CN115937457A - 一种基于dem影像的实时地形素描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于DEM影像的实时地形素描方法，属于摄影测量技术领域，用于实时地形素描，包括数据处理，模型矩阵变换与观察矩阵变换，添加图元，投影矩阵变换，符号化处理。本发明在基于数字高程模型文件的基础上，公开了可根据使用者操控空间位置与视觉变量，实时、快速渲染素描图的方法，在保证地形的精细化表达的情况下，能达到绘制素描图的基本要求，而绘制的风格也能在此发明中继续改进，为画面添加阴影和光照元素，更或是直接改变渲染方式，绘制其他主题的画面。使用本发明的视觉变量组合情况下的素描图，山体层次感明显，结构特征清晰，画面干净整洁，有良好的视觉观感效果。

Description

一种基于DEM影像的实时地形素描方法
技术领域
本发明公开一种基于DEM影像的实时地形素描方法，属于摄影测量技术领域。
背景技术
一直以来，国内外学者致力于实现地形的定量化、精细化表达，这个过程中诞生出很多优秀的方法，如晕渲法、等高线法，甚至利用神经卷积算法绘制各种各样艺术风格的地形图。但上述这些方法只局限于固定视角的渲染与绘制，即未考虑视觉变量的影像，只是单纯对固定视角中的画面进行渲染处理。故本发明引入视觉变量，能各种视角情况下浏览地形全貌，且渲染速度快，能满足画面的流程性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DEM影像的实时地形素描方法，以解决现有技术中，实时地形素描方法不考虑视觉变量的的问题。
一种基于DEM影像的实时地形素描方法，包括：
S1.数据处理；
S2.模型矩阵变换与观察矩阵变换；
S3.添加图元；
S4.投影矩阵变换；
S5.符号化处理；
S1包括：S1.1.以三维地形场景为基础，提取不同视觉变量条件下的地形轮廓线，添加图元绘制模型；
从规则格网DEM读取到坐标点数据，对坐标点数据重新建模，建模过程中将一个正方形格网划分成两个等腰直角三角形，在系统绘制模型的过程中，每个相邻的三角形的顶点不会共用；
S1.2.将已提取到的特征线的地理坐标，转换到三维场景中，添加图元绘制模型；
将与三维地形场景横纵坐标位置相应的z坐标值加入到特征线数据中。
S2包括：对S1.1和S1.2的结果进行模型矩阵变换和观察矩阵变换，分别使两个模型中所有的坐标点乘以各自的模型变换矩阵，这个过程中模型变换矩阵主要是对模型做出平移、旋转和缩放的操作，如式（1）所示：
（1）；
式中R为旋转变量，为缩放向量，为平移向量，表示模型局部坐标系下的坐标值；
观察变换矩阵如式（2）所示：
（2）；
式中R为右向量，即观察坐标系x轴在世界坐标系中的表示；U为上向量，即观察坐标系y轴在世界坐标系中的表示；D为方向向量，即观察坐标系z轴在世界坐标系中的表示，向量方向为物体位置指向摄像机位置；P为摄像机在世界坐标系中的位置，式（2）中，，，前都带有负号，即把世界坐标系平移到与摄像机移动的相反方向；
当模型乘以观察变换矩阵后，视觉变量中的观察点位置、目标点位置、观察方向与俯仰角度已纳入系统之中，视域角度与视觉景深在后续的投影矩阵变换中引入。
S3包括：在构建地形模型时，将一个格网拆分成两个等腰直角三角形进行可视化，最终的地形模型由大量的三角形组成，提取轮廓线的原理即判断一个三角形是否正对摄像机，若一个三角形正对摄像机，而它相邻的三角形没有正对摄像机，这两三角形的交接边即是地形的轮廓；针对DEM规则格网的数据特点，将数据归为同时参与渲染与演算的数据与只参与演算的数据，通过叉积计算判断三角形的正反面，即在观察坐标系中，三角形的法向量的z值为正，则三角形正对摄像机，如式（3）所示；
（3）；
式中A、B、C为三角形的三个顶点，为三角形的法向量；
判断某一中央三角形是否正对摄像机，若不正对，则跳到下一个中央三角形；若正对，再判断三个邻接三角形是否正对摄像机，若有不正对摄像机的邻接三角形，其与中央三角形邻接线段即为轮廓线，需要添加黑色矩形图元，以充当素描图的线条，当三个邻接三角形判断完后，接着跳到下一个中央三角形，如此循环，直至遍历完所有的三角形；
在对地形轮廓线添加完图元后，则对地形特征线处进行图元添加，由于在ArcGIS提取到的地形特征线的文件已在模型中转化为线要素，且山谷线属于地形的固定纹理，不随着观察者方位变化而变化，故直接对线要素添加黑色矩形图元。
S4包括：对所有的地形场景要素与图元进行投影矩阵变换，投影变换矩阵会对每个坐标进行透视除法，使景深越大的坐标的xyz分量越小，透视除法如式（4）所示：
（4）。
S5包括：在添加图元阶段，将黑色矩形图元充当素描图的线条，对黑色矩形的边长做延长处理，对素描图的线条进行浓淡、粗细的区分，视觉景深越大，线条颜色越淡；线条所在的高程越低，线条越细，线条颜色浓淡通过控制线条的灰度值实现，即越浓则颜色越黑，越淡颜色越白；线条的粗细则是通过宽度系数与高程值确定，宽度系数可随意设定，能调控所有图元的宽度。
相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明绘制的主题是素描，在保证地形的精细化表达的情况下，能达到绘制素描图的基本要求，而绘制的风格也能在此发明中继续改进，为画面添加阴影和光照元素，更或是直接改变渲染方式，绘制其他主题的画面。
附图说明
图1是本发明的技术流程图；
图2是提取轮廓线时坐标点的第一数据结构图；
图3是提取轮廓线时坐标点的第二数据结构图；
图4是图元间的镂空现象图；
图5是素描结果输出图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
一种基于DEM影像的实时地形素描方法，包括：
S1.数据处理；
S2.模型矩阵变换与观察矩阵变换；
S3.添加图元；
S4.投影矩阵变换；
S5.符号化处理；
S1包括：S1.1.以三维地形场景为基础，提取不同视觉变量条件下的地形轮廓线，添加图元绘制模型；
从规则格网DEM读取到坐标点数据，对坐标点数据重新建模，建模过程中将一个正方形格网划分成两个等腰直角三角形，在系统绘制模型的过程中，每个相邻的三角形的顶点不会共用；
S1.2.将已提取到的特征线的地理坐标，转换到三维场景中，添加图元绘制模型；
将与三维地形场景横纵坐标位置相应的z坐标值加入到特征线数据中。
S2包括：对S1.1和S1.2的结果进行模型矩阵变换和观察矩阵变换，分别使两个模型中所有的坐标点乘以各自的模型变换矩阵，这个过程中模型变换矩阵主要是对模型做出平移、旋转和缩放的操作，如式（1）所示：
（1）；
式中R为旋转变量，为缩放向量，为平移向量，表示模型局部坐标系下的坐标值；
观察变换矩阵如式（2）所示：
（2）；
式中R为右向量，即观察坐标系x轴在世界坐标系中的表示；U为上向量，即观察坐标系y轴在世界坐标系中的表示；D为方向向量，即观察坐标系z轴在世界坐标系中的表示，向量方向为物体位置指向摄像机位置；P为摄像机在世界坐标系中的位置，式（2）中，，，前都带有负号，即把世界坐标系平移到与摄像机移动的相反方向；
当模型乘以观察变换矩阵后，视觉变量中的观察点位置、目标点位置、观察方向与俯仰角度已纳入系统之中，视域角度与视觉景深在后续的投影矩阵变换中引入。
S3包括：在构建地形模型时，将一个格网拆分成两个等腰直角三角形进行可视化，最终的地形模型由大量的三角形组成，提取轮廓线的原理即判断一个三角形是否正对摄像机，若一个三角形正对摄像机，而它相邻的三角形没有正对摄像机，这两三角形的交接边即是地形的轮廓；针对DEM规则格网的数据特点，将数据归为同时参与渲染与演算的数据与只参与演算的数据，通过叉积计算判断三角形的正反面，即在观察坐标系中，三角形的法向量的z值为正，则三角形正对摄像机，如式（3）所示；
（3）；
式中A、B、C为三角形的三个顶点，为三角形的法向量；
判断某一中央三角形是否正对摄像机，若不正对，则跳到下一个中央三角形；若正对，再判断三个邻接三角形是否正对摄像机，若有不正对摄像机的邻接三角形，其与中央三角形邻接线段即为轮廓线，需要添加黑色矩形图元，以充当素描图的线条，当三个邻接三角形判断完后，接着跳到下一个中央三角形，如此循环，直至遍历完所有的三角形；
在对地形轮廓线添加完图元后，则对地形特征线处进行图元添加，由于在ArcGIS提取到的地形特征线的文件已在模型中转化为线要素，且山谷线属于地形的固定纹理，不随着观察者方位变化而变化，故直接对线要素添加黑色矩形图元。
S4包括：对所有的地形场景要素与图元进行投影矩阵变换，投影变换矩阵会对每个坐标进行透视除法，使景深越大的坐标的xyz分量越小，透视除法如式（4）所示：
（4）。
S5包括：在添加图元阶段，将黑色矩形图元充当素描图的线条，对黑色矩形的边长做延长处理，对素描图的线条进行浓淡、粗细的区分，视觉景深越大，线条颜色越淡；线条所在的高程越低，线条越细，线条颜色浓淡通过控制线条的灰度值实现，即越浓则颜色越黑，越淡颜色越白；线条的粗细则是通过宽度系数与高程值确定，宽度系数可随意设定，能调控所有图元的宽度。
本发明在基于数字高程模型(DEM，后文统称DEM)文件的基础上，开发了一套可根据使用者操控空间位置与视觉变量，实时、快速渲染素描图的系统，技术流程图如图1所示。本发明在数据上需要两幅.tif文件，一是原始的DEM文件，二是对DEM进行特征提取后得到的tif文件，特征提取步骤包括在ArcMap(ArcGIS旗下软件)上对原始DEM文件进行填圭，流量、与流向的计算，重分类操作，最后得到地形模型的山谷线的.tif文件。之后使用GDAL库(一个开源栅格空间数据转换库，被大多GIS产品使用)分别读取两幅.tif文件，对于原始DEM文件则读取其规则格网点的地理坐标与高程，第二幅.tif文件因经重分类后，数据本身已不带有高程信息，故只读取每个代表特征线的像素块的地理坐标。
本发明在数据处理阶段，分为两条处理线程， 在构建三维地形场景骨架的过程中，从规则格网DEM读取到的坐标点是等距且规则排列的，每两条直线的交点即为坐标点的位置。邻近坐标点的采样距离都为一致，而其采样距离取决于DEM的分辨率，如DEM的分辨率为12米，则邻近坐标点间的距离则为12米。在读取完数据后，本发明即对该数据重新建模。
本发明在建模过程中将一个正方形格网划分成了两个等腰直角三角形；在系统绘制模型的过程中，绘制一个三角形需要绘制3个顶点，两个三角形则需要绘制6个顶点，即绘制时每个相邻的三角形的顶点不会共用。对于第二条线程中未附带高程的特征线的地理坐标数据，其采样到的数据点排列形式为特征线的xy数据与三维地形骨架的xy数据一致，只是缺少对应的z数据，故在将二维的特征线数据转变为三维数据时，仅需将与三维地形场景xy位置相应的z值加入到特征线数据中即可。
构建完三维地形场景骨架、将二维的特征线数据转变为三维数据后，则对两者数据进行模型矩阵变换和观察矩阵变换。在数据读取过程中，两者数据都是在各自独立的坐标系下进行读取，即绘制模型时，两者都有其独立的局部坐标系，而在局部坐标系下，所构建的模型都有各自独立坐标原点；为将两个模型合并到同一坐标系(世界坐标系)中，需要分别使两个模型中所有的坐标点乘以各自的模型变换矩阵。
当三维地形模型与特征线数据转换到世界坐标系中后，此时的模型还不受视觉变量的影响；视觉变量具体分为观察点位置、目标点位置、观察方向、视域角度、俯仰角度、视觉景深等，不同的视觉变量条件下，所观察到的信息与信息量是不一样的，为能实现任意的视觉变量组合，首先需要观察变换矩阵的参与；观察变换矩阵可以拟作成一台摄像机，当世界坐标系的模型乘以观察变换矩阵后，原本固定不动的坐标系会移至摄像机上，且随着摄像机的移动而移动，该坐标系称为观察坐标系，而摄像机拍摄到的景象就是我们将要看到的画面。
当模型乘以观察变换矩阵后，视觉变量中的观察点位置、目标点位置、观察方向与俯仰角度已纳入系统之中，视域角度与视觉景深在后续的投影矩阵变换中引入。当三维地形场景经过模型矩阵变换和观察矩阵变换后，即可开始对模型进行素描处理；本发明只对地形的轮廓线部分与山谷线地区进行素描处理，构建三维地形模型的目的即为对地形提取轮廓线。
在可视化过程中，需要三个顶点才能可视化一个三角形；而在提取轮廓线时，需要处理中央三角形与三个邻接三角形间的可视关系，针对这类问题，本发明改变了三维地形场景的数据结构，同时针对DEM规则格网的数据特点，将数据归为同时参与渲染与演算的数据与只参与演算的数据，数据结构如图2和图3所示。图中0、2、4号坐标点既需要参与计算，又需要进行等腰直角三角形的渲染，1、3、5号坐标点则只参与计算；图2的0、2、4坐标点构成的三角形组成三维地形格网的右上部分，右边的0、2、4坐标点则与之形成互补，构成一个完整的地形格网。0、2、4即为三角形本身，0、1、2与2、3、4以及4、5、0则构成邻接三角形。如此6个顶点构建了1个中央三角形，与其三边邻接的3个三角形，数据结构由原来的三个点拓展为图3所示顺序的6个点。
在对地形轮廓线添加完图元后，则对地形特征线处进行图元添加，由于在ArcGIS提取到的地形特征线的.tif已在模型中转化为线要素，且山谷线属于地形的固定纹理，不随着观察者方位变化而变化，故直接对线要素添加黑色矩形图元。
在观察坐标系内添加完图元后，需要对所有的地形场景要素与图元进行投影矩阵变换，以引入视域角度与视觉景深。投影矩阵变换分为两种方法，一是正射投影，二是透视投影，透视投影能更好符合人眼的视觉效果，故本发明选择透视投影来进行实验，正射投影则不做过多叙述。透视投影会在观察坐标系内定义为平截头体，将平截头体内的物体投影到近平面上即形成我们看到的画面；而视域角度则会影响平截头体的大小，视域角度越大，平截头体会变宽、变高，但近平面到远平面的最短距离长度不受影响。
在现实生活中，越远的物体看起来会越小，在我们观察笔直的公路或铁路时，这种现象尤为突出。为实现这种效果，需要对每个坐标点添加第四个变量w，视觉景深越大（距离摄像机越远）的坐标w分量越大，而当坐标输出时，投影变换矩阵会对每个坐标进行透视除法，使景深越大的坐标的xyz分量越小。在进行完投影矩阵变换后，系统已能自由操控摄像机，可视效果能接近人眼的视觉效果，且能根据喜好，调整视域角度，俯仰角度等视觉变量，全方位浏览地形场景，系统即能实时渲染素描图。在添加图元阶段，本发明将黑色矩形图元充当素描图的线条，而若不对矩形图元进行修饰，则极易出现如图4所示的镂空现象。
该现象会使得线条的观感变差，为解决该问题，需要对黑色矩形的边长做延长处理，e0到e1为原矩形的长；为e0指向e1的向量，是矩形边长正负延长的方向；为e0垂直于边长的向量，是矩形宽度的方向向量，在调控线条的粗细时引用；ext即为延长量，该值等于延长系数乘以e0到e1的距离，延长系数可随意设定。本发明设计的程序，可在运行窗口中自由改变视觉变量，系统能实时渲染不同变量条件下的素描图，图5为某一中视觉变量组合情况下的素描图。图中山体层次感明显，结构特征清晰，画面干净整洁，有良好的视觉观感效果。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于DEM影像的实时地形素描方法，其特征在于，包括：
S1.数据处理；
S2.模型矩阵变换与观察矩阵变换；
S3.添加图元；
S4.投影矩阵变换；
S5.符号化处理；
S1包括：S1.1.以三维地形场景为基础，提取不同视觉变量条件下的地形轮廓线，添加图元绘制模型；
从规则格网DEM读取到坐标点数据，对坐标点数据重新建模，建模过程中将一个正方形格网划分成两个等腰直角三角形，在系统绘制模型的过程中，每个相邻的三角形的顶点不会共用；
S1.2.将已提取到的特征线的地理坐标，转换到三维场景中，添加图元绘制模型；
将与三维地形场景横纵坐标位置相应的z坐标值加入到特征线数据中。
2.根据权利要求1所述的一种基于DEM影像的实时地形素描方法，其特征在于，S2包括：对S1.1和S1.2的结果进行模型矩阵变换和观察矩阵变换，分别使两个模型中所有的坐标点乘以各自的模型变换矩阵，这个过程中模型变换矩阵主要是对模型做出平移、旋转和缩放的操作，如式（1）所示：
（1）；
式中R为旋转变量，为缩放向量，为平移向量，表示模型局部坐标系下的坐标值；
观察变换矩阵如式（2）所示：
（2）；
式中R为右向量，即观察坐标系x轴在世界坐标系中的表示；U为上向量，即观察坐标系y轴在世界坐标系中的表示；D为方向向量，即观察坐标系z轴在世界坐标系中的表示，向量方向为物体位置指向摄像机位置；P为摄像机在世界坐标系中的位置，式（2）中，，，前都带有负号，即把世界坐标系平移到与摄像机移动的相反方向；
当模型乘以观察变换矩阵后，视觉变量中的观察点位置、目标点位置、观察方向与俯仰角度已纳入系统之中，视域角度与视觉景深在后续的投影矩阵变换中引入。
3.根据权利要求2所述的一种基于DEM影像的实时地形素描方法，其特征在于，S3包括：在构建地形模型时，将一个格网拆分成两个等腰直角三角形进行可视化，最终的地形模型由大量的三角形组成，提取轮廓线的原理即判断一个三角形是否正对摄像机，若一个三角形正对摄像机，而它相邻的三角形没有正对摄像机，这两三角形的交接边即是地形的轮廓；针对DEM规则格网的数据特点，将数据归为同时参与渲染与演算的数据与只参与演算的数据，通过叉积计算判断三角形的正反面，即在观察坐标系中，三角形的法向量的z值为正，则三角形正对摄像机，如式（3）所示；
（3）；
式中A、B、C为三角形的三个顶点，为三角形的法向量；
判断某一中央三角形是否正对摄像机，若不正对，则跳到下一个中央三角形；若正对，再判断三个邻接三角形是否正对摄像机，若有不正对摄像机的邻接三角形，其与中央三角形邻接线段即为轮廓线，需要添加黑色矩形图元，以充当素描图的线条，当三个邻接三角形判断完后，接着跳到下一个中央三角形，如此循环，直至遍历完所有的三角形；
在对地形轮廓线添加完图元后，则对地形特征线处进行图元添加，由于在ArcGIS提取到的地形特征线的文件已在模型中转化为线要素，且山谷线属于地形的固定纹理，不随着观察者方位变化而变化，故直接对线要素添加黑色矩形图元。
4.根据权利要求3所述的一种基于DEM影像的实时地形素描方法，其特征在于，S4包括：对所有的地形场景要素与图元进行投影矩阵变换，投影变换矩阵会对每个坐标进行透视除法，使景深越大的坐标的xyz分量越小，透视除法如式（4）所示：
（4）。
5.根据权利要求4所述的一种基于DEM影像的实时地形素描方法，其特征在于，S5包括：在添加图元阶段，将黑色矩形图元充当素描图的线条，对黑色矩形的边长做延长处理，对素描图的线条进行浓淡、粗细的区分，视觉景深越大，线条颜色越淡；线条所在的高程越低，线条越细，线条颜色浓淡通过控制线条的灰度值实现，即越浓则颜色越黑，越淡颜色越白；线条的粗细则是通过宽度系数与高程值确定，宽度系数可随意设定，能调控所有图元的宽度。
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