一種三維場景中動目標軌跡的顯示方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機三維態(tài)勢顯示技術領域，尤其涉及一種三維場景中動目標軌跡 的顯示方法。
【背景技術】
[0002] 在各種仿真與應用信息系統(tǒng)中，通過實時訪問遙感/偵察影像、數(shù)字高程模型、矢 量地形圖等地理空間數(shù)據(jù)，在空間范圍進行剪裁，融合成所屬區(qū)域的柵格圖像數(shù)據(jù)，構建具 備真實感的三維場景；通過雷達、電子偵察等傳感器的探測、處理，將空中飛行的飛機，海面 上航行的艦船，陸地上運動的車輛等動目標，在三維場景中進行顯示；對動目標采集的各離 散點位置連續(xù)顯示是表現(xiàn)目標物體運動過程的重要手段之一。
[0003] 通常情況下，在三維場景中，動目標軌跡的顯示是將動目標運動中各點的經煒度 位置轉換為世界坐標位置，然后直接調用底層平臺提供的接口顯示形成固定像素寬度的 線，或者是通過一定的計算和優(yōu)化加工，形成特有的數(shù)據(jù)格式再加以顯示。但是，這種集中 方法在實際應用過程中，存在著不可避免的可視化效果問題，表現(xiàn)在三維透視投影模式下， 當觀察者與觀察目標的距離發(fā)生變化時，目標軌跡顯示生硬，主要表現(xiàn)在像素寬度變化不 平穩(wěn)，易產生突變效果，位置與姿態(tài)變化時會產生重疊扭曲，特別是當目標軌跡中的點比較 離散，目標姿態(tài)運動變化劇烈時，其軌跡顯示會產生異常的扭曲效果。
[0004] 有些三維應用軟件在動目標顯示的具體實現(xiàn)中，采用了一些特殊的方法來解決該 問題，例如先進行簡單的數(shù)據(jù)插值，然后在內存中對每個點進行擴展，再將計算出的點進行 三角化，最后顯示出動目標的軌跡。該方法存在的問題主要表現(xiàn)在曲線軌跡的像素寬度不 易控制，由于三維透視投影空間的特性，需要根據(jù)像素寬度值對空間坐標系下的位置進行 轉換，否則當目標與觀察者的距離較遠時會使目標不可見，而為保持像素寬度的一致性，需 要在運行過程中實時計算擴展點的位置并重建頂點結構，因此要占用大量的CPU資源。該 類方法僅從有限的角度來避免問題，其計算出的動目標軌跡的像素寬度在不同顯示比例尺 進行切換的情況下會產生尺寸的跳變，動目標軌跡曲線圖形在姿態(tài)變換劇烈時極易產生扭 曲現(xiàn)象，同時，該方法需占用大量的CPU進行實時計算，畫面容易出現(xiàn)停頓現(xiàn)象，表現(xiàn)效果 不佳。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種三維場景中動目標空間軌跡的顯示方法，該方法可以 在三維場景中，通過采用基于幀的數(shù)據(jù)插值方法、空間坐標向量轉換方法、基于GPU的像素 寬度計算以及顏色對比方法，使得動目標軌跡在不同比例尺場景下均具有較好的表現(xiàn)效 果。
[0006] 本發(fā)明公開了一種三維場景中動目標軌跡的顯示方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1、采集動目標的航跡數(shù)據(jù)，獲得航跡點；
[0008] 步驟2、建立數(shù)據(jù)結構，得到左擴展點位置坐標和右擴展點位置坐標；
[0009] 步驟3、計算比例系數(shù)Scale，將比例系數(shù)Scale輸入到GPU中，GPU根據(jù)比例系數(shù) Scale對變換后的左擴展點位置坐標和右擴展點位置坐標進行二次轉換，得到最終輸出的 位置坐標；
[0010] 步驟4、在GPU中根據(jù)姿態(tài)變化的程度以及當前渲染順序，基于基礎顏色Crraf計算 不同的像素顏色值Cr，并最終輸出到計算機屏幕。計算不同的像素顏色值Cr，并最終輸出 到計算機屏幕。
[0011] 其中，步驟1中采用平滑方法對航跡數(shù)據(jù)進行規(guī)范性檢查：統(tǒng)計三維場景中各航 跡點位置之間的距離系數(shù)Dis和航向角系數(shù)Dir，對距離系數(shù)Dis大于10公里的點進行大 圓弧插值；對航向角系數(shù)Dir大于180度的點進行補點擴充，獲得航跡點。
[0012] 步驟2包括：以步驟1所獲得的航跡點為基準點，在其左右各擴展1米得到左擴展 點位置坐標Vsl、右擴展點位置坐標Vs2，計算基準點與下一個基準點的航向角系數(shù)Dir，從而 計算出該航跡點的空間變換矩陣Mats，將左擴展點位置坐標Vsl和右擴展點位置坐標Vs2在 空間變換矩陣Mats上變換，最終得到在世界坐標系下的基準點與兩個擴展點，其中，基準點 V= {x,y,z}，x、y、z分別為基準點V在空間坐標X方向、y方向和z方向的位置坐標值，左 擴展點位置坐標Vsl= {0,-1,0}，右擴展點位置坐標Vs2= {0,1,0}，坐標轉換過程：V' = VXMats，s表示基準點代號，V'表示該點轉換后的坐標值。本步驟中所使用的補點方法能 較好地解決曲線在加寬時的轉彎處易出現(xiàn)的折疊現(xiàn)象，同時基準點與單位化的擴展點便于 在GPU中實時的根據(jù)比例，重新計算其位置，保證像素寬度的一致性。
[0013] 步驟2中基準點與下一個基準點的航向角系數(shù)Dir的計算方法如下：
[0014]兩點間經度差LngDif=Pi+1.dLng-Pi.dLng，
[0015] 兩點間煒度差LatDif=Ρ1+1·dLat-PpdLat，
[0016] 其中P1+1.dLng表示第i+1個基準點的經度，PpdLng表示第i個基準點的經度， P1+1.dLat表示第i+1個基準點的煒度，PpdLat表示第i個基準點的煒度；
[0017] 經度差對應的空間距離wkl=LngDif*cos(Pi+1.dLat*PI/180)，
[0018] 煒度差對應的空間距離wk2 =wkl*wkl+LatDif*LatDif，
[0019] 兩點間的航向角系I
[0020] 其中Point.dYaw表示該點的航向角，atan()表示反正切函數(shù)。
[0021] 步驟3包括：在動目標運行過程中，根據(jù)動目標與觀察者的距離，計算比例系數(shù) Scale：
[0022] Scale=k*DisToEye;
[0023] 其中k為可輸入的調節(jié)參數(shù)，DisToEye為觀察者到點的距離；
[0024] 在每幀渲染過程中將其設置到GPU中，GPU根據(jù)比例系數(shù)Scale對變換后的左擴 展點位置坐標Vsl和右擴展點位置坐標Vs2進行二次轉換，保證其在不同顯示比例尺下顯示 同樣的像素寬度，最終輸出的位置坐標VS1'計算公式如下：
[0025]Vsl，=Vbase+Scale* (Vsl_Vbase)，
[0026] 其中，VS1為擴展點的位置坐標，Vb_(該值與V相等，s為基準點代號，其值為輸入 的航跡點位置，base為通用概念，可以說s是base的具體值）為基準點位置坐標。本步驟 中所使用的實時計算比例系數(shù)，對擴展點進行動態(tài)的位置計算，在確保效率的基礎上實現(xiàn) 了曲線的平滑過渡。在像素渲染器中，最終輸出的位置坐標VS1'最終被轉換為像素坐標，進 而進行顏色取值。
[0027] 步驟4中通過如下公式計算像素顏色值Cr:
[0028]與姿態(tài)相關的顏色系數(shù)值DirCoef= 1-Sin(Dirj)，
[0029]Cr=Crref*DirCoef+Crref* (1-DirCoef),
[0030] 其中，Cr"f是根據(jù)圖形學設置的經驗值，取值范圍為[0, 255]，可作為參數(shù)輸入， Dir,(其意義與前述的"線段航向"是同一個意思）該像素點所在線段的方向。本步驟中所 使用的曲線正反顏色計算方法，能較好地反映出姿態(tài)的變換效果，對于模擬飛行等特效有 較好的支撐作用。
[0031] 有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下的優(yōu)點：
[0032] 1)對目標軌跡的點進行插值處理，形成連續(xù)、平滑的曲線，在姿態(tài)變化較為劇烈的 地方，進行數(shù)據(jù)增插值，形成曲線過渡效果；
[0033] 2)在不同的視點遠近場景中，目標軌跡在三維場景空間內皆可見，不會因觀察視 點過遠而使目標軌跡消隱在三維場景之中，并且圖形在整個顯示的過程中，其顯示尺寸是 平滑過渡的，不會造成比例的跳變；
[0034] 3)基于GPU的計算方法提升了軟件效率，同時提升了目標軌跡曲線的飄帶狀顯示 效果，明確區(qū)分出目標軌跡曲線的正反面；
【附圖說明】
[0035] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做更進一步的具體說明，本發(fā)明的上述和 /或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。
[0036] 圖1是本發(fā)明的流程示意圖。
[0037]圖2是本發(fā)明的需進行樣條插值的原始點示意圖。
[0038]圖3是本發(fā)明的原始點線性插值示意圖。
[0039] 圖4是本發(fā)明的經過樣條插值后的示意圖。
[0040] 圖5是本發(fā)明的插值點與擴展點示意圖。
[0041] 圖6是本發(fā)明的動態(tài)Scale計算示意圖。
[0042] 圖7是本發(fā)明的GPU場景處理示意圖。
【具體實施方式】
[0043] 本發(fā)明提供了一種三維場景中動目標軌跡的顯示方法。該方法通過對動目標產生 軌跡點經煒度數(shù)據(jù)，采用基于幀插值的離散數(shù)據(jù)平滑和空間坐標向量轉換方法，形成位置 連續(xù)穩(wěn)定、姿態(tài)變換柔和的曲線軌跡；采用實時計算擴展比例計算方法，使目標軌跡在與觀 察者處于不同距離時均顯示相同的像素寬度，同時采用正反顏色值對比的方法，通過在航 向、俯仰、橫滾等自由度變化時對正反面取不同的顏色值，逼真地實現(xiàn)了飄帶狀軌跡的柔和 效果。本發(fā)明解決了在三維場景中，對動目標軌跡的三維曲線在不同觀察距離的消隱現(xiàn)象， 實現(xiàn)了對動目標產生的軌跡點連續(xù)、穩(wěn)定、平滑的飄帶狀軌跡顯示效果。本發(fā)明主要包括如 下步驟：
[0044] 步驟1、采集動目標的數(shù)據(jù)，通過設置數(shù)據(jù)的平滑方法對數(shù)據(jù)進行規(guī)范性檢查：統(tǒng) 計三維場景中各航跡點位置之間的距離系數(shù)Dis和航向角系數(shù)Dir，對距離系數(shù)Dis大于 10公里的點進行大圓弧插值；對航向角系數(shù)Dir大于180度的點進行補點擴充；
[0045] 步驟2、建立數(shù)據(jù)結構，得到左擴展點位置坐標和右擴展點位置坐標；
[0046] 步驟3、計算比例系數(shù)，在目標運行過程中，根據(jù)目標包圍盒中心與觀察者的距 離DisToEye，實時計算出比例系數(shù)Scale，在每幀渲染過程中將其設置到GPU中，GPU根據(jù) Scale對變換后的左擴展點位置坐標Vsl和右擴展點位置坐標Vs2進行二次轉換，保證其在 不同顯示比例尺下顯示同樣的像素寬度。
[0047] Scale=k*DisToEye;其中k為可輸入的調節(jié)參數(shù)。最終輸出的位置坐標VS1'計 算公式如下：
[0048] V