多視點多視角視場顯示條件下的大場景虛擬天空建模方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多視點多視角視場顯示條件下的大場景虛擬天空建模方法，首先進行復合式天空柱及其他個體對象的三維真實感建模，然后完成基于復合式天空柱的虛擬大場景集成，之后設置復合式天空柱及其他運動模型運動規(guī)則，最后設置基于復合式天空柱的各視點。本發(fā)明有效地實現(xiàn)了多視點、多視角觀察以及觀測視場的實時三維真實感顯示，在水平方向和垂直方向均實現(xiàn)了連貫、平滑的天空背景變換效果，可以滿足大場景視景仿真中多視點、多視角觀察和視場三維真實感顯示的虛擬天空建模要求。
【專利說明】多視點多視角視場顯示條件下的大場景虛擬天空建模方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種視景仿真中的天空建模方法，特別是一種大場景、復雜視點條件下的虛擬天空建模方法。
【背景技術】
[0002]在視景仿真應用中，天空仿真是必不可少的要素。天空背景的真實感對用戶來說能大大提高視覺享受和沉浸感。傳統(tǒng)的天空建模方法有背景圖法、天空盒法以及天空球法。背景圖法使用天空圖片作為紋理圖像充當天空背景，放置在視點的前方，這種方法在相機視點單一，視角固定不變或變化角度很小時(即不超過紋理圖像建?？梢愿采w的范圍)是一種可行的高效方法，經(jīng)過一定的技術處理還可以實現(xiàn)具有一定動態(tài)效果的天空背景。但其對視點角度的嚴格要求，使應用范圍受到很大限制；天空盒法用一個立方體模擬虛擬空間，罩住虛擬場景，在立方體前、后、左、右和頂面共五個面的內(nèi)側(cè)貼以天空紋理圖像。這種方法雖然可以實現(xiàn)視點的多視角觀察，但是在立方體面與面交接的棱柱處會不可避免地出現(xiàn)接縫，影響真實感顯示。另外，當場景很大時需要的立方體尺寸也很大，此時天空紋理圖像將被拉伸到巨大的平面上，圖像的馬賽克現(xiàn)象嚴重，往往很難達到真實感的效果；天空球法用一個半球體模擬虛擬空間，罩住虛擬場景，在半球內(nèi)側(cè)貼以天空紋理圖像，這種方式消除了天空盒法的接縫缺陷，但在大場景顯示時，除了存在天空盒法同樣的問題外，還會因為大的球面面積數(shù)據(jù)量過大，使場景實時性變差。除此之外，以上三種方法也沒有涉及大氣垂直分布的視景變化。
[0003]在視景仿真中，當需要多個視點以完全不同的視角，在一個大范圍內(nèi)同時觀察動態(tài)虛擬場景時，天空必須在任意時刻都要罩住所有視點向各自不同方向觀察出去的視野背景，這時天空的建模難度將大大提高，現(xiàn)有的天空建模方法無法滿足這樣的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術僅可以滿足基本固定視點和小范圍視景仿真需求的不足，本發(fā)明提供一種虛擬天空的建模方法，在有限的空間內(nèi)模擬出各個飛行器的飛行環(huán)境場景，有效地實現(xiàn)了多視點、多視角觀察以及觀測視場的實時三維真實感顯示，在水平方向和垂直方向均實現(xiàn)了連貫、平滑的天空背景變換效果，可以滿足大場景視景仿真中多視點、多視角觀察和視場三維真實感顯示的虛擬天空建模要求。
[0005]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟:
[0006]步驟一、復合式天空柱及其他個體對象的三維真實感建模，包括以下內(nèi)容:
[0007]1.對兩個飛行器、三個觀測設備和兩個飛行器停放場進行建模；
[0008]2.對復合式天空柱進行建模，建模方法如下:
[0009](I)采用半徑為R，高度為H的圓柱體結(jié)構(gòu)模擬飛行器起飛升空階段飛過的空間環(huán)境，柱體底面的圓心位于物體坐標系原點處,縱軸與物體坐標系I軸重合,復合式天空柱的物體坐標系遵循右手螺旋法則，X軸水平向右，y軸垂直向上，Z軸垂直向屏幕外；其中，半徑R取為飛行器停放場邊長的一半，圓柱體的高度等于飛行器距地面最大飛行高度減去R，圓柱體上端使用球半徑為R、開口向下的半球體模擬飛行器平穩(wěn)飛行階段的空間環(huán)境，半球體的開口與圓柱口無縫銜接；圓柱體的縱軸也是復合式天空柱的縱軸，與復合式天空柱的物體坐標系?軸重合；
[0010](2)圓柱體下部H/3處采用淡藍色背景圖像，圓柱體上部H/3處和半球體內(nèi)采用深藍色背景圖像，圓柱體中部H/3處圖像背景顏色在上述兩個背景顏色之間過渡；對三個貼圖接縫區(qū)域的色彩進行融合處理；
[0011]步驟二、基于復合式天空柱的虛擬大場景集成，包括以下內(nèi)容:
[0012]將步驟一中構(gòu)建的兩個飛行器、三個觀測設備、兩個飛行器停放場和兩個復合式天空柱的模型放置在世界坐標系中，其中，第一和第二觀測設備的位置位于兩個飛行器停放場之間的地表，且在兩個復合式天空柱包圍范圍之外；第三觀測設備安裝于第二飛行器的前端，位于第二復合式天空柱的內(nèi)部；
[0013]步驟三、復合式天空柱及其他運動模型運動規(guī)則設置，包括以下內(nèi)容:
[0014]1.兩個飛行器的運動軌跡和運動姿態(tài)由數(shù)字仿真系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)文件驅(qū)動；
[0015]2.復合式天空柱按照下述規(guī)則運動:
[0016]( I)復合式天空柱在X和Z方向的位移由其內(nèi)部飛行器的位置坐標數(shù)據(jù)X，z驅(qū)動；
[0017](2)復合式天空柱在隨其內(nèi)部飛行器移動的過程中，同時繞自身的縱軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度應保證復合式天空柱的圓柱體邊緣上任一點轉(zhuǎn)過的弧線段長度與飛行器的位移相等，旋轉(zhuǎn)方向趨勢與飛行器速度方向相反；
[0018]步驟四、基于復合式天空柱的各視點設置，包括以下內(nèi)容:
[0019]1.設某時刻第一飛行器的空間位置坐標為(Xl，y1； Z1),則第一觀察相機的位置坐標(xcl, ycl, zcl)為:xcl = X1+Ax1, ycl = Y1, Zcl = Z1+Az1,其中 AxjP Az1 為第一觀察相
機與第一飛行器的位置偏差
【權利要求】
1.一種多視點多視角視場顯示條件下的大場景虛擬天空建模方法，其特征在于包括下述步驟: 步驟一、復合式天空柱及其他個體對象的三維真實感建模,包括以下內(nèi)容: 1.對兩個飛行器、三個觀測設備和兩個飛行器停放場進行建模；
2.對復合式天空柱進行建模，建模方法如下: (1)采用半徑為R，高度為H的圓柱體結(jié)構(gòu)模擬飛行器起飛升空階段飛過的空間環(huán)境，柱體底面的圓心位于物體坐標系 原點處，縱軸與物體坐標系I軸重合，復合式天空柱的物體坐標系遵循右手螺旋法則，X軸水平向右，y軸垂直向上，z軸垂直向屏幕外；其中，半徑R取為飛行器停放場邊長的一半，圓柱體的高度等于飛行器距地面最大飛行高度減去R，圓柱體上端使用球半徑為R、開口向下的半球體模擬飛行器平穩(wěn)飛行階段的空間環(huán)境，半球體的開口與圓柱口無縫銜接；圓柱體的縱軸也是復合式天空柱的縱軸，與復合式天空柱的物體坐標系I軸重合； (2)圓柱體下部H/3處采用淡藍色背景圖像，圓柱體上部H/3處和半球體內(nèi)采用深藍色背景圖像，圓柱體中部H/3處圖像背景顏色在上述兩個背景顏色之間過渡；對三個貼圖接縫區(qū)域的色彩進行融合處理； 步驟二、基于復合式天空柱的虛擬大場景集成，包括以下內(nèi)容: 將步驟一中構(gòu)建的兩個飛行器、三個觀測設備、兩個飛行器停放場和兩個復合式天空柱的模型放置在世界坐標系中，其中，第一和第二觀測設備的位置位于兩個飛行器停放場之間的地表，且在兩個復合式天空柱包圍范圍之外；第三觀測設備安裝于第二飛行器的前端，位于第二復合式天空柱的內(nèi)部； 步驟三、復合式天空柱及其他運動模型運動規(guī)則設置，包括以下內(nèi)容: 1.兩個飛行器的運動軌跡和運動姿態(tài)由數(shù)字仿真系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)文件驅(qū)動； 2.復合式天空柱按照下述規(guī)則運動: (O復合式天空柱在X和Z方向的位移由其內(nèi)部飛行器的位置坐標數(shù)據(jù)X，z驅(qū)動； (2)復合式天空柱在隨其內(nèi)部飛行器移動的過程中，同時繞自身的縱軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度應保證復合式天空柱的圓柱體邊緣上任一點轉(zhuǎn)過的弧線段長度與飛行器的位移相等，旋轉(zhuǎn)方向趨勢與飛行器速度方向相反； 步驟四、基于復合式天空柱的各視點設置，包括以下內(nèi)容: 1.設某時刻第一飛行器的空間位置坐標為(Xl，Y1,Z1),則第一觀察相機的位置坐標(xcl, ycl, zcl)為:xcl = X1+Ax1, ycl = Y1, zcl = Z1+Az1,其中 Ax1 和 Az1 為第一觀察相機與第一飛行器的位置偏差，-JAx12 +Az12 < R ; 設某時刻第二飛行器空間位置坐標分別為(x2，y2, z2)，則第二觀察相機的位置坐標(xc2, Yc2, zc2)為:xc2 = Χ2+Δχ2, yc2 = y2, zc2 = Z2+Az2，其中 Λ x2 和 Az2S第二觀察相機與第二飛行器的位置偏差，-Ax22 +Az22 < R ； 2.觀測設備k的視點位置由第一飛行器的空間位置坐標控制，k=l，2，3，觀測設備k的視點位置坐標(Xfytlk, zqk)為:xqk = X1+Am1-yqk = yi+Ank，Zqk = Z1+Alk,其中 Amk，Ank,Δ Ik為觀測設備k的視點與第一飛行器的位置偏差，Amk = R.cos a k，Ank = R.cos β k,Alk = R.cosyk, ak, β,, Yk依次為接觀測設備k的三維實體模型與第一飛行器三維實體模型幾何中心 的直線段Lk與世界坐標系X，Y，Z軸的夾角。
【文檔編號】G06T17/00GK103456039SQ201310388978
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權日:2013年8月30日
【發(fā)明者】齊敏, 趙子巖, 李珂, 樊養(yǎng)余, 齊榕, 家建奎 申請人:西北工業(yè)大學