形资源；进一步具体的，可以在某段航线飞行过程中，检测到计算机较为空闲（例如CPU、GPU、内存使用率小于50%），或接近当前航段末端时，利用多线程的方法预加载下一航段的最小单元数据，该地形资源包括卫星照片和高程数据，存储在缓存池中共后续创建地形时使用，能够将计算机性能分散使用，降低创建地形时的耗时，提升用户体验；

以及创建地形模块：用于根据地形等级以及加载的最小单元数据创建地形；

具体的，根据地形等级的最小单元数据进行贴图渲染，地形等级越高，对应的贴图等级越高，贴图等级是根据贴图的总分辨率确定的，将相同地形等级的贴图进行合并，创建地形；进一步具体的，根据最低等级地形资源的最小地形单元布局，剔除最低等级地形资源上的部分最小地形单元，根据地形等级的最小单元数据进行贴图渲染，地形等级越高，对应的贴图等级越高，贴图等级是根据地形等级的最小单元数据对应贴图的总分辨率确定的，将相同地形等级的贴图进行合并，创建地形；优选的，对于相邻的地形等级，其中，高等级地形对应的贴图等级与低等级地形对应的贴图等级倍数关系增长或呈指数关系增长。

实施例3

本实施例一种计算机可读存储介质，存储有程序文件，所述程序文件被执行实现上述实施例1的基于航线的地形预加载方法。

Claims (8)

1.一种基于航线的地形预加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

将航线数据分段；

根据分段的航线数据进行航线地形块分割，依据分割的地形块确定最小地形单元；

根据最小地形单元确定地形等级；

根据地形等级分段预加载下一航段最小地形单元对应的最小单元数据；

根据地形等级以及加载的最小单元数据创建地形；

所述根据最小地形单元确定地形等级的过程具体包括：

计算最小地形单元的顶点位置距飞行航线中心的水平距离，并进行地形等级判断：

若水平距离≤最小距离阈值，则划分为最高等级地形资源；

若水平距离≥最大距离阈值，则划分为最低等级地形资源；

若最大距离阈值＞水平距离＞最小距离阈值，则根据等级系数确定对应的地形等级；

若最大距离阈值＞水平距离＞最小距离阈值，确定等级系数T，根据等级系数T确定对应的地形等级；等级系数T＝(最大距离阈值-距离航线中心距离)/(最大距离阈值-最小距离阈值)，地形等级＝最低等级地形+T*(最高等级地形-最低等级地形)；

根据最低等级地形资源的最小地形单元布局，剔除最低等级地形资源上的部分最小地形单元。

2.如权利要求1所述的基于航线的地形预加载方法，其特征在于，所述将航线数据分段的过程具体包括：利用插值法对航线数据进行插值分段，将航线数据分割形成航线数据段。

3.如权利要求1所述的基于航线的地形预加载方法，其特征在于，所述航线数据包括飞行航线上的经纬度坐标和高程信息；所述根据分段的航线数据进行航线地形块分割，依据分割的地形块确定最小地形单元的过程具体包括：

根据分段的航线数据的高程信息确定航线地形的顶点位置，将所有的顶点位置进行连接，绘制形成一级顶点网格，一级顶点网格的一个网格表示一个地形块；

将地形块分割形成二级顶点网格，二级顶点网格的一个网格表示一个最小地形单元。

4.如权利要求1所述的基于航线的地形预加载方法，其特征在于，所述根据地形等级分段预加载下一航段最小地形单元对应的最小单元数据的具体过程为：根据最小单元数据对应的地形等级，预加载当前飞行航段的下一航段的最小单元数据。

5.如权利要求4所述的基于航线的地形预加载方法，其特征在于，所述根据地形等级以及加载的最小单元数据创建地形的过程具体包括：

根据地形等级进行贴图渲染，地形等级越高，对应的贴图等级越高，贴图等级是根据地形等级的最小单元数据对应贴图的总分辨率确定的；

将相同地形等级的贴图进行合并，创建地形。

6.如权利要求5所述的基于航线的地形预加载方法，其特征在于，相邻的地形等级，高等级地形对应的贴图等级与低等级地形对应的贴图等级之间呈倍数关系增长或呈指数关系增长。

7.一种基于航线的地形预加载系统，其特征在于，包括：

航线数据分段模块：用于航线数据分段；

最小地形单元确定模块：用于根据分段的航线数据进行航线地形块分割，依据分割的地形块确定最小地形单元；

地形等级确定模块：用于根据最小地形单元确定地形等级；

分段预加载模块：用于根据地形等级分段预加载下一航段最小地形单元对应的最小单元数据；

以及创建地形模块：用于根据地形等级以及加载的最小单元数据创建地形；

所述根据最小地形单元确定地形等级的过程具体包括：

计算最小地形单元的顶点位置距飞行航线中心的水平距离，并进行地形等级判断：

若水平距离≤最小距离阈值，则划分为最高等级地形资源；

若水平距离≥最大距离阈值，则划分为最低等级地形资源；

若最大距离阈值＞水平距离＞最小距离阈值，则根据等级系数确定对应的地形等级；

若最大距离阈值＞水平距离＞最小距离阈值，确定等级系数T，根据等级系数T确定对应的地形等级；等级系数T＝(最大距离阈值-距离航线中心距离)/(最大距离阈值-最小距离阈值)，地形等级＝最低等级地形+T*(最高等级地形-最低等级地形)；

根据最低等级地形资源的最小地形单元布局，剔除最低等级地形资源上的部分最小地形单元。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有程序文件，所述程序文件被执行实现如权利要求1-6任一项所述的基于航线的地形预加载方法。

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