專(zhuān)利名稱(chēng)：三維地理信息場(chǎng)景中空間地物模型顯示控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及三維地理信息環(huán)境中，觀察地物模型的固定
視角控制與顯示方法。 現(xiàn)有三維數(shù)據(jù)地球可視化領(lǐng)域中，如Skyline、Google Earth等均已具有三維模型的任意視角瀏覽功能，可通過(guò)鼠標(biāo)左右鍵及滾輪拖動(dòng)場(chǎng)景并變換觀察角度，對(duì)三維模型進(jìn)行多角度觀察。但是對(duì)于公眾用戶(hù)，這種操作是完全自由度的視角控制，無(wú)法停留鎖定，對(duì)于特定視角的觀察不能夠準(zhǔn)確定位，而且容易丟失觀察焦點(diǎn)(即視線與三維地物模型沒(méi)有交點(diǎn))，這就導(dǎo)致被觀察物容易脫離視線范圍，給用戶(hù)觀察帶來(lái)不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決地物場(chǎng)景模型觀察中存在的丟失焦點(diǎn)、觀察不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提出了一種三維地理信息場(chǎng)景中空間地物模型顯示控制方法，該方法通過(guò)指定一些視角，在控制視角下進(jìn)行三維模型顯示，使得三維模型的觀察過(guò)程可控、易操作，觀察結(jié)果確定度高。使三維地理信息系統(tǒng)的操控更符合人機(jī)交互原理。 本發(fā)明提供的三維地理信息場(chǎng)景中空間地物模型顯示控制方法，通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一 、確定三維地物目標(biāo)； 將對(duì)地物目標(biāo)的觀察抽象為camera對(duì)目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)的觀察，B點(diǎn)是camera中心C與地物模型上表面中心點(diǎn)A'連線的延長(zhǎng)線與地平面交點(diǎn)；
步驟二、確定目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度； 根據(jù)地物模型、目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)與地面之間的幾何關(guān)系，得到B點(diǎn)的實(shí)際經(jīng)度Bl :
Alat/(S*CosP) = 9/1 (4)
B1=A1+Alat (5) 其中A lat為地物模型地面中心A點(diǎn)與B點(diǎn)的經(jīng)度差；S是A、B兩點(diǎn)的球面弧長(zhǎng)；
Al為A點(diǎn)緯度；|3為camera的平視轉(zhuǎn)角； 同理可求B點(diǎn)的諱度B2 ; 步驟三、選定既定視角； 選擇17種固定觀察角度，具體如下 (1)頂視1個(gè)角度目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)緯度為Al， A2， a為0度； (2)平視8個(gè)角度目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)經(jīng)度Bl，緯度B2， a為80度，依據(jù)camera的平視轉(zhuǎn)角13 ，平均分為前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個(gè)角度； (3)45度斜俯視8個(gè)角度目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)經(jīng)度為Bl， B2， a為45度，依據(jù)不同的camera的平視轉(zhuǎn)角P ，分前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個(gè)角度。
步驟四、顯示三維地物模型；
背景技術(shù)：
依據(jù)地物模型的長(zhǎng)寬高計(jì)算出滿(mǎn)足條件的camera高度H和camera半徑，按照每種固定觀察角度的五個(gè)參數(shù)，進(jìn)行模型加載，模擬出固定視角下的三維建筑形態(tài)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)三維模型的觀察控制確定度高，人機(jī)交互簡(jiǎn)單。
(2)設(shè)置17種固定觀察角度，對(duì)三維模型的觀察符合人的認(rèn)知習(xí)慣。
(3)觀察結(jié)果確定性高，觀察結(jié)果呈現(xiàn)穩(wěn)定。 (4)能實(shí)現(xiàn)全覆蓋觀察，不存在視線死角，本方法確定角度的頂點(diǎn)觀測(cè)法，不會(huì)出現(xiàn)camera中線和地物模型沒(méi)有交點(diǎn)的狀態(tài)，即不會(huì)丟失觀察焦點(diǎn)。


圖1是發(fā)明方法流程圖；圖2是觀察者與地物模型位置關(guān)系平地示意圖；圖3是觀察者與地物模型位置關(guān)系球面示意圖；圖4是camera對(duì)三維建筑地平面內(nèi)轉(zhuǎn)角俯視示意5是計(jì)算AB弧長(zhǎng)示意圖；圖6是對(duì)A點(diǎn)經(jīng)度做微分示意圖；圖7是平視角度視距控制示意圖；圖8是頂視角度軸側(cè)圖；圖9是平視8個(gè)角度的軸側(cè)圖；圖10是平視8個(gè)角度的俯視圖；圖11是斜45度俯視8個(gè)角度的軸側(cè)圖；圖12是斜45度俯視8個(gè)角度的俯視圖；圖13是斜45度俯視8個(gè)角度的側(cè)視具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的三維地理信息場(chǎng)景中空間地物模型顯示控制方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明提供的空間地物模型顯示控制方法流程如圖1所示，具體步驟如下
步驟一 、確定三維地物目標(biāo)； 在三維地理信息系統(tǒng)中，按橢球體構(gòu)建地球模型，假設(shè)通過(guò)懸于空中的camera (代表觀察者)進(jìn)行三維觀察。 如圖2所示，在地球模型上，要觀測(cè)三維地物模型全貌，如果直接將camera對(duì)準(zhǔn)地物模型底座中心A點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，受到camera張角Y的限制，將無(wú)法觀察到模型的上部和頂部，因此本發(fā)明提出，在觀察A點(diǎn)代表的地物模型時(shí)，將camera的目標(biāo)點(diǎn)定為B點(diǎn)，B點(diǎn)是camera中心C與地物模型上表面中心點(diǎn)A'連線的延長(zhǎng)線與地平面交點(diǎn)，設(shè)C點(diǎn)(即觀察點(diǎn))在地面的投影點(diǎn)為點(diǎn)E。此時(shí)，則可保證camera觀察到地物模型上部，進(jìn)而通過(guò)各個(gè)角度的覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)地物模型的觀測(cè)。 其中所述的地物模型底座中心A點(diǎn)是指地物模型上表面中心點(diǎn)A'在地面上的垂直投影點(diǎn)。
步驟二、確定目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度。 如圖3、圖5所示，以0表示地心，C點(diǎn)表示camera中心，A點(diǎn)為地物模型底面中心，地物模型底座中心A點(diǎn)經(jīng)度Al、緯度A2知，a為camera傾斜角度(camera中心C點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)連線同重力方向的夾角)，C點(diǎn)距地高度H， camera的平視轉(zhuǎn)角P ， A點(diǎn)的地物模
型高度h，則有
<formula>formula see original document page 5</formula>
上面式中r是隨地球諱度而線性變化的參數(shù)，L是A、B兩點(diǎn)直線長(zhǎng)度，S是A、B兩點(diǎn)的球面弧長(zhǎng)。h為地物模型高度，a是camera傾斜角度。 如圖6，匪'是過(guò)A點(diǎn)的經(jīng)線，對(duì)A點(diǎn)的經(jīng)度增加一個(gè)微量e (本例中取0.0001)，此時(shí)到達(dá)P點(diǎn)，設(shè)A點(diǎn)和P點(diǎn)的球面距離記為I，從P點(diǎn)穿過(guò)的經(jīng)線為NN'。由于e很小，則直線距離AP近似等于向量OA和OP做差所得向量的長(zhǎng)度。由于經(jīng)線分布均勻，經(jīng)度差和地表距離的比率是一個(gè)定值，利用此比率即可求得A點(diǎn)和B點(diǎn)的經(jīng)度差A(yù) lat，進(jìn)而求得B的實(shí)際經(jīng)度Bl :<formula>formula see original document page 5</formula> 由于A和B的連線并不與緯線平行，公式(4)左側(cè)經(jīng)余弦處理得到的才是沿緯線方向的距離。 同理可求B點(diǎn)的諱度B2。 要在系統(tǒng)中，呈現(xiàn)出從C點(diǎn)觀察建筑物模型的效果，需要得到觀察點(diǎn)C點(diǎn)的位置，這可根據(jù)以下五個(gè)參數(shù)來(lái)唯一確定B點(diǎn)的經(jīng)度B1、緯度B2、地面平面內(nèi)的視角13 (如圖4所示)、camera距地面高度H、 camera傾斜角度a (如圖3所示)。
步驟三、選定既定視角； 根據(jù)人對(duì)三維模型的觀察的認(rèn)知習(xí)慣，并考慮觀察點(diǎn)C對(duì)模型的觀察能夠?qū)崿F(xiàn)完全覆蓋，本發(fā)明設(shè)置17種固定觀察角度，具體如表1所示 (1)頂視1個(gè)角度如圖8所示，目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)經(jīng)緯度為Bl， B2， a為0度。 (2)平視8個(gè)角度如圖9、圖10，目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)經(jīng)度為B1，B2， a為80度，依據(jù)不同
的camera的平視轉(zhuǎn)角P ，分前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個(gè)角度。 (3)45度斜俯視8個(gè)角度如圖11、圖12和圖13所示，目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)經(jīng)度為B1，B2，
a為45度，依據(jù)不同的camera的平視轉(zhuǎn)角P ，分前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個(gè)角度。 表117個(gè)角度的控制參數(shù)狀態(tài)視角參數(shù)設(shè)置1頂視(Al， A2，500:，H，O)2前斜45度俯視(B1，B2， P-180， H，45)3后斜45度俯視(B1，B2， P，H，45)4左斜45度俯視(B1，B2， P-90， H，45)5右斜45度俯視(B1，B2， P 5-270， H，45)6左前斜45度俯視(B1，B2， H35，H，45)7右前斜45度俯視(B1，B2， P-225，H，45)8左后斜45度俯視(B1，B2， P-45，H，45)9右后斜45度俯視(B1，B2， P-315，H，45)10前向平視(B1，B2， H80，H，80)11后向平視(Bl， B2， P ， H，80)12左向平視(B1，B2， P-90，H，80)13右向平視(B1，B2， P-270，H，80)14左前平視(B1，B2， H35，H，80)15右前平視(B1，B2， P-225，H，80)16左后平視(B1，B2， P-45，H，80)17右后平視(B1，B2， P-315，H，80)在三三維環(huán)境信息系統(tǒng)中，通過(guò)camera的平視轉(zhuǎn)角P 、 camera的高度H和camera傾斜角度a的特定組合，形成了以上17個(gè)固定視角的某一個(gè)。上述的17種觀測(cè)角度覆蓋了地物模型圓周360度，以及地物模型的高度范圍，因此，實(shí)現(xiàn)了地物模型的全貌觀測(cè)。
下面舉例說(shuō)明固定視角時(shí)確保觀測(cè)全貌的控制方法
1、在斜45度俯視時(shí)的camera高度控制； 在8個(gè)指定的斜45度俯視角度，給定camera以最小的高度限制，camera的高度H的計(jì)算如下如圖2所示，在表1中對(duì)應(yīng)的2號(hào)到9號(hào)中的某個(gè)狀態(tài)下，a = 45的位置，AD(D是三維建筑模型底面在camera近端邊緣的中點(diǎn))為地物模型的二分之一寬度；Y為camera的視線張角；圖2中根據(jù)幾何關(guān)系可得到如下關(guān)系 DE/H = tan ( a - y /2) (6) DE = BE-BD = H-BD (7) BD = S+AD (8) 由以上三式可得 (H- (S+AD)) H = tan ( a - y /2) ， (9) 此時(shí)可求camera的高度H。 此時(shí)的H就是a為45度時(shí)，camera能觀測(cè)到全部地物場(chǎng)景的最低高度。通過(guò)控制camera高度H，即可在斜俯視時(shí)不留下任何觀測(cè)死角。同理可以得到其他朝向的斜45度俯視的camera高度。
2、平視 限定camera到地物模型的距離的最小值，如圖7，在表1中11號(hào)狀態(tài)到17號(hào)狀態(tài)
的某一個(gè)狀態(tài)時(shí)， Tan ( Y /2) = h/2/DE 式中h/2即此時(shí)的camera高度，定為地物模型的高度的一半。DE為camera與地物模型的水平距離。此時(shí)的DE就是要保證看到地物模型全貌，camera距離地物模型的最近位置。同理可得其它觀察角度、位置平視時(shí)的camera與地物模型的距離。
步驟四、顯示三維地物模型。 根據(jù)步驟三中選定的角度，加載地物模型顯示。為了保證對(duì)模型全貌的觀測(cè)，在設(shè)
6定控制觀測(cè)角度的參數(shù)時(shí)，根據(jù)步驟三中控制方法，依據(jù)地物模型的長(zhǎng)寬高計(jì)算出滿(mǎn)足條件的camera高度H和camera半徑(即觀察者到模型的距離)，按照五個(gè)參數(shù)，進(jìn)行模型加載，即模擬出固定視角下的三維建筑形態(tài)。
兩種角度的轉(zhuǎn)換過(guò)程展示方法 當(dāng)camera從視角Tl到視角T2，只涉及兩種角度的變化， 一是camera的平視轉(zhuǎn)角P ， 二是camera傾角a 。 camera的平視轉(zhuǎn)角P從VI變化到V2的過(guò)程(假定VI > V2)線性變化。確定一個(gè)系數(shù)s，要求滿(mǎn)足1 > s > 0。 V3 = Vl-V2，則會(huì)以此到達(dá)并在以下角度暫留和渲染三維模型，
V4 = Vl_s*V3，
V5 = V4_s*V3， ...... 直到Vn二V2
共經(jīng)過(guò)l/s個(gè)狀態(tài)。 例如，從270度轉(zhuǎn)到180度，設(shè)定s為0. 4，那么camera的Y會(huì)依次變?yōu)?
270-90*0.4 = 234，
234-36 = 198，
180 三個(gè)狀態(tài)。 a角度的改變同理，a與|3同時(shí)組合變化，在每一個(gè)新的視角，系統(tǒng)都更新繪制渲染加載模型一次，多個(gè)狀態(tài)的變化連續(xù)顯示，即形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的旋轉(zhuǎn)效果。
權(quán)利要求
三維地理信息場(chǎng)景中空間地物模型顯示控制方法，其特征在于如下步驟步驟一、確定三維地物目標(biāo)；將對(duì)地物目標(biāo)的觀察抽象為camera對(duì)目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)的觀察，B點(diǎn)是camera中心C與地物模型上表面中心點(diǎn)A’連線的延長(zhǎng)線與地平面交點(diǎn)；步驟二、確定目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度；根據(jù)地物模型、目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)與地面之間的幾何關(guān)系，得到B點(diǎn)的實(shí)際經(jīng)度B1Δlat/(S*Cosβ)＝θ/IB1＝A1+Δlat其中Δlat為地物模型地面中心A點(diǎn)與B點(diǎn)的經(jīng)度差；S是A、B兩點(diǎn)的球面弧長(zhǎng)；A1為A點(diǎn)緯度；β為camera的平視轉(zhuǎn)角；同理可求B點(diǎn)的緯度B2；步驟三、選定既定視角；選擇17種固定觀察角度，具體如下(1)頂視1個(gè)角度目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)緯度為A1，A2，α為0度；(2)平視8個(gè)角度目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)經(jīng)度B1，緯度B2，α為80度，依據(jù)camera的平視轉(zhuǎn)角β，平均分為前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個(gè)角度；(3)45度斜俯視8個(gè)角度目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)經(jīng)度為B1，B2，α為45度，依據(jù)不同的camera的平視轉(zhuǎn)角β，分前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個(gè)角度。步驟四、顯示三維地物模型；依據(jù)地物模型的長(zhǎng)寬高計(jì)算出滿(mǎn)足條件的camera高度H和camera半徑，按照每種固定觀察角度的五個(gè)參數(shù)，進(jìn)行模型加載，模擬出固定視角下的三維建筑形態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維地理信息場(chǎng)景中空間地物模型顯示控制方法，其特征在于步驟四中所述的固定觀察角度的五個(gè)參數(shù)為目標(biāo)點(diǎn)B點(diǎn)經(jīng)度為Bl，緯度B2，camera傾斜角度a ， camera的平視轉(zhuǎn)角P和camera高度H。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三維地理信息環(huán)境中用視角控制觀察地物模型的方法。本發(fā)明提出了三維數(shù)據(jù)地球軟件環(huán)境下，觀察三維地物的視覺(jué)控制方法，該方法通過(guò)確定三維地物目標(biāo)；確定觀察點(diǎn)的經(jīng)緯度；選定17種固定觀察角度，進(jìn)而顯示三維地物模型，解決了對(duì)于觀察三維地物時(shí)，控制靈活性過(guò)高導(dǎo)致觀察效果不穩(wěn)定和丟失關(guān)鍵點(diǎn)的問(wèn)題。本發(fā)明提出的17個(gè)特殊視角觀察三維地物的方法，便于觀察者實(shí)際操作，更符合人的認(rèn)知習(xí)慣，并能科學(xué)地保證觀察內(nèi)容的完整性。
文檔編號(hào)G06T17/40GK101699519SQ20091023651
公開(kāi)日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者呂經(jīng)緯, 楊雪, 王洋, 翁敬農(nóng), 胡斌 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)