CN116630567A - 面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法，包括输入椭球路线型切片显示类型及参数；基于所述椭球路线型切片进行几何构建，具体为依据所述切片类型:Line‑Slice或者Polygon‑Slice及参数P，构建对应椭球路线型切片的几何体；基于所述对应椭球路线型切片的几何体，对所述椭球路线型切片进行体绘制渲染，完成对整个切片的显示。传统的体绘制裁剪，常采用辅助纹理表达切片等，会占用较多存储。本申请的算法直接针对光线与切片进行几何碰撞检测求出交点，避免了切片辅助纹理的构建及存储。

Description

面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法
技术领域
本申请涉及可视化技术领域，尤其涉及面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法。
背景技术
数字地球越来越普及，已有各种三维实现版本，例如，Google Earth，NASA WorldWind，ESRI Globe，AGI Cesium等。针对自然环境要素：气象、电磁等，基于数字地球进行数据可视化，目前在实际应用中的需求非常强烈。在各种可视化算法中，光线投射体绘制是其中一种比较著名的可视化方法，应用于医学、气象、航空、电磁、测绘等各种领域。该方法面向三维数据标量场，提供透视该场的内部及外部信息的显示方法，这种可视分析可有效支撑各类决策。
椭球体绘制是基于数字地球参考椭球构建的光线投射算法，数字地球多数采用WGS-84进行描述。椭球体绘制是战场环境中电磁、气象等标量数据场科学计算可视化的重要手段，可应用于联合作战综合态势显示、战场环境综合保障业务等。与几何上规则的球体相比，参考椭球具有几何不规则性，因此椭球体绘制的微观显示比较复杂，其中，涉及到了切片辅助纹理的构建和存储等。在军事中经常查看沿某条道路、某行政区域边界等的气温、气压等，这是军事作战行动中经常涉及的沿路线考虑的军事需求。因此，在数字地球上进行体绘制交互处理中，研究路线型切片显示具有重要的价值。
发明内容
本申请实施例提供面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法，以解决在现有椭球体绘制中的切片经常采用辅助纹理的方式进行构建和存储，比较复杂的问题。
本申请实施例还提供面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法，包括以下步骤：
面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法，包括以下步骤：
步骤1，输入椭球路线型切片显示类型及参数，所述椭球路线型切片显示类型及参数包括：
（1）用户选择的切片类型T，所述切片类型T为依据椭球坐标系的三个坐标分量T=Line-Slice或者Polygon-Slice，其中，Line-Slice型切片，针对不封闭的折线；Polygon-Slice型切片，针对封闭折线；
（2）对应的用户输入的参数P：切片所在折线点序列、多边形点序列；
（3）记录原始数据网格中的每个格点（b,l,h）地理坐标系下的显示范围G，其中每个格点（b,l,h）参数满足：,/>,/>；其中，b1、b2分别为最小维度、最大维度；、/>分别为最小经度、/>最大经度；h1、h2分别为最小海拔高度、最大海拔高度；
（4）每个格点（b,l,h）保存有数值value，基于该网格，构建对应的三重纹理texture；
（5）记录三维视点为向量V=(v1,v2,v3)；
步骤2，基于所述椭球路线型切片进行几何构建，具体为依据所述切片类型T及参数P，构建对应椭球路线型切片的几何体；
步骤3，基于所述对应椭球路线型切片的几何体，对所述椭球路线型切片进行体绘制渲染；
步骤4，完成所述椭球路线型切片上各点渲染后，形成图像输出到屏幕上，完成对整个切片的体绘制显示。
进一步的，所述依据所述切片类型T及参数P，构建对应椭球路线型切片的几何体，包括：
如果切片类型T为Line-Slice，则参数P对应数字地球表面上的折线点序列，参数P包括各点Pi，i=1,2,…,N，经过各点Pi做椭球面的法向垂线TiBi，其中|TiPi|=|PiBi|= h2，为G中的最大高度，将四边形中的各点Tj、Bj、Bj+1、Tj+1，j=1、…、N-1，通过坐标变换，由地理坐标转换为笛卡尔直角坐标，笛卡尔坐标系下的四边形TjBjBj+1Tj+1的集合{TiBiBi+1Ti+1}构成Line-Slice型切片的几何体；
如果切片类型T为Polygon-Slice，则参数P对应数字地球表面上的多边形点序列，参数P包括各点Pi，i=1,2,…,N，其中P1与PN首尾相连，经过各点Pi做椭球面的法向垂线TiBi，其中|TiPi|=|PiBi|= h2，为G中的最大高度；将四边形中的各点Tj、Bj、Bj+1、Tj+1，j=1、…、N-1，当j=N时，四边形中的各点为Tj、Bj、B1、T1，通过坐标变换，由地理坐标转换为笛卡尔直角坐标，笛卡尔坐标系下的四边形TjBjBj+1Tj+1的集合{TjBjBj+1Tj+1}，其中也包含当j=N时的四边形TjBjB1T1，构成Polygon-Slice型切片的几何体。
进一步的，所述对所述椭球路线型切片进行显示渲染，具体为：
（a）基于三维视点V，光线方向向量D=（d1,d2,d3），建立光线笛卡尔坐标系下的数学方程；
r(t)=(x(t) ,y(t),z(t))=V+tD=( v1+td1, v2+td2, v3+td3)；
（b）计算光线r与 Line-Slice或Polygon-Slice型切片几何体s的交点，切片笛卡尔直角坐标系下的几何体通过步骤2构建，对光线r与切片几何体s进行几何碰撞检测，即对光线r，对应的直线方程为r(t)，使用该直线方程与切片几何体s中包含的所有四边形所在的平面方程依次进行求交点的几何计算，其中，直接使用计算几何中的直线与平面的交点计算算法。所有的交点构成点集C；
（c）检查点集C中的交点个数，如果为零，终止采样；
（d）如果点集C非空，即存在相交的点，则从C中，获取离视点V最近的一个交点p,并且该点也在原始数据网格的地理范围G内；如果找不到有效的点p，终止采样；
（e）针对点p,对该点采用光线投射体绘制算法进行渲染：在三重纹理texture中在对应点处进行纹理查询，即检索出该点对应的纹理值v，将v传入体绘制的传递函数，计算出该点的颜色及透明度，完成对该点的渲染。
进一步的，所述对光线r与切片几何体s进行几何碰撞检测，即对光线r与切片几何体s中包含的所有四边形进行求交点的几何计算。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本申请在切片的几何建模方面，首次提出了一种笛卡尔坐标系下，基于椭球面法向的路线类切片的几何体构建新方法：TB-椭球法向扩展策略。在切片的体绘制渲染方面，提出了采用光线与切片几何体的几何碰撞检测相交点作为直接采样点的新的光线采样方法，并基于原始显示数据地理范围，对体绘制渲染进行了优化，实现了椭球路线型切片的体绘制渲染。传统的体绘制裁剪，常采用辅助纹理表达切面等，会占用较多内存。本申请的算法直接针对光线与切片进行几何碰撞检测求出交点，避免了切片辅助纹理的构建及存储。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请的面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法流程图。
图2为本申请的Line-Slice型切片的几何体示意图。
图3为本申请的Polygon-Slice型切片的几何体示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
目前数字地球多数采用WGS-84坐标系，WGS-84坐标系依据于一个参考椭球进行描述，因此，本申请也称WGS-84坐标系为椭球坐标系。在椭球坐标系下，三维空间中的点采用地理坐标(B,L,H)描述，B表示纬度，单位：度，L表示经度，单位：度，H表示高度，单位：米。地理坐标与笛卡尔直角坐标（X,Y,Z）可以相互转换,参见开源软件Open Scene Graph中的具体转换公式。笛卡尔坐标主要用于三维图形渲染中，地理坐标常用于描述。
数字地球上的光线投射算法是体绘制渲染的重要方法。一般是将体数据预先进行重采样，按照BLH三个方向构建三维数据网格用于显示，数据网格显示范围描述：,/>,/>；其中，b1、b2分别为最小维度、最大维度；/>、/>分别为最小经度、最大经度；h1、h2分别为最小海拔高度、最大海拔高度；每个格点（b,l,h）保存有数值value，基于该网格，可构建对应的三重纹理texture。
针对上述数据网格，进行切片显示，是经常使用的交互方式。沿路线等对数据网格进行切片形式的局部显示，在实际交互显示中也经常使用。本申请中仅研究地球表面上的道路（抽象为折线）及行政区域边界（抽象为多边形）等，不含空中轨迹线等。依据路线是否封闭，将切片主要分为两类：Line-Slice型切片，针对不封闭的折线；Polygon-Slice型切片，针对封闭折线。因为WGS-84使用椭球坐标描述，因此，本申请把上述两类切片统称为椭球路线型切片。
本申请提出面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法，主要包含如下四个步骤：
步骤1: 椭球路线型切片显示类型及参数输入
（1）记录用户选择的切片类型：T=Line-Slice/Polygon-Slice二者之一；
（2）对应的用户输入的参数P：切片所在折线点序列/多边形点序列（地理坐标描述）；
（3）记录原始数据网格中的每个格点（b,l,h）地理坐标系下的显示范围G，其中每个格点（b,l,h）参数满足：,/>,/>；其中，b1、b2分别为最小维度、最大维度；/>、/>分别为最小经度、最大经度;h1、h2分别为最小海拔高度、最大海拔高度；
（4）每个格点（b,l,h）保存有数值value，基于该网格，构建对应的三重纹理texture；
（5）记录三维视点为向量V=(v1,v2,v3)。
步骤2: 椭球路线型切片几何构建
如果切片类型T为Line-Slice，则参数P对应数字地球表面上的折线点序列（地理或椭球坐标描述），例如：P1P2P3P4P5，经过各点Pi，i=1,2,…,N，做椭球面的法向垂线TiBi，其中|TiPi|=|PiBi|=h2，为G中的最大高度。将四边形中的各点Tj、Bj、Bj+1、Tj+1，j=1,…,N-1,通过坐标变换，由地理坐标转换为笛卡尔直角坐标，笛卡尔坐标系下的四边形TjBjBj+1Tj+1的集合{TiBiBi+1Ti+1} 构成Line-Slice型切片的几何体。
如果切片类型T为Polygon-Slice，则参数P对应数字地球表面上的多边形点序列，参数P包括各点Pi，i=1,2,…,N，其中P1与PN首尾相连，经过各点Pi做椭球面的法向垂线TiBi，其中|TiPi|=|PiBi|=h2，为G中的最大高度；将四边形中的各点Tj、Bj、Bj+1、Tj+1，j=1、…、N-1，当j=N时，四边形中的各点为Tj、Bj、B1、T1，通过坐标变换，由地理坐标转换为笛卡尔直角坐标，笛卡尔坐标系下的四边形TjBjBj+1Tj+1的集合{TjBjBj+1Tj+1}，其中也包含当j=N时的四边形TjBjB1T1，构成Polygon-Slice型切片的几何体。
上述将折线沿椭球面法向进行向上及向下拓展的方法，本申请称之为“TB-椭球法向扩展策略”。
步骤3: 椭球路线型切片显示渲染
基于体绘制中的光线投射算法，在笛卡尔坐标系下，对其渲染流程进行修改，描述如下：
（a）基于三维视点V，光线方向向量D=（d1,d2,d3），建立光线r笛卡尔坐标系下的数学方程；
r(t)=(x(t) ,y(t),z(t))=V+tD=( v1+td1, v2+td2, v3+td3)；
（b）计算光线r与 Line-Slice或Polygon-Slice型切片几何体s的交点，切片笛卡尔直角坐标系下的几何体通过步骤2构建，对光线r与切片几何体s进行几何碰撞检测，即对光线r与切片几何体s中各个四边形进行求交点的几何计算，所有的交点构成点集C；
（c）检查点集C中的交点个数，如果为零，终止采样；
（d）如果点集C非空，即存在相交的点，则从C中获取离视点V最近的一个交点p,并且该点也在原始数据网格的地理范围G内；如果找不到有效的点p，终止采样；
（e）针对点p,在三重纹理texture中在对应点处进行纹理查询，即检索出该点对应的纹理值v，将v传入体绘制的传递函数，计算出该点的颜色及透明度，完成对该点的渲染。
步骤4: 输出体绘制图像
切片上的各点经过步骤3渲染后，形成图像，输出到屏幕上，完成对整个切片的体绘制显示。
综上所述，本申请在切片的几何建模方面，首次提出了一种笛卡尔坐标系下，基于椭球面法向的路线类切片的几何体构建新方法：TB-椭球法向扩展策略。在切片的体绘制渲染方面，提出了采用光线与切片几何体的几何碰撞检测相交点作为直接采样点的新的光线采样方法，并基于原始显示数据地理范围，对体绘制渲染进行了优化，实现了椭球路线型切片的体绘制渲染。传统的体绘制裁剪，常采用辅助纹理表达切片等，会占用较多存储。本申请的算法直接针对光线与切片进行几何碰撞检测求出交点，避免了切片辅助纹理的构建及存储。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，输入椭球路线型切片显示类型及参数，所述椭球路线型切片显示类型及参数包括：
（1）用户选择的切片类型T，所述切片类型T为依据椭球坐标系的三个坐标分量T=Line-Slice或者Polygon-Slice，其中，Line-Slice型切片，针对不封闭的折线；Polygon-Slice型切片，针对封闭折线；
（2）对应的用户输入的参数P：切片所在折线点序列、多边形点序列；
（3）记录原始数据网格中的每个格点（b,l,h）地理坐标系下的显示范围G，其中每个格点（b,l,h）参数满足： ,/>,/>；其中，b1、b2分别为最小维度、最大维度；、/>分别为最小经度、/>最大经度; h1、h2分别为最小海拔高度、最大海拔高度；
（4）每个格点（b,l,h）保存有数值value，基于该网格，构建对应的三重纹理texture；
（5）记录三维视点为向量V=(v1，v2，v3)；
步骤2，基于所述椭球路线型切片进行几何构建，具体为依据所述切片类型T及参数P，构建对应椭球路线型切片的几何体；
步骤3，基于所述对应椭球路线型切片的几何体，对所述椭球路线型切片进行体绘制渲染；
步骤4，完成所述椭球路线型切片上各点渲染后，形成图像输出到屏幕上，完成对整个切片的体绘制显示。
2.根据权利要求1所述的面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法，其特征在于，所述依据所述切片类型T及参数P，构建对应椭球路线型切片的几何体，包括：
如果切片类型T为Line-Slice，则参数P对应数字地球表面上的折线点序列，参数P包括各点Pi，i=1,2,…,N，经过各点Pi做椭球面的法向垂线TiBi，其中|TiPi|=|PiBi|=h2，为G中的最大高度，将四边形中的各点Tj、Bj、Bj+1、Tj+1，j=1、…、N-1，通过坐标变换，由地理坐标转换为笛卡尔直角坐标，笛卡尔坐标系下的四边形TjBjBj+1Tj+1的集合{TiBiBi+1Ti+1}构成Line-Slice型切片的几何体；
如果切片类型T为Polygon-Slice，则参数P对应数字地球表面上的多边形点序列，参数P包括各点Pi，i=1,2,…,N，其中P1与PN首尾相连，经过各点Pi做椭球面的法向垂线TiBi，其中|TiPi|=|PiBi|= h2，为G中的最大高度；将四边形中的各点Tj、Bj、Bj+1、Tj+1，j=1、…、N-1，当j=N时，四边形中的各点为Tj、Bj、B1、T1，通过坐标变换，由地理坐标转换为笛卡尔直角坐标，笛卡尔坐标系下的四边形TjBjBj+1Tj+1的集合{TjBjBj+1Tj+1}，其中也包含当j=N时的四边形TjBjB1T1，构成Polygon-Slice型切片的几何体。
3.根据权利要求1所述的面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法，其特征在于，所述对所述椭球路线型切片进行体绘制渲染，具体为：
基于三维视点V，光线方向向量D=（d1,d2,d3），建立光线r笛卡尔坐标系下的数学方程；
r(t)=(x(t) ,y(t),z(t))=V+tD=( v1+td1, v2+td2, v3 +td3)；
（b）计算光线r与 Line-Slice或Polygon-Slice型切片几何体s的交点，切片笛卡尔直角坐标系下的几何体通过步骤2构建，对光线r与切片几何体s进行几何碰撞检测，即对光线r与切片几何体s中各个四边形进行求交点的几何计算，所有的交点构成点集C；
（c）检查点集C中的交点个数，如果为零，终止采样；
（d）如果点集C非空，即存在相交的点，则从C中，获取离视点V最近的一个交点p,并且该点也在原始数据网格的地理范围G内；如果找不到有效的点p，终止采样；
（e）针对点p,在三重纹理texture中在对应点处进行纹理查询，即检索出该点对应的纹理值v，将v传入体绘制的传递函数，计算出该点的颜色及透明度，完成对该点的渲染。
4.根据权利要求3所述的面向数字地球的椭球路线型切片的几何建模及渲染方法，其特征在于，所述对光线r与切片几何体s进行几何碰撞检测，即对光线r，对应的直线方程为r(t)，使用该直线方程与切片几何体s中包含的所有四边形所在的平面方程依次进行求交点的几何计算，其中，直接使用计算几何中的直线与平面的交点计算算法。
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