二三维可视化（精选8篇）
二三维可视化 篇1
0 引言
随着计算机信息技术、图形技术和网络通信技术的高速发展, 人们对于获取信息的需求层出不穷, 实时的地理位置信息正在成为人们最渴望的信息之一[1]。高准确性、简易方便的地图查询已成为人们日常生活活动中不可或缺的一部分。另一方面, 由于手机等移动设备性能的快速提高, 传统的通信、记事等平面应用已不能满足人们的需求, 移动通信设备功能的娱乐化、多样化越来越受到人们的重视。手机游戏、GPS导航系统、地图服务等代表了未来移动设备的发展方向[2]。2007年11月Google联手34家公司组成的开放手机联盟OHA (Open Handset Alliance) , 推出了一款开源的移动终端软件平台———Android。Android平台集成特有的地图模块、轻量级的SQLite数据库、高效的2D、3D绘图方案以及多媒体技术等等, 将智能移动终端的应用开发推向了另一个高潮。
在图形显示方面, Android系统采用开源的向量图形处理函数库 (Skia) 和基于嵌入式3D图形算法标准Open GL ES来分别实现二三维图形的绘制[3]。Open GL ES是一个跨平台的图形库, 是专门为嵌入式系统而设计的, 提供了功能完善的2D和3D图形应用程序接口API, 由精心定义的桌面Open GL子集组成, 创造了软件与图形加速间灵活强大的底层交互接口[4]。因此, 其在多个领域中得到了广泛的研究和尝试。在游戏开发方面, 国内外现已有多款基于Open GL ES的二维、三维游戏引擎, 如:And Engine、libgdx、j PCT-AE等[5], 这些游戏引擎能够实现炫丽的游戏场景可视化和多媒体效果;在模型构建方面, Open GL ES也得到了广泛的应用, 如:医学领域的人体器官模型的可视化, 制造工业上的机器三维仿真, 地形模型等;另外, 人们也在尝试将Open GL ES与GIS相结合, 以弥补GIS不能实现三维地形的缺点[6]。从当前的研究状况可以看出, Open GL ES的研究已取得了初步成果, 并且其高性能的渲染能力受到了各个领域的重视, 尤其是在游戏场景和三维地形的可视化方面。然而, 基于Open GL ES的研究多用于静态模型的渲染, 存在数据量小, 对实时性要求不高等缺点。
为了实现二维地图和三维模型的动态显示, 笔者设计并开发了一款Android系统下的基于Open GL ES的二三维地图可视化客户端软件。考虑到移动终端的地图显示所需的数据量大、实时性要求高、计算资源有限等特点, 采用了多线程、缓存机制以及优化三维模型等方法, 提高了系统的实时性。
1 二三维可视化系统
本文所设计的二三维可视化系统的架构如图1所示, 主要由三部分组成: (1) 客户端。主要实现系统的逻辑处理、二三维地图显示以及负责与用户的交互, 将用户的请求发送到后台服务器; (2) 服务器端。负责接收客户端的请求并对请求作出响应, 发送到客户端; (3) 数据库。作为数据存储的介质, 只能被服务器访问。图1所示架构的优点如下: (1) 客户端不需要进行大量的计算和数据存储, 降低了客户端的实现难度和对硬件的要求; (2) 采用统一的通信协议和文件格式, 可以实现与不同平台的客户端对接; (3) 服务器端直接与数据库连接, 保证了数据的安全性和一致性。
限于篇幅, 本文中重点介绍二三维地图可视化客户端的设计与实现, 其功能结构主要包括安全控制、地图操作以及设置3个主功能模块, 如图2所示。安全控制模块包括用户登录和注册两个子功能;地图操作模块包括二维地图显示、三维场景显示、地图平移旋转浏览以及缩放等子功能;设置模块主要包括设置语言 (中文或英文) 、设置显示模式 (白天或晚上) 以及清除缓存。
本文中客户端最重要的部分是实现二三维地图可视化以及对地图的基本操作, 其中涉及到Open GL ES对地图的渲染技术以及缓存、多线程机制和模型精简等系统优化方法, 下文将详细介绍所用到的关键技术。
2 瓦片地图的动态显示
2.1 缓存机制
由于移动终端的计算资源有限, 为了提高地图数据的处理速度, 本系统采用了一个瓦片三级缓存机制。第三级为远程服务器, 存储了所有必需的瓦片地图数据, 但是从Android终端访问服务器地图数据速度缓慢, 因此应减少对服务器的访问, 只有在一级与二级缓存中都无法获取数据时才访问服务器;第二级为Android终端SD卡, 从服务器获取的瓦片数据, 首先缓存到本地, 缓存大小有10M左右, 当缓存的数据量大于10M时, 则通过LRU (最近最少使用) 算法替换数据, 对本地数据的访问速度优于服务器的访问。第一级为内存, 访问速度最快, 缓存瓦片数量为20, 大小在200K左右, 同样会使用LRU算法进行数据的替换, 从本地获取的数据会缓存到内存中, 图3描述的是三级缓存机制下的瓦片数据请求顺序。
2.2 多线程
多线程是一种改善资源使用率和提高系统效率的并发技术。本系统中, 为了填满手机屏幕 (包括预加载) , 绘制一次需要9-12个瓦片, 当快速拖拽、移动地图时, 请求的瓦片的数量很大、频率很高, 为了提高瓦片请求的效率, 使用了线程池技术, 创建多个瓦片请求的线程, 对于本地请求的线程数量为6, 而对于远程 (在线) 请求线程数量为2。同时为了解决并发中的安全性问题, 分别使用锁机制以及sychronized对内存中瓦片缓存数据以及瓦片请求进行保护。
2.3 Open GL ES坐标和地图坐标映射
在任何领域内的GIS软件开发中, 对地图文件的放大、缩小、开窗放大、漫游等操作都需要进行频繁的地图坐标与像素坐标转换计算[7], 该算法的实现效率直接关系到整个系统的性能。本系统中, 瓦片地图的显示、拖拽、放大、缩小都需要用到地图坐标与像素坐标之间的转换, 由于瓦片渲染是在Open GL ES坐标系中完成的, 因此像素坐标和Open GL ES坐标之间也要进行转换。地理坐标定义规则:X轴 (代表经度) 向右递增, Y轴 (代表纬度) 向上递增 (如图4所示) 。屏幕坐标定义规则:X轴向右递增, Y轴向下递增 (如图5所示) 。Open GL ES坐标定义规则:X轴向右递增, Y轴向下递增 (如图5所示) 。可以看出, 屏幕坐标和Open GL ES坐标定义规则相同, 因此我们可将地图的地理坐标直接转换为Open GL ES坐标, 它们的区别仅仅只是在于Y轴递增方向是相反的。在这里我们采用的地图坐标系为局部X、Y坐标系。
通过以上分析, 可以得到地图坐标与Open GL ES坐标的转换关系为:
即分别利用横向和纵向相似比, 获得地图坐标与Open GL ES坐标的转换公式。
2.4 瓦片地图渲染
本部分使用的是Open GL ES的2D绘制方式, 即使用正投影。在瓦片地图的渲染过程中, 首先将瓦片图片转换生成纹理, 并设置纹理的拉伸、过滤等属性, 然后设置底层矩形顶点坐标以及纹理映射坐标, 最后进行矩形的绘制和纹理映射[8], 其中, 可以通过手势移动瓦片。其过程如图6所示。
在二维瓦片地图显示界面, 本系统还实现了地图移动和缩放功能, 以方便用户的查看。界面如图7和图8所示。
3 三维场景的绘制
3.1 三维场景建模
三维场景能够生动、形象地表达三维空间信息, 为空间信息的可视化提供了更丰富的含义。三维场景建模的首要任务就是要收集建模的数据, 主要包括建筑物、植被、河流、道路和边界等要素[9]。以此为依据, 分析场景中存在的数据源。这些数据源包括: (1) 建筑物的规划设计图, 作为建筑物建模的参考资料; (2) 场景的数字地图 (地形图、地籍图等) , 主要提供该区域的地理信息; (3) 摄影测量数据, 主要提供丰富的纹理数据和语义信息; (4) 遥感数据, 提供丰富的几何和语义信息数据[10]。根据以上分析, 本系统所需的建模数据主要有:二维图形、地形图、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。
在本系统中, 根据获取到的数据信息, 使用3ds Max建模软件, 建立三维场景的模型, 该软件模型表达精细, 建模工具丰富[11], 能够满足系统中对三维模型的需求。整体流程如下[12]:
(1) 对可视化区域的地理环境进行地形、地貌建模, 根据该区域的地形图, 分析其地形特点并划分区域。
(2) 对各个区域中的主要建筑物、道路、标志物等建立三维模型。
(3) 对模型进行表面贴图, 主要对建筑物、地表等景物贴上处理好的纹理和材质, 使其具有形象、真实感。
3.2 模型优化
因为移动设备的资源非常有限, 又因为三维场景模型一般比较复杂, 所以我们要在尽量不影响显示效果的前提下降低资源的占用, 即对三维模型进行精简优化。
影响三维模型复杂度的主要因素有:模型的总面数、模型的总个数、模型的贴图总量。因此, 我们通过以下方面来优化模型[13]:
(1) 模型个数的精简
将相连接且具有相同材质的模型进行合并;用镂空贴图来表现花草树木。
(2) 模型面数的精简
将模型表面的段数降到最低, 减少面数;删除模型之间的重叠面 (如图9) ;删除模型底部看不到的面;删除物体之间交互的面 (如图10) 。
(3) 减少模型纹理文件
利用3D视角, 将不可见面的纹理删除;在不影响显示效果的前提下, 降低纹理图片的质量。
3.3 模型渲染
根据上文介绍的模型建立和精简技术, 我们得到了场景的三维模型, 接下来要实现三维模型的可视化。
由于Open GL ES不能直接读取模型文件, 因此, 我们需要将三维模型文件导出为Open GL ES能够读取的文件, 在这里我们选择了比较通用的OBJ文件格式。导出OBJ文件后, 对其格式进行分析, 通过Java编程将文件中的顶点坐标、纹理坐标、法向量等信息读入到数组中。然后, 运用Open GL ES进行模型的绘制和渲染, 其过程见图6。
模型渲染后, 我们便可看到三维的场景, 并可通过手势改变场景视角, 效果如图11、图12所示。
4 结语
本文充分考虑到现在人们对位置信息的需求, 根据Android图形系统的特点, 采用Open GL ES实现瓦片地图和三维场景的可视化。通过运用缓冲机制、多线程机制提高系统性能;并给出了三维场景建模以及优化模型的方法。在保持良好的视觉效果的同时, 提高了系统的实时性。因此, 本文设计的二三维可视化系统在人们的日常生活中具有一定的使用和推广价值。
电磁态势的三维可视化研究 篇2
关键词： 电磁环境 虚拟仪器 多信号模型
历来，善于指挥作战的将帅都高度重视对战场中“势”的运用和把握。孙子曰：“故善战者，求之于势，不责于人，故能择人而任势。”在目前复杂的环境中，电磁领域是看不见的。电磁环境成为人类生存环境的新要素，认识、把握和利用电磁态势成为信息化的必然要求。电磁态势是指在特定的时空范围内，电磁设备的配置、电磁活动情况及其变化所形成的状态和形势，这种态势在实际中是看不见、摸不着的。现代环境中电磁态势瞬息万变，为有效控制战场，利用已有侦察数据，可视化地显示出不可见的电磁态势十分必要。
一、提出的方案
电磁环境三维仿真系统利用三维GIS技术、计算机图形学技术对真实地理环境中的电磁态势进行空间域和时域的绘制，并将其嵌入利用OSG搭建的三维虚拟战场环境中，使现代战场中的各武器系统、通信系统、雷达系统等发出的强度、频率不同的电磁信号及电磁信号的相互作用的结果可视化地表现出来，实现虚拟现实中电磁态势的三维可视化。
图1 电磁环境可视化表现内容
利用数字高程图和卫星图片，制作三维GIS地图。既包括高山、丘陵、沙漠、平原、海岛、海洋等各种地理环境的可视化，又包括云、雨、雾、风、雪等各种气象条件的三维可视化。
三维视景引擎的目的是对作战实体、以地形地貌、气象和电磁环境为主的战场环境进行渲染和表现。目前主流的三维渲染引擎包括：OpenGL，DirectX，OSG，Vega Prime等。基于Open Scene Graph的三维电磁态势显示系统，首先要求制作一个虚拟作战实体模型，尽可能地接近现实的样式。作战实体模型的制作属于三维建模范畴，场景中的物体多为直线条的组成，结合3DSMAX2009的特点，采用多边形建模，它简单、编辑灵活，对硬件的要求很低，而且几乎没有什么模型是不能通过多边形建模完成的。
其次建好作战实体模型后，配置基于Open Scene Graph三维引擎程序的环境，包括系统环境的配置和VisualC++2010的配置，后编写基于漫游程序代码，载入建好的作战实体模型，达到虚拟漫游功能的相关要求。
三维GIS技术可以通过地形的模拟变换改变虚拟战场的环境，让受训人员在不同的场景中体验不一样的作战环境，从而为实地战场做好充分准备。另外，GIS技术在电磁辐射源相关空间数据的获取、管理、分析、模拟和显示等方面也起到了不可替代的作用，并且在战场电磁态势可视化和进行电磁态势评估方面具备广阔的应用前景。
在技术手段上，本项目可以利用高清卫星图片、高分辨率DEM数据、二维矢量数据等信息资源，基于三维GIS引擎，创造出包含地形地貌和常规地理信息的三维地理战场环境。为便于为上层应用提供灵活的地理环境背景支撑，可以采用LOD模式，分类、分层组织管理地理要素，实现各地图图层动态加载、显示和隐藏的灵活控制。
三维GIS面临的最大难点是海量数据处理。由于地理数据量相当庞大，因此现实中开发人员会对海量数据提出一些比较完善的解决方案，促进图形学相关软件与硬件不断相结合，完成人们假想的比较完善的海量数据解决方案。由于Open Scene Graph的各种优异特性，因此，如果使用它解决海量数据问题，那么基于Open Scene Graph便是非常理想的虚拟现实漫游系统。海量地形数据往往分为两个部分：一个是大高程图，另一个是大纹理。如何处理高程图与纹理成为解决海量地形数据问题的关键因素。一种理想的解决方案可以描述如下：当场景中需要显示某一块地形时，就载入内存，渲染输出；当场景中的地形从显示到不显示时，所占有的内存会立即得到释放；远处的场景是模糊的，在近处是清晰的才会有适当大的开销。
二、仿真结果
1.地理GIS
使用OSG完成上述解决方案，这样OSG就具备了处理海量地形数据的能力，海量地形据的瓶颈被打破后，OSG引擎的优势便会更加明显。采用OSG最终开发的三维GIS如图2所示。
（a）全球三位GIS图全景 （b）山区GIS
图2 OSG制作的三维GIS效果图
2.电磁环境
理论上，雷达的探测空域由雷达方程决定。图中给出了某雷达的作用区域图。我们这里采用环形网状的曲线表示雷达的作用区域边界。当目标（飞机）处于曲线所构成的曲面内时，雷达可以探测到目标；当目标处于曲面以外时，雷达“看不到”目标。
当雷达受到某个方向的干扰时，会产生探测空域上的凹口（图3），给出了雷达受到干扰之后的探测空域。图中的凹口处表示探测距离的缩短。在绘制探测曲线时，这里采用经纬度的方式分别进行绘制。雷达探测曲线采用环形网状表示。
图3 地面雷达探测区域
参考文献：
[1]Junfeng Yao，Chao Lin.Path Planning for Virtual Human Motion Using Improved A*Star Algorithm[J].Information Technology：New Generations（ITNG），2010 Seventh International，2010，1154-115：8.
[2]Xin Tan，Dingfang Chen.A Hybrid Approach of Path Planning for Mobile Robots Based on the Combination of A CO and APF Algorithms[J].International Workshop on Intelligent Systems and Applications，2009.5：1-4.
[3]LONG Bing，GAO Xu，LIU Zhen.Hierarchical Modeling Method for Multi-Signal Model Based on Visio Control Component[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China.2012，3，Vol（41）2：259-264.
[4]ZHANG Hong bo，CAI Xiao feng.Development of Graphic Power Flow Calculation Software Based on Visio Drawing Control[J].Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，2009，Vol（30）1，2：70-72.
二三维可视化 篇3
矿产资源储量管理, 贯穿于矿产资源调查、规划、管理、保护和合理利用的全过程, 是做好国土资源管理工作的重要基础。而应用现代化的数据库和三维可视化技术建立矿产资源储量空间数据库系统, 实现矿产资源储量属性数据和图形数据的信息化, 对于加强和改进矿产资源储量管理工作, 推进矿产资源管理方式和利用方式的根本转变, 具有极其重要的作用。为积极推进国土资源调查评价、规划、管理和保护与合理利用的现代化进程, 通过使用Micro Mine软件平台实现对矿山资源储量、开发利用及储量变化情况三维可视化动态管理, 能够实现国土资源数字化信息基本适应国民经济发展和国土资源管理工作的需要。河北省矿产资源储量三维可视化动态管理试点项目由河北省国土资源厅资源处立项, 河北省矿业协会实施, 陶二矿为邯郸矿业集团的试点单位。
2 性质用途
通过Micro Mine软件平台实现对邯郸矿业集团陶二煤矿的矿山资源储量、开发利用及储量变化情况的三维可视化动态管理, 为今后矿山生产工作提供先进的科学技术支持。
3 适用范围
本次关于陶二煤矿的矿山资源储量、开发利用及储量变化情况的三维可视化动态管理, 对国土资源工作的科学化和现代化水平有着重要的意义。为今后矿山生产工作提供先进的科学技术支持。通过Micro Mine软件平台建立矿山数据库, 建立地质模型、储量模型。利用该模型可是根据需要在任意方向上切取剖面, 计算煤层的储量, 从而准确形象的三维立体显示非常直观明了实现对矿山的动态管理, 适用范围较广。
4 采用的科学技术原理
结合实际的钻孔数据, 以地质勘探线为参照, 勾画出每个煤层的剖面线, 然后在3D视图浏览器中创建线框生成3D的煤层模型。因为煤层类型是煤矿, 所以不用进行品位的计算, 直接使用煤层模型的体积乘以煤层的容重即可得出煤层的储量。煤层储量计算是在三维储量模型的基础上直接利用数理统计方法求出煤层的体积, 各煤层的储量按以下公式计算:煤层储量=体积×容重。
5 创新点
将三维可视化技术应用与储量计算中, 使用煤层的三维可视化模型圈定的煤层与用传统方法圈定的煤层在分布、形态和产状上基本吻合, 且应用数理统计学直接计算各煤层的体积, 其储量计算结果更接近实际。利用该模型可是根据需要在任意方向上切取剖面, 而准确形象的三维立体显示非常直观明了。参考该模型提供的数据, 能够使管理者随时根据市场变化调整开采方案, 从根本上更好的实现对矿山的动态管理。
6 成果投入使用的时间和地点, 时间检验效果, 成果使用的适应性和可靠性
该项目从2010年5月开始至2010年10月共完成了陶二煤矿的1号、2号、4号煤层的地质模型和储量模型。
1) 准备工作。查阅矿山的相关地质报告, 收集钻孔数据、巷道数据等相关资料和图件。将全部的资料制成电子版。2) 录入钻孔数据。首先使用钻孔柱状图建立相关的钻孔数据库文件, 包括井口文件、分析文件、测斜文件。其中井口文件用于存储钻孔的位置包括井口的XYZ坐标和钻孔的长度, 分析文件用于存储钻孔钻探内容包括了钻孔钻探到的每一个煤层的编号、位置和厚度, 测斜文件用于存储钻孔的倾斜数据。然后进行钻孔数据的录入, 钻孔录入完毕后还要多次的校验。3) 录入相关的线数据。根据CAD格式的采掘工程平面图, 导入井田边界、地质勘探线、采空区、保护煤柱、地损区的平面线。根据导线点坐标和采掘工程平面图制作巷道模型, 建立由主井、副井、风井、井底车厂、大巷、上山、回采巷道、工作面等构成的生产系统。4) 剖面解译。在“视图管理器 (Vizex) ”中显示钻孔数据库的钻孔轨迹, 并在“轨迹显示”的颜色集中以不同的颜色显示出每个煤层。建立煤层剖面线, 使用断面工具根据地质勘探线显示剖面视图, 在剖面视图下使用捕捉点功能捕捉钻孔轨迹上的煤层点勾画出每一个煤层的剖面线。5) 建立线框生成煤层模型和地质模型。在三维视图中加载煤层的剖面线和断层剖面线, 使用线框工具捕捉剖面线生成由线框构成的模型。6) 建立储量模型。根据井田边界、采空区、保护煤柱、地损区和煤层情况对煤层模型进行布尔运算, 将煤层按照储量类型分块, 并且根据块段类型分别命名统计。7) 储量报告。根据储量模型的块段类型及容重计算并统计每种储量的数量, 并生成储量报告。8) 陶二矿三维储量计算结果对比:1号煤储量计算结果, 结合《河北省邯郸矿区陶二煤矿扩大区煤炭资源储量核实报告》中1号煤地质储量, 相对比此次计算结果变化率4%。2号煤储量计算结果, 结合《河北省邯郸矿区陶二煤矿扩大区煤炭资源储量核实报告》中2号煤地质储量, 相对比此次计算结果变化率0.01%。4号煤储量计算结果, 结合《河北省邯郸矿区陶二煤矿扩大区煤炭资源储量核实报告》中4号煤地质储量, 相对比此次计算结果变化率5.6%。储量计算结果是和《河北省邯郸矿区陶二煤矿扩大区煤炭资源储量核实报告》的数据相对比, 此核实报告距离此次储量计算日期不同, 在此期间内随着矿山的生产开采储量减少。为了使计算数据具有可对比性, 需要将此次储量计算结果结合上矿井损失量才能与《河北省邯郸矿区陶二煤矿扩大区煤炭资源储量核实报告》中的储量数据相吻合。
7 与原事物比较主要效益 (经济效益和社会效益)
以往的块段储量计算方法以每年储量计算投入约10~15天, 根据储量模型的块段类型及容重计算所需时间仅2~3天时间, 所需时间短, 节省了人力、财力。且传统的块段储量计算方法中需要使用可采煤层厚度和面积的算术平均值这将给计算的储量与实际储量带来偏差。我国今年来长期采用的传统矿产资源储量计算的方法已不能满足矿业发展的需要。与此相比, 基于三维储量模型的储量计算和根据圈定的三维煤层利用数理统计学直接计算各煤层的体积, 其储量计算结果更接近实际, 且操作快捷。该项研究成果在陶二煤矿的成功应用取得了较好的经济效益和社会效益。
8 推广应用前景
通过使用Micro Mine软件平台实现对矿山资源储量、开发利用及储量变化情况三维可视化动态管理, 能够实现国土资源数字化信息, 基本适应国民经济发展和国土资源管理工作的需要, 并全面提高国土资源工作的科学化和现代化水平。
9 存在的问题及改进意见
植物的三维可视化研究 篇4
所谓植物形态建模,不仅模拟植物的常规形态特征,同时也需模拟植物在环境条件下的形态响应,即植物的“真实”三维形态结构,并最终实现植物的结构和功能的并行可视化模拟。总体而言,国内外对于植物三维形态建模方法进行了很多的研究,主要通过研究玉米、小麦、棉花等植物的三维形态,验证了不同建模方法在植物建模中的利弊。按照建模的方法和目的的不同可将数字植物模型分为静态模型和动态模型[6]。针对以上问题,本文以油菜和草莓为研究对象,通过观察其主要形态结构特征,进行了不同方法的植物三维形态几何建模与真实感绘制技术的探索。
1 植物形态结构特征
不同的植物形态结构不同,为了创建“真实”的三维植物模型,首先需要我们对于植物的形态结构特征进行了解。植物的形态结构往往随着生长周期的不同而具有差异,因此,本文通过定期观察不同植物生长过程中各类器官的特征以及各类器官在生长过程中的相互关系,提取了不同时期不同植物形态结构特征,为后续的植物三维模型创建奠定了植物学基础。
1.1 植物形态结构提取
1.1.1 二维数据测量
本文以油菜和草莓为例,以2天为时间单位测量植物的相关指标,主要采用直尺、量角器、软尺等测量工具,获取植物在不同生长时期主要器官的主控参数等。例如在油菜幼苗期,主要是以叶子为主的形态结构,因此在进行二维数据测量时,注重测量叶片的形态结构数据,例如叶片长度与宽度、叶柄的长、叶片着生点、叶片生长的方位角、倾斜角等参数。
1.1.2 三维数据
在植物生长周期过程中,同时定期对整株的植物和器官进行三维数据获取,利用三维数字化仪和三维扫描仪获取整株植物和单个叶片的三维数据。对于单个器官(如叶子、果实)可采用三维数字化仪中的探笔进行器官中少数点云数据的获取工作。
2 植物三维模型
植物三维模型的创建往往取决于数据的类型,根据获取的二维与三维数据不同,决定了单个器官与植物整株的建模方法。
2.1 二维数据建模方法
通过对植物的二维观测数据进行统计分析,确定了植物单个器官以及整株模型之间的几何关系,通过分析得到的约束关系,采用插值的方法进行植物单个器官和整株模型的可视化显示。例如在油菜幼苗期中,油菜叶片的各个参数之间存在着一定约束关系,由图1可知,幼苗期油菜叶片的叶长与叶宽之间的比例关系L/W保持在1.5~2.5之间波动。因此可设置油菜叶片模型参数为叶长叶宽比L/W。通过调控以上参数,便可以获得不同形态的幼苗期油菜叶片模型。
草莓的叶由3片叶组成,叶片中央纵贯一条主叶脉,叶片边缘有锯齿状缺口,即锯齿型叶缘,如图2所示。通过对叶片的观测可知,叶长与叶宽决定了草莓叶片的整体形态特征,因此设定叶长、叶宽作为叶片几何模型的主控参数;同时叶缘锯齿方向和叶片的叶脉分枝有比较大的联系,并与其所在叶片边缘之间存在一定的夹角,且锯齿之间方向的变化也有一定的联系。
设定点O为坐标原点,锯齿顶点P的坐标可由锯齿长度L1、锯齿方向角αi和锯齿间距l1确定(见公式(1))。
对于符合约束条件的植物单个器官和整株模型,如,植物的茎秆和油菜花序等,均可采用二维植物建模方法,进行数据的分析和约束参数的提取,从而采用不同的样条方法进行植物单个器官和整株模型的创建。但是植物的形态与环境之间存在相互影响的关系,因此,采用二维数据建模方法创建的三维植物模型真实感与实际植物模型之间有一定的差距。
2.2 三维数据建模方法
随着三维数据获取技术的发展,越来越多的三维扫描仪应用到植物建模中,常用的有手持式三维扫描仪和小型三维扫描仪,进行植物单个器官和整株模型的三维数据获取,同时也可以采用探笔进行单个器官和整株模型特征点的提取,从而实现某一特定时期的植物单个器官和整株模型。与二维数据建模方法相比,该方法创建的三维模型与真实植物具有极高的相似度,但是,在交互设计方面,具有太多的局限性,往往生成的模型再次编辑具有很大的难度。
3 三维植物模型可视化
鉴于二维建模方法和三维建模方法的优缺点,在本文中采用两种相互结合的方法,进行了油菜与草莓的三维植物模型[7,8,9,10],针对不同的植物器官采用合适的方法进行三维模型的创建,同时基于植物的拓扑结构进行整株植物的三维模型创建。根据上述的三维植物模型的创建方法,结合Open GL图形标准,采用VC++在计算机上创建了油菜和草莓的三维建模可视化系统。为增强模型的真实感效果,通过纹理映射技术对各器官模型和整株模型进行渲染,整体效果如图3所示。
参考文献
[1]赵春江,陆声链等.数字植物及其技术体系探讨.[J]中国农业科学,2010,43(10):2023-2030.
[2]刘志远,郑永果.基于VTK的医学图像三维重建[J].信息技术与信息化,2009(2).
[3]杨洪兴,王涛等.基于MIMU的人体三维姿态检测系统设计[J].信息技术与信息化,2012(12).
[4]李旭,唐斌等.三维GIS大规模地形实时渲染技术的研究[J].信息技术与信息化,2011(12).
[5]冯伟.高职院校虚拟校园分析与实现[J].信息技术与信息化,2010(10).
[6]郭炎,李保国.玉米冠层的数学描述与三维重建研究.[J]应用生态学报.1999,10(1):39-41.
[7]赵丽丽,郭新宇等.油菜花序三维形态结构数字化设计技术研究.[J]农机化研究,2011.5.
[8]赵丽丽,温维亮等.草莓三维形态几何建模与真实感绘制.[J]中国农学通报,2011,27(6).
[9]赵丽丽,陆声链等.3D Shape Reconstructionand Realistic Rendering of floweringrape(Brassica napus L.).[C]The 2011International Conference on Multimedia andSignal Processing.2011.4.
林区地形三维可视化关键技术 篇5
一、地形三维可视化概述
地形可视化概念是在20世纪60年代以后随着地理信息系统的诞生而逐渐形成的。它是一门以研究数字地形模型或数字高程域的显示、简化及仿真等内容的学科, 涉及遥感、地理信息系统、虚拟与现实及地形的穿越飞行等领域。各相关科学技术的飞速发展, 大大促进了该技术的更新, 为三维地形可视化及其实时绘制技术的实现提供了条件。针对不同的应用目的, 常用的地形三维可视化技术大致有利用曲面生成三维地形、利用分形技术生成三维地形和基于数字地形模型数据的地形可视化3类。
二、林区DEM的建立
1. DEM的主要表示模型。
DEM的实质是对地球表面地形地貌的一种离散的数学表示。DEM主要有3种表示模型:等高线模型、规则格网模型 (GRID) 和不规则三角网模型 (TIN) 。等高线模型根据已知点高程值的集合来表示整个区域的高程状况, 每一条等高线对应一个已知的高程值, 故一系列等高线的集合及其高程值即构成了地面高程模型。GRID将区域空间划分为规则的格网单元, 每个格网单元对应于一个数值。对每个格网单元数值的解释有两种观点:一是将其看做格网栅格, 数据表示栅格中所有点的高程值, 因此该数字高程模型是一个不连续的函数;二是认为该网格单元的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值, 这样就需要用插值来计算每个点的高程, 是一个连续的函数。TIN通过不规则分布的数据点生成连续三角面来逼近地形表面。区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内;若点不在顶点上, 该点的高程值可通过线性内插方法得到, 故其是一种三维空间的分段线性模型。
2. DEM数据的获取与建立。
DEM数据的获取方式主要有4种, 分别是野外实地直接测量获取DEM数据、利用摄影测量获取DEM数据、以地形图为数据源获取DEM数据和通过遥感图像处理获取DEM数据。由于建立数字高程模型的数据源不同, 所采用的数据存储结构即DEM的建模方法也不同。普遍情况下, 规则格网建模方法能满足地形三维显示的要求, 而且表达简单, 表面分析功能强, 可利用此方法对地形建模。在此基础上, 将地形图数字化、矢量化得到等高线和高程点等三维数据, 利用等高线构建TIN, 通过TIN内插成DEM。
三、区遥感影像处理
地形地貌是自然界最复杂的客观实体, 很难用数学模型准确描述, 特别是林区地形表面的地貌更是千变万化, 不可能用统一的模型进行描述。遥感的出现解决了这一问题, 遥感成像周期短、图像信息丰富, 能真实地记录地表状况, 成为三维地形仿真的主要数据源。将遥感影像作为纹理贴于三维地形表面, 可大大提高林区三维地形仿真的精度和真实感。
1. 辐射校正。
受大气吸收、散射及其他随机因素影响, 可能造成图像模糊失真、分辨率和对比度下降, 故需要通过辐射校正复原。辐射校正包括系统辐射校正和大气辐射校正。系统辐射校正处理的是由传感器本身产生的畸变, 畸变可导致接收的图像不均匀, 产生条纹和“噪声”。一般来说, 这种畸变在数据生产过程中由生产单位根据传感器参数进行校正。大气辐射校正有直方图最小值法和回归分析法2种方法。直方图最小值法的前提是在一幅图像中总可以找到某种或某几种地物, 其辐射亮度或反射率接近于0, 亦即存在理想黑体, 那么, 在理想状态下直方图的最小亮度就应该为0, 若不为0, 就认为是大气散射所致。根据具体大气条件, 各波段要校正的大气影响是不同的。为确定大气影响, 显示有关波段图像的直方图, 校正时将每一波段中每个像元的亮度值减去本波段像元亮度的最小值即可。回归分析法则在不受大气影响的波段图像 (近红外波段) 和待校正的波段图像中, 选择从最亮到最暗的一系列目标, 对每一目标的两个波段亮度值进行线性回归分析, 回归直线在纵轴上的截距就是该波段的程辐射度, 将该波段的所有像元的亮度值减去此截距值就实现了大气校正。
2. 几何校正。
遥感图像在获取过程中, 由于多种原因导致多种目标物相对位置的坐标关系在图像中发生变化, 这种现象被称为几何畸变。遥感影像几何校正包括几何粗校正和几何精校正2种方法。粗校正一般是由地面站处理。精校正则在粗校正基础上进行, 利用地面控制点对由各因素引起的图像的几何畸变的校正。它直接利用地面控制点数据对图像的几何畸变进行数学模拟, 并认为总畸变是挤压、扭曲、缩放、偏移及其他变形综合作用的结果。首先, 利用地面控制点数据确定一个模拟几何畸变的数据模型, 以此建立原始畸变图像与标准空间的某种对应关系;其次, 利用这种关系将畸变图像空间中的全部元素转换到标准空间, 实现几何精校正。
3. 影像融合。
遥感技术的发展为人们提供了丰富的多源数据, 这些来自不同传感器的数据具有不同的时间、空间和光谱分辨率。单一传感器获取的图像信息量有限, 往往难以满足应用需要;影像融合则能实现不同传感器、不同分辨率的海量数据的有效结合。林区植被类型丰富, 遥感响应较为复杂。全色影像一般具有较高的空间分辨率, 多光谱影像含有丰富的光谱信息, 将全色影像和多光谱影像融合, 既可以提高多光谱图像的空间分辨率, 又可以保留其多光谱特性。根据信息抽象程度及融合应用层次的不同, 融合可划分为像素级融合、特征级融合和决策级融合3个层次。像素级融合是最成熟的遥感信息融合方法, 包括色彩变换方法、数字统计方法、数值计算方法及多分辨率分析方法等。
4. 正射校正。
正射校正其实是一种三维的影像校正方法, 它根据影像的内外方位元素和摄区的DEM, 采用数字纠正方式完成影像的校正, 生成正射影像。由于原始遥感影像存在一定的几何变形, 而该几何变形是由各种各样的系统误差和非系统误差引起的 (如地形起伏、量测误差等) , 若在没有经过校正的图像上直接测量, 获取的信息与数据则会不精确, 数据实用性将降低。正射影像校正处理扩展模块ERDAS Ortho BASE, 可以对来自不同类型的相机或传感器的图像进行快速而精确的三角测量和正射校正, 与传统方法相比, 可以减少很多费用和时间。
四、林区地形三维可视化实现
可视化数据包括图像栅格数据、地理要素矢量数据和文字符号标注数据等多种类型数据, 它们之间的叠加以地理坐标为基础。要制作林区三维地形影像, 必须做到不同数据间的坐标匹配, 目的是将不同来源的数据转换到同一坐标系中。通常先设定一个参考坐标系作为配准依据, 而后将其他数据转换到该地理坐标系中。DEM是由数字化地形图上的等高线和高程点生成的, 在对地形图进行矢量化之前, 利用Arc GIS进行了地形图的校准, 从而建立坐标系统。遥感影像的来源渠道较多, 坐标信息亦千变万化, 而影像的几何精校正完成了投影坐标的转换, 实现了图像与DEM的配准, 使遥感影像与DEM具有相同的投影坐标系。地理要素和文字符号注记均是依据地形图内容而进行的特征数字化或文字符号注记, 与地形图存于同一坐标系中, 不需要重新配准。
频谱态势三维可视化技术研究 篇6
电磁态势是客观、准确、直观、生动表征电磁环境时域、频域、空域以及能量域当前状态和未来趋势的特性量, 是由时域、频域、空域以及能量域形成的特定图案, 这些变量组成了战场上可识别的电磁频谱特征, 是频谱管理的一个重要依据。电磁态势的可视化是支撑制定频谱使用计划和管理方案的一个前提和基础, 它为指挥人员提供一种掌握电磁态势的手段, 将“看不见、摸不着”的电磁环境直观、生动、可见的展现出来。早期的学者更多的采用了二维图形的方式对电磁频谱态势时域、频域、空域不同切片上的特征进行了表征。但电磁频谱态势信息是超六维的信息, 为更加直观、有效的将电磁频谱态势信息展示出来, 以便于指挥人中员更好的理解、掌握电磁环境, 需要利用三维或超三维的形式。本文正是基于此目的, 对电磁频谱态势的三维展示技术进行了研究。
频谱态势三维可视化是一门研究频谱栅格模型的显示、简化、仿真等内容的综合性学科, 它属于计算机图形学的一个分支。除了计算机图形学外, 高等代数和解析几何也是它重要的基础知识。同时, 它的应用涉及三维地理信息系统GIS (Geographic Information System) 、战场电磁环境仿真、频谱栅格数据的可视化等领域。
二、电磁频谱栅格模型
1. 概念
电磁频谱态势三维展示反映特定时刻、特定频率不同地理位置、不同地面高度电磁能量全空域分布特性;表征思路是以地理经度和纬度为水平坐标、地面高度为纵向轴, 以三维着色体数据表示电磁能量强弱变化。结合装备特点, 电磁能量空间分布态势可推演得到通信台站覆盖空间、雷达探测范围等态势。
2. 表征方法
栅格模型通常有三角网和等值面两个不同的表示方法。其中用不规则三角网来表示电磁频谱态势图, 人们最初觉得它与三角形地形网应该相匹配, 叠加在一起比较吻合;用等值面来表示频谱能量域的数据是随着计算机的出现而提出的, 它实际是用一个二维数组来表示频谱的能量值, 其格网的宽和高通常是缺省的。
三角网的数据结构是三类网格阵列表示中最复杂的, 通常要在处理时间与内存占用之间找到平衡。一方面, 要向在三角形的修改时, 能快速搜索到需要的数据, 就得采用复杂的数据结构。而另一方面, 复杂的数据结构需要消耗更多的内存。由于三角网地形的复杂度, 远远超过了栅格数据的精细度, 导致依据地形三角网插值栅格数据大量消耗内存。
等值面地形实际上就是一个二维数组, 其元素为栅格结点上的能量值和场强加属性的值。一般从等高线转换到栅格频谱图, 通常需要找到格网结点周围等高线上的点, 然后进行插值计算。采用四叉树插值的算法。对于一层Div上的态势数据如果其起始点态势数据为F (a, b) 中止点数据为F (a+1, b+1) , 则由双线性差值算法可知在Div层上有任意点 (x, y) 上态势数据如公式 (1) 所示为:
四插树差值表征的数据层显示流程如图1所示, 对于地图上一层Div n的态势数据, 经由细分和缩放显示, 需要获得经度是Div n数据量4倍的Div n+1的态势数据, 由此可知, 态势数据地图的处理和显示需要消耗大量的内存和时间, 而进行实时动态显示更是如此, 因此三维态势可视化技术的研究是及其有必要的。
从频谱态势显示的角度来看, 等值面的地形较有优势, 因为大部分三维显示设备的显示速度只与栅格的数量有关, 而几乎与栅格的大小无关, 而且三角网地形简化到格网纹理后, 还使三角形的数量大大减少, 这样也可以大大提高显示的速度。
三、频谱态势三维可视化技术
1. 离散数据融合
频谱态势数据融合要根据实际的卫星影像、勘测的高程和频谱态势数据建立, 实测数据越丰富精确, 得到的三维地形图越能够真实描述出这些信息的空间分布规律。对于不同的地形数据, 需采用不同的融合函数。频谱态势数据 (X坐标、Y坐标和能量值Z) 、地表地形测量数据 (X坐标、Y坐标和地表高程Z) 、卫星影像信息 (空间位置点X坐标、Y坐标和地心相对坐标Z) 等的曲面图形生成可归结为双自变量离散数据的融合。空间曲面数据融合有以下构造方法, 如与距离成反比的加权方法 (Shepard方法) , 径向基函数融合 (Multiquadic方法) 等。
2. 细节层次推进LOD (Level Of Details) 可视化技术
LOD技术是指为了更好地实现三维复杂模型的动态显示, 将三维物体用多种不同的精度表示, 并根据观察点位置的变换而选择不同精度的模型予以成像的技术。一般来说, 地形的数据流是很大的, 利用一般的方法构建大型的地形需要消耗大量的内存并且也会严重的影响渲染速度。然而, 并不是系统每次都必须消费大量的内存和CPU来渲染大数据量的地形, 因为当观察点距离地面很远时, 地形的图像在屏幕上占据很少的像素点, 在这种情况下, 用大量的多边形面片去精确表示地形是不必要的。所以, 系统只需要在观察点离地面很近, 需要精细的描述地貌的时候, 才需要渲染大量的多边形来逼近真实地形;而在观察点远离地面时, 则可以简化数据量来达到提高渲染效率和减少内存消耗的目的。如图2所示, 进行第n层到第n+1层的缩放的时候, 只需要关心区域1的内容, 而对2、3、4区域不进行计算显示。
LOD推进的每个结点都是一种细节层次的表达方案, 需要设置每个方案所对应的观察范围, 当观察者与LOD结点的距离处于这个范围之内的时候, 该方案被启用, 该级方案对应的子节点被正常执行;否则该子节点将不会被节点访问器触及。作为备选方案的子节点可自行设计, 使用多组由简到繁的绘制方案来实现同一个模型的渲染, 并正确设置由远及近时的LOD切换动作, 以达到减轻系统负担同时保证渲染质量的目的。
四、态势显示仿真
1. 频谱态势可视化框图
基于三维高程离散采样数据的融合的思想, 即将离散数据转化为连续曲线曲面, 三维地形建模与可视化的过程是, 从地形数据库中提取各点的坐标位置及矢量与影像对应坐标, 通过不同的离散数据融合函数得到三维叠加的三维地形文件, 通过LOD可视化技术对地形推进, 采用三维计算机图形显示。
频谱态势可视化研究框图如图3所示:
2. 初步开发与应用
为了达到逼真的显示效果, 在三维几何模型上叠加实物影像数据。地形的纹理的构造可由LOD生成的模型中的三角形与山体的正射影像图的扫描坐标匹配, 从而取得三角形内影像的灰度值或RGB值, 然后把数据叠加到地形模型上, 由此得到真实光照和表面纹理的显示效果。为了提高三维地形模型的显示速度和效果, 以及减少纹理贴图时处理数据的量, 应使用视点相关的动态多分辨率纹理模型。远近不同的区域其纹理分辨率不同, 即影射的距离观察者较远的区域, 其纹理具有较低的分辨率, 相反具有较高的分辨率, 这也符合视觉原理。频谱态势图利用态势离散数据的融合, 应用LOD可视化技术把这些数据对应的能量图绘制出来, 形成用不同颜色插值显示的三维地形, 频谱态势显示效果图如图4所示。
五、结束语
电磁频谱态势三维可视化显示是一个极富挑战性的课题, 尽管前人已做了很多这方面的工作, 但真正实用且适合不规则三维地形的可视化显示的算法还不多。虽然频谱态势数据的离散度极具复杂, 但在三维地形上叠加显示范围是有限的, 本文提出基于四插树差值和LOD技术的三维可视化的实现方法具有规范、响应快的优点, 又能适合随着视点的变化而进行连续、动态的三维频谱态势的显示, 并取得了良好的仿真效果。
摘要：针对如何将“看不见、摸不着”的电磁环境准确而快速展现出来, 提出了电磁频谱栅格模型的表征方法, 给出了三维频谱态势可视化的细节层次推进算法, 采用四插树差值和LOD技术进行频谱态势三维显示, 解决了三维频谱态势可视化的时间占用度和空间占用度高的问题, 并通过编程实现了细节层次推进的三维频谱态势可视化, 获得了良好的仿真效果。
关键词：频谱态势,细节层次推进,电磁环境,可视化
参考文献
[1]张俊霞.三维地形可视化及实时显示方法概论[J].电脑与信息技术.2001 (3)
[2]丁斌, 祖家奎, 关于三维可视化中的地形建模与实现技术研究[J].工业设计2010 (1)
[3]曾钱帮, 刘大安, 张菊, 地质工程复杂地质三维建模与可视化研究[J].水利工程, 2006 (1)
[4]Vigna G, Kemmerer R.NetSTAT:A Network-based Intrusion DetectionSystem[J].Journal of Computer Security, 1999; (7) :37-71
管线三维建模及可视化分析 篇7
关键词：管线,三维建模,三维可视化,三角剖分
传统二维的管理模式难以对海量的管线信息进行有效的描述和表达, 管线三维模型能直观地描述管线的三维特征及管线间的空间关系, 管线三维建模与可视化已成为数字城市可持续发展的必然。本文采用断面与体面三角剖分拟合方法构建弯曲管线、交叉管线的三维模型, 以OpenGL作为三维图形应用程序接口, 实现地下管线三维建模及可视化。
1 管线三维建模
1.1 弯曲管线建模
弯曲管线模型由起点断面、中间断面和终点断面共同构建, 可以看作首尾相连的直管线集合, 弯曲管线建模主要包括三维中心线插值、断面信息获取及弯曲管线模型构建。
1) 三维中心线插值。
依据管线断面信息及管线中心线数据构建管线的三维模型, 为使管线模型在弯曲拐点处平滑过渡, 需对弯曲管线中心线数据进行插值处理。将弯曲管线中心线拐点处进行插值拟合, 以圆弧平滑拟合代替中心线拐点。假设弯曲管线中心线上有相邻的三个点位Pi-1、Pi、Pi+1 (见图1) , 在拐点Pi处用一段圆弧Q1Q2拟合。拟合弧段Q1Q2随弯曲半径R变化, 若弯曲半径R确定, 则拟合弧段Q1Q2具有唯一的解。根据Pi-1、Pi、Pi+1的坐标确定弯管弧段Q1Q2的圆心角度值β、弧段的起始点Q1点坐标、弧段终点Q2点坐标、圆弧中心Qi点坐标、圆弧半径R等参数[9]。求得弯管中心线弧段的有关参数后, 将弧段进行m等分, 得到弯曲管线中心线弧段等分点坐标。
2) 断面信息获取。
对于断面S, 局部坐标可设以S的圆心O为坐标原点, S法线方向n为y轴, z轴与整体坐标Z轴平行, 由右手法螺旋法确定x轴。以x轴为起点沿逆时针方向将圆均分为n份, 则圆上任意点在局部坐标系下的值为
式中:R为圆半径, α=2π/n为离散点所处的夹角。
设断面S圆心的整体坐标为 (x0, y0, z0) , 断面法线向量n (局部坐标y轴) 与全局坐标三个轴的夹角为l、m、n。则 S 上离散点的全局坐标 (X, Y, Z) 为
当m=±1时
当m≠±1时
3) 弯曲管线模型构建。
弯曲管线模型的断面数据是一系列连续的断面数据集合, 在相邻两个断面之间采用体面三角剖分拟合的方法构造管线三维表面模型。对任意两个相邻断面S1、S2, 在每个断面圆上可均匀取n个离散点。相邻断面S1、S2之间构成一个类直管线三维模型, 则S1断面上的2个离散点与S2断面上相应的两个离散点在轴线上构成一个空间四边形, 按一定的顺序规则把该空间四边形剖分为2个三角形。循环顺序获取相邻断面数据信息, 每对相邻断面之间都采用类似方法进行体面三角剖分拟合, 直至弯曲管线体面被剖分拟合构建出准确的弯曲管线三维模型。
1.2 三连通管线建模
三连通管线建模是管网建模中较为复杂的建模。三连通管线模型构建与直管线、弯曲管线的区别主要体现在局部坐标系的建立、交叉点处断面位置的确定、三连通管线建模。
1) 局部坐标系的建立。 设连通管线交叉点P处3个支管为PP0、PP1、PP2, 管线半径为R (见图2) 。为了建立三连通管线模型, 需要在不同的计算情况下选择不同的局部坐标系。任意支管口到交叉点所构成的边PPi的向量
2) 连通交叉点处断面位置的确定及断面信息获取。 计算支管口到交叉点构成边PPi的距离
计算相邻两个支管之间的夹角的余弦值
为使连通交叉点处断面不相互交叉, 比较αi的计算值, 取得αi中的最小值αmin, 则交叉点域值L=R/tan (αmin/2) 。通过L值和局部坐标系变换就可以计算得到连通交叉点各个断面的中心点P3、P4、P5空间位置。
准确获取连通交叉点处各个断面的空间位置之后, 建立该断面处的局部坐标系, 可以采用弯曲管线建模中的断面信息获取方法得到连通交叉点处断面信息。
3) 三连通管线建模。 各支管模型的构建:各支管模型的构建相对较为简单, 从各支管口起搜寻与之相对应的断面数据, 采用由断面数据构建直管线三维模型的方法来构建各支管三维模型。
连通交叉点处模型的构建:搜寻所有的断面信息, 查找到连通交叉点处所有的断面, 并按一定方向 (逆时针或顺时针) 对其排序。相邻两个断面间, 按一定的规则搜寻断面上对应的点, 并把这些对应点连接起来, 再进行体面三角剖分拟合构建交叉点模型。
连通交叉点处顶底面的处理:搜索连通交叉点处各断面数据中的断面数据的顶点和底点, 连同交叉中心点的 (X, Y, Z) , 对顶底面进行三角拟合剖分。
1.3 管件三维建模
管件是管网的重要构成部分, 管线通过不同类型的管件相互连接构成复杂的城市管线系统, 管件三维建模是管线三维建模的组成部分。各类管件实体可以看作由主管、辅管及其他相应的数据参数组成, 因此, 可以通过主管管线实体和辅管管线实体进行求差、并、交运算来获取真实的管件三维模型 (见图3) , 并以3DS文件格式存储实体模型。
应用管件连接不同管径的管线时, 读取相应的管件实体模型, 可以通过对管件实体模型的平移、旋转、缩放方法来实现。
2 管线三维可视化
由于不同管线的空间数据和属性数据存在一定差异, 需要设计不同数据结构, 建立不同管线数据库。为管线建模、空间分析、查询提供相应的断面数据参数和基础源数据。按本文提出的管线三维建模方法, 采用Access2000作为后台主要的数据库, 利用ADO技术进行对数据库的操作, 使用Visual C++6.0程序开发语言和OpenGL三维图形应用程序接口作为主要的开发工具, 采用断面与体面三角剖分拟合方法, 实现弯曲管线、三联通管线三维建模 (见图4、图5) 及隐去三角形边线后得到的效果图 (见图6) 。可以看出, 采用断面与体面三角剖分拟合建模方法在管线截面、管线弯曲、管线连通上的处理均能达到良好的可视化效果, 且适于快速构模与显示, 为城市管线三维建模和可视化提供新的方法和思路。
3 结束语
管线三维建模和可视化是城市三维管线信息系统中重要内容, 管线三维建模算法的优劣直接关系到系统运行速度和仿真效果, 同时也影响三维缩放、平移、空间分析和查询效果。建立城市三维管线信息系统, 有利于全面反映城市管线的分布状况, 便于管线的维护、检测, 实现管线信息从无序到有序化管理。城市管线信息作为数字城市基础地理信息的重要组成部分, 为城市的施工建设提供准确、现实的资料, 为科学管理提供辅助决策的依据。
参考文献
[1]Yelakanti, Vijaynn;Najafi, Mohammad.Role of GIS inPipeline Industry.Proceedings of the ASCEInternationalConference on Pipeline Engineering and Construction:New Pipeline Technologies, Security, and Safety.2003, 267-275.
[2]郝红雨.城市地下管线管理现状分析及对策[J].水利科技与经济, 2005, 11 (4) :205-206.
[3]刘敬.关于城市地下管线管理的几点思考—以北京市为例[J].城市管理与科技, 2006, 8 (3) :104-106.
[4]江贻芳, 顾旭东.城市地下管线信息管理系统建设若干问题探讨[J].工程勘察, 2006 (9) :58-61.
[5]李清泉, 严勇, 杨必胜, 等.地下管线的三维可视化研究[J].武汉大学学报, 2003, 28 (6) :277-282.
[6]杜国明, 龚健雅, 熊汉江, 等.城市三维管网的可视化及其系统功能实现的关键技术[J].武汉大学学报, 2002 (5) :534-537.
[7]朱合华, 吴江斌.管线三维可视化建模[J].地下空间与工程学报, 2005, 1 (1) :30-33
[8]彭文祥.基于轮廓线的管网数据的3维可视化研究[J].测绘通报, 2004 (11) :45-47
一种战场三维可视化实现方法 篇8
战场三维态势可视化是利用计算机图形、图像处理技术表现的战场环境, 并在此基础上将当前态势作战计划、作战双方兵力对比、作战双方交战状态、态势演变过程以可视化的方式展现出来[1]。指挥员能够在贴近实战的训练环境中, 实时获取军事情况信息, 对战场进行规划、指挥决策和指挥控制。战场态势包括诸多要素, 如构成战场态势的兵力、环境、事件和估计等, 随着作战目标、作战阶段的改变而变化, 不同的战场态势包含不同的态势要素[2]。因此, 确定战场态势要素的构成, 并依据海战场态势要素的相互关系及其发展变化, 予以及时估计与更新, 是战场态势可视化的重要内容。
随着未来作战形态向陆海空潜立体化转变, 原有的二维态势显示已不能完全满足海战场态势展现的需求。战场三维态势可视化可提供丰富直观形象的作战信息, 使得指挥员对战场态势的把握更加准确, 决策形成更加迅速, 同时极大地提高了态势分析过程的实时性、交互性和动态性, 为指挥决策提供强有力的支撑。
1 综合战场态势建模技术
为了提供三维战场的真实感, 首先需获取实际三维环境和目标信息, 并根据应用的需要, 利用获取的三维数据建立相应的模型展现给操作员。因此如何将战场态势合理、有效地展现成为设计的关键, 为此, 提出基于综合战场态势的建模技术, 将各种复杂环境和目标进行分类建模[3]。
1.1 海面视景仿真
海面的模拟仿真有很多种方法, 为了模拟逼真的海浪效果, 采用正弦波模型实时生成动态海浪的方法, 在这种正弦波模型中, 海浪表面上的波浪从底到顶分为10级效果, 用正弦波连接, 还可以修改海浪的参数, 如空间频率、传播速率和相位得到不同的海浪效果。
1.2 地形渲染
三维地形的模拟是开发可视化系统中最基本、最重要的技术, 采用数字高程模型 (Digital Elevation Model) 方法, 其数据结构复杂, 精度较高。采用这种方式, 可以得到与实际海拔相符合的高程数据, 在这些特征点之间采用曲线拟合的方法生成比较光滑的地形, 然后在网格上根据高程数据进行颜色的生成。为了得到更好的效果, 该系统还将外部纹理映射到地形上, 使地形看上去更加逼真。
1.3 天空球实现
系统设计采用天空球技术, 使用天空球将整个场景都笼罩在天空之下, 更加突出场景的真实感。其方法是以场景中心为原点, 绘制一个半径足够大的球, 在球的表面利用纹理贴图的技术, 显示天空。由于天空球足够大, 因此在场景中的每一个位置都不存在遮挡现象。天空球技术很好地实现了场景的天空的模拟。
1.4 陆海空战斗力部署
场景搭建完成后, 下一个重要的任务就是场景中模型的建立。对于如何逼真、形象地描绘三维虚拟场景[4], 模型的绘制十分重要。3DMax是目前最流行的三维建模和动画制作软件, 在其可视化编辑环境可以很方便地修改模型。利用3DMax可以创建出很复杂的模型, 例如飞机、汽车等, 而且还可以很方便地修改材质信息, 来达到不同的演示效果。创建完模型后, 可以将其导入为3DS格式, 然后加入到创建的场景中。对于陆海空战场上的不同的战斗力群和武器装备, 在虚拟场景中都要有所体现。对于海上战斗群的实现, 主要以航母编队为代表;对于空中战斗力群, 主要以预警机为首, 战斗机群为各个打击对象;对于陆地战斗力群, 主要以坦克、雷达车、车载武器系统为主。这样形成陆海空三维一体的战斗场面。
1.5 效果增强
完成了虚拟三维场景的创建和绘制以后, 为了增强真实感, 还需要做一些后续的漫游功能和雾化效果处理。
采用漫游功能, 不但能够看到虚拟三维场景[5], 更能以第一人称参与其中, 更加“真实”地体验虚拟世界。在现实中人们看到的画面效果, 主要取决于两个方面:观察点的位置和视线的方向。场景设计时, 使用视角函数来改变在场景中的观察点的位置和视线方向, 然后在渲染中实现。在程序运行期间, 通过使用键盘和鼠标等来改变观察点坐标和视线方向。屏幕每次刷新时, 改变观察点的位置和视角, 从而产生在场景中漫游的效果。
雾化效果可以很好地避免远处场景物体的骤然变形、突然出现或者突然消失等失真现象。雾化是通过将场景模型的颜色与雾的颜色, 以及随物体到观察点距离增加而衰减的混合因子混合来实现的[6]。距离观察点越近, 混合因子越大, 场景内的物体颜色越大, 雾的颜色越小, 视景物体越清晰;随着观察点的拉远, 场景中的物体颜色变小, 而雾的颜色变大, 景物越来越模糊。
综合以上技术, 该场景创建基于Open GL语言实现, 其综合显示效果如图1所示。
2 交互技术
三维场景中, 通过鼠标或键盘与三维场景的交互是必不可少的[7]。为了实现在三维场景中的交互, 首先要解决二维图像向三维场景的变换的问题。采用目光相聚的理论, 首先通过鼠标选择三维场景中的物体, 根据鼠标点构造射线, 在鼠标点击的射线上判断其是否与指定的网格模型子集相交以及射线是否和三角形相交;然后根据当前观察矩阵中摄像机的位置变换到三维空间的世界坐标系中, 实现选中物体。
用户可对场景中的物体进行拾取点击操纵, 实现目标的旋转、平移、缩放等功能。输出控制技术实现执行控制原理如图2所示。
当用户针对场景中的模型进行选择时, 允许用户在场景内部用输入设备实现点击和拾取[8], 当操控任务发生时, 软件程序建立足够大的缓存区, 来存取和生成反馈序列, 将选择的模型绘图至显卡帧缓冲, 并重新进行矩阵转换和光照等流水线操作, 随后进行实时渲染, 将场景重新绘制, 实现对模型显示输出控制。方案实现后, 对场景中航母模型选中放大后的效果如图3所示。
3 结语
战场三维态势可视化利用综合战场态势建模技术, 将战场中环境、目标以可视化的形式显示给用户, 实现了具有较强真实感的战场环境, 并可以对场景中的目标进行操控, 提高训练的效率。该设计方法可以用于军事训练和模拟仿真领域, 大大减少了军费开支, 节省了大量人力、物力, 同时保障了指挥员和操作员的生命安全。
参考文献
[1]B Damtie, M S Lehtinen, T Nygrén.Decoding of Barker-coded incoherent scatter measurements by means of mathematical inversion[J].Annales Geophysicae (S0992-7689) , 2004, 22 (1) :3-13
[2]M S Lehtinen, B Damtie, T Nygrén.Optimal binary phase codes and sidelobe-free decoding filters with application to incoherent scatter radar[J].Annales Geophysicae (S0992-7689) , 2004, 22 (5) :1623-1632
[3]M P Sulzer.A new type of alternating code for incoherent scatter measurements[J].Radio Science (S0048-6604) , 1993, 28 (6) :995-1001
[4]熊汉江, 罗炜, 王伟.三维GIS中大规模地形数据的动态调度方法[J].测绘信息与工程, 2006, 31 (3) :12-14
[5]汪继文, 郑锋.基于Open GL与粒子系统的喷泉模拟实现[J].计算机技术与发展, 2011, 21 (8) :161-164
[6]张群会, 狄效儒.纹理映射与光照处理关系研究及应用[J].计算机技术与发展, 2010, 20 (1) :232-234
[7]郭齐胜, 杨立功, 杨瑞平.机生成兵力导论[M].北京:工业出版社, 2006
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