專利名稱：電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁環(huán)境可視化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法。
背景技術(shù)：
隨著電磁技術(shù)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，電磁環(huán)境呈現(xiàn)出越來越復(fù)雜的態(tài)勢，由于電磁環(huán)境的不可見，人們難以直觀分析、判斷電磁環(huán)境。目前使用的用頻設(shè)備類型廣泛，電磁設(shè)備數(shù)量多，占用頻譜范圍寬，頻率需求量大，電磁環(huán)境極為復(fù)雜。但是電磁環(huán)境看不見、摸不著，只能通過各種偵測設(shè)備去分析空間中的電磁信息，而且僅能反映局部區(qū)域的電磁分布特征，難以滿足用戶對(duì)整個(gè)電磁態(tài)勢的把握，制約了對(duì)電磁態(tài)勢做出快速準(zhǔn)確的判斷。電磁環(huán)境是指存在于給定場所的電磁現(xiàn)象的總和，它是由各種電臺(tái)、雷達(dá)等電磁設(shè)備輻射電磁波到三維空間中形成的。電磁波在空間傳播，由于受大氣、地形等多方面因素的影響，發(fā)射的能量不可避免地會(huì)隨著傳播距離的增加而逐漸衰減，通過電波傳播衰減值和發(fā)射的能量值就能得到空間某點(diǎn)處的電磁波能量值。電波傳播模型通常用于預(yù)測發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的電波傳播情況，估計(jì)各種環(huán)境因素影響下無線通信性能。Hufford G. A給出了 Longley-Rice 電波傳播模型(參見 Hufford G. A. The ITS Irregular Terrain Model, version 1.2.2，The Algorithm[R]. http: //flattop, its. bIdrdoc. gov/itm/itm_alg. pdf, National Telecommunications and Information Administration Institute for Telecommunication Sciences, USA. p6_12)。電波傳播模型作為設(shè)計(jì)各種無線電系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可以通過各種電波傳播模型來構(gòu)建電磁環(huán)境。雖然電波傳播模型可以估計(jì)電磁環(huán)境，但是得到的只是大量描述電磁環(huán)境的數(shù)據(jù)值即電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)，人們難以從這些紛繁復(fù)雜的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)中直觀察覺到電磁環(huán)境在三維空間中的分布情況，因此把電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)以直觀可視的方式反映給用戶，并且能最大程度地完整地通過三維形式描述這些電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)，進(jìn)而讓用戶準(zhǔn)確詳盡地把握電磁環(huán)境成為目前電磁環(huán)境可視化的迫切需求。傳統(tǒng)對(duì)電磁環(huán)境的可視化主要是在獲取電磁環(huán)境數(shù)據(jù)后，通過二維等值線的方式勾勒某高度上的電磁環(huán)境分布情況，或者通過二維數(shù)據(jù)鏈路的方式表現(xiàn)電磁環(huán)境的輻射連通情況。二維等值線通過提取電磁環(huán)境等值的二維線條并填充線條覆蓋區(qū)域的方式來表現(xiàn)電磁環(huán)境在某高度上的分布情況，等值二維線條及其覆蓋區(qū)域表示了電磁環(huán)境某個(gè)能量值的分布范圍。二維數(shù)據(jù)鏈路的方式則是通過二維線條表示電磁設(shè)備間的連通情況，通過線條顏色、線條粗細(xì)等表示連接通信能力。通過這些二維可視化方式，僅能表示電磁環(huán)境的部分信息，不能完整描述電磁環(huán)境在三維空間中的分布情況，丟失了電磁環(huán)境三維分布信息。等值面技術(shù)是空間數(shù)據(jù)場可視化領(lǐng)域中廣泛使用的一種技術(shù)，通過提取體數(shù)據(jù)特定大小屬性的輪廓信息，構(gòu)建起三維網(wǎng)格模型，能清晰展示體數(shù)據(jù)特定屬性值的輪廓范圍， 而且由于目前圖形硬件支持網(wǎng)格模型繪制加速，繪制效率高，因此該方法是一種高效可視化體數(shù)據(jù)的技術(shù)。通過等值面提取技術(shù)，能構(gòu)建起三維環(huán)境中電磁環(huán)境的三維網(wǎng)格模型，并實(shí)時(shí)繪制到三維環(huán)境中，對(duì)于電磁環(huán)境三維特征輪廓的直觀表達(dá)有著重要的意義。從目前最新的研究報(bào)告看(參見陳鵬.虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中雷達(dá)作用范圍表現(xiàn)技術(shù)研究[D].湖南長沙國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.周橋，陳景偉等.電磁環(huán)境三維可視化技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程，2008.)，對(duì)雷達(dá)、電臺(tái)等典型裝備的電磁環(huán)境覆蓋范圍的可視化已經(jīng)采用了等值面的可視化技術(shù)，通過提取電磁環(huán)境某個(gè)特征值的等值面，能對(duì)該特征值的電磁環(huán)境在三維環(huán)境中的分布情況進(jìn)行表現(xiàn)，但是由于它采用的傳統(tǒng)等值面技術(shù)只通過單個(gè)輪廓信息表達(dá)電磁環(huán)境信息，這樣只能將原始數(shù)據(jù)的部分屬性映射為網(wǎng)格輪廓模型，不能反映整個(gè)數(shù)據(jù)全貌及細(xì)節(jié)，這樣會(huì)造成大量空間數(shù)據(jù)場中的內(nèi)部細(xì)節(jié)信息丟失，不能完整描述電磁環(huán)境信息， 不利于電磁環(huán)境這樣的空間數(shù)據(jù)場的信息可視化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境的三維可視化表現(xiàn)，能實(shí)時(shí)與電磁環(huán)境交互，動(dòng)態(tài)掌握電磁環(huán)境的變化，提高電磁環(huán)境表現(xiàn)的正確性、精確性以及完備性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法，該方法包括如下步驟步驟一、確定電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)根據(jù)已知電磁設(shè)備參數(shù)、地形高程數(shù)據(jù)和氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，通過電波傳播物理模型確定電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)。步驟二、電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)六面體結(jié)構(gòu)剖分把電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)六面體結(jié)構(gòu)剖分成四面體結(jié)構(gòu)，遍歷每一個(gè)四面體并獲得該四面體各個(gè)頂點(diǎn)的頂點(diǎn)位置和電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值，并按照四面體頂點(diǎn)和頂點(diǎn)索引的方式組織
成二維紋理。步驟三、判斷生成等值面頂點(diǎn)輸入四面體頂點(diǎn)函數(shù)值紋理和頂點(diǎn)索引紋理到圖形處理器，根據(jù)設(shè)定的等值面閾值大小判斷生成等值面頂點(diǎn)。步驟四、構(gòu)造電磁環(huán)境多等值面遍歷所有四面體，將同一閾值的等值面頂點(diǎn)連接成等值面，構(gòu)造電磁環(huán)境多等值面。步驟五、突出電磁環(huán)境多等值面邊界輪廓根據(jù)多等值面頂點(diǎn)法向量和視點(diǎn)的關(guān)系設(shè)定多等值面的顏色透明度，以多等值面顏色透明度來突出電磁環(huán)境多等值面邊界輪廓。步驟六、獲得電磁環(huán)境多等值面半透明結(jié)果采用快速分層偽排序融合繪制算法獲得電磁環(huán)境多等值面半透明結(jié)果，并將電磁環(huán)境多等值面半透明結(jié)果融合嵌入到三維環(huán)境中。進(jìn)一步，本發(fā)明所述步驟一中所述電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)確定的具體方法是(1)用戶初始設(shè)定緯度θ = 0(1、經(jīng)度0=帥、高度1^ = 4，計(jì)算終止的緯度設(shè)為θ^ 經(jīng)度為仍，高度為^，并設(shè)定緯度、經(jīng)度和高度步長為Δ θ、_、Ar ；(2)輸入電磁設(shè)備參數(shù)，地形高程數(shù)據(jù)和氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，采用電波傳播物理模型， 得到電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值P(^iV);(3)經(jīng)度P遞增Δφ，重復(fù)步驟⑵，直到經(jīng)度(3>灼；
(4)緯度θ遞增Δ θ，重復(fù)步驟O)，直到緯度θ > θ i ;(5)緯度r遞增Δ r，重復(fù)步驟(2)，直到高度r >本發(fā)明所述步驟二中所述按照四面體頂點(diǎn)和索引的方式組織成二維紋理的具體方法是(1)將電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)剖分成四面體結(jié)構(gòu)；(2)按順序?qū)㈦姶怒h(huán)境體數(shù)據(jù)所有的頂點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)下來，每個(gè)頂點(diǎn)僅存儲(chǔ)一次，采用RGBA32F格式的二維紋理，稱為頂點(diǎn)函數(shù)值紋理，每個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)紋理紋素，紋素的R、 G、B、A分量對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)和電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值，并將該紋素的順序號(hào)作為頂點(diǎn)的索引；(3)存儲(chǔ)每個(gè)四面體頂點(diǎn)的頂點(diǎn)索引到另一個(gè)二維紋理，稱為頂點(diǎn)索引紋理，其格式為RGBA32UI，每個(gè)四面體對(duì)應(yīng)一個(gè)紋理紋素，紋理紋素有R、G、B、A分量，每個(gè)紋理紋素分量對(duì)應(yīng)四面體的一個(gè)頂點(diǎn)索引。本發(fā)明所述步驟三中所述根據(jù)設(shè)定的等值面閾值大小生成等值面頂點(diǎn)的方法是1、對(duì)于電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)中其中一個(gè)四面體，判斷該四面體的一條邊上是否與給定閾值S的等值面有交點(diǎn)，有交點(diǎn)即等值面的頂點(diǎn)。具體判斷方法為(1)根據(jù)四面體其中一條邊的端點(diǎn)，在頂點(diǎn)索引紋理中得到頂點(diǎn)索引；(2)根據(jù)頂點(diǎn)索引在四面體頂點(diǎn)函數(shù)值紋理中獲取該邊兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋素，該紋素的R、G、B、A分量對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)和電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值，從而可以獲得兩個(gè)端點(diǎn)的頂點(diǎn)坐標(biāo)va、vb和電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值Pa、Pb ；(3)比較多等值面的閾值δ與端點(diǎn)的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值，如果δ >Pa且δ >Pb， 或者δ < Pa且δ < Pb則該邊上不存在該閾值大小δ的等值面的頂點(diǎn)；否則存在等值面的頂點(diǎn)，插值生成等值面頂點(diǎn)為
權(quán)利要求
1.一種電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法，包括如下步驟步驟一、確定電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)根據(jù)已知電磁設(shè)備參數(shù)、地形高程數(shù)據(jù)和氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，通過電波傳播物理模型確定電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)；步驟二、電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)六面體結(jié)構(gòu)剖分把電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)六面體結(jié)構(gòu)剖分成四面體結(jié)構(gòu)，遍歷每一個(gè)四面體并獲得該四面體各個(gè)頂點(diǎn)的頂點(diǎn)位置和電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值，并按照四面體頂點(diǎn)和頂點(diǎn)索引的方式組織成二維紋理；步驟三、判斷生成等值面頂點(diǎn)輸入四面體頂點(diǎn)函數(shù)值紋理和頂點(diǎn)索引紋理到圖形處理器，根據(jù)設(shè)定的等值面閾值大小判斷生成等值面頂點(diǎn)；步驟四、構(gòu)造電磁環(huán)境多等值面遍歷所有四面體，將同一閾值的等值面頂點(diǎn)連接成等值面，構(gòu)造電磁環(huán)境多等值面；步驟五、突出電磁環(huán)境多等值面邊界輪廓根據(jù)多等值面頂點(diǎn)法向量和視點(diǎn)的關(guān)系設(shè)定多等值面的顏色透明度，以多等值面顏色透明度來突出電磁環(huán)境多等值面邊界輪廓；步驟六、獲得電磁環(huán)境多等值面半透明結(jié)果采用快速分層偽排序融合繪制算法獲得電磁環(huán)境多等值面半透明結(jié)果，并將電磁環(huán)境多等值面半透明結(jié)果融合嵌入到三維環(huán)境中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法，其特征在于所述步驟一中所述電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)確定的具體方法是(1)用戶初始設(shè)定緯度θ= 0(|、經(jīng)度0=帥、高度1" = 4，計(jì)算終止的緯度設(shè)為Q1，經(jīng)度為識(shí)1，高度為巧，并設(shè)定緯度、經(jīng)度和高度步長為Δ θ、_、Ar ；(2)輸入電磁設(shè)備參數(shù)、地形高程數(shù)據(jù)和氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，采用電波傳播物理模型，得到電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值P(猶識(shí)力；(3)經(jīng)度口遞增Λφ，重復(fù)步驟O)，直到經(jīng)度^(4)緯度θ遞增Δθ，重復(fù)步驟O)，直到緯度θ > θ工；(5)緯度r遞增Δr，重復(fù)步驟(2)，直到高度r >巧。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法，其特征在于所述步驟二中所述按照四面體頂點(diǎn)和頂點(diǎn)索引的方式組織成二維紋理的具體方法是(1)將電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)剖分成四面體結(jié)構(gòu)；(2)按確定電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)的順序?qū)㈦姶怒h(huán)境體數(shù)據(jù)所有的頂點(diǎn)坐標(biāo)存儲(chǔ)下來，每個(gè)頂點(diǎn)僅存儲(chǔ)一次，采用RGBA32F格式的二維紋理，稱為頂點(diǎn)函數(shù)值紋理，每個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)紋理紋素，紋素的R、G、B、A分量對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)和電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值，并將該紋素的順序號(hào)作為頂點(diǎn)的索引；(3)存儲(chǔ)每個(gè)四面體頂點(diǎn)的頂點(diǎn)索引到另一個(gè)二維紋理，稱為頂點(diǎn)索引紋理，其格式為 RGBA32UI，每個(gè)四面體對(duì)應(yīng)一個(gè)紋理紋素，紋理紋素有R、G、B、A分量，每個(gè)紋理紋素分量對(duì)應(yīng)四面體的一個(gè)頂點(diǎn)索引。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法，其特征在于所述步驟三中所述根據(jù)設(shè)定的等值面閾值大小生成等值面頂點(diǎn)的方法是.1、對(duì)于電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)中其中一個(gè)四面體，判斷該四面體的一條邊上是否與給定閾值 δ的等值面有交點(diǎn)，有交點(diǎn)即等值面的頂點(diǎn)。具體判斷方法為(1)根據(jù)四面體其中一條邊的端點(diǎn)，在頂點(diǎn)索引紋理中得到頂點(diǎn)索引；(2)根據(jù)頂點(diǎn)索引在四面體頂點(diǎn)函數(shù)值紋理中獲取該邊兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋素，該紋素的R、G、B、A分量對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)和電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值，從而可以獲得兩個(gè)端點(diǎn)的頂點(diǎn)坐標(biāo)va、vb和電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值Pa、Pb ；(3)比較多等值面的閾值δ與端點(diǎn)的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)值，如果δ> Pa且δ >Pb，或者δ <Pa且δ < Pb則該邊上不存在該閾值大小δ的等值面的頂點(diǎn)；否則存在等值面的頂點(diǎn)，插值生成等值面頂點(diǎn)為ν = (l-t)va+tvb(3)歡轉(zhuǎn)(4)重復(fù)步驟(1)、(2)、(3)判斷生成該四面體所有邊上閾值δ的等值面的頂點(diǎn)；.2、遍歷所有四面體完成步驟1，生成該閾值的等值面的所有頂點(diǎn)。.3、遍歷所有等值面閾值，完成步驟1、2，生成所有閾值的等值面頂點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法，其特征在于所述步驟四中所述電磁環(huán)境多等值面構(gòu)造方法如下(1)對(duì)于每個(gè)四面體，根據(jù)其六條邊的排列順序，順序連接與邊相交的同一閾值的等值面頂點(diǎn)，即可得到某一閾值的電磁環(huán)境等值面的一個(gè)面片；(2)遍歷多等值面的所有閾值完成步驟(1)，即可得到該四面體的電磁環(huán)境多等值面面片；(3)對(duì)所有四面體完成步驟(1)、O)，即可得到由多個(gè)等值面面片構(gòu)成的電磁環(huán)境多等值面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法，其特征在于所述步驟五中所述多等值面顏色透明度設(shè)置的具體方法是(1)遍歷所有多等值面的頂點(diǎn)，對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)計(jì)算該頂點(diǎn)法矢量與視點(diǎn)方向的夾角余弦COS α = ητν(4)其中η為等值面頂點(diǎn)法矢量的歸一化結(jié)果，ν為視點(diǎn)與該頂點(diǎn)的視線方向歸一化結(jié)果；(2)設(shè)置該頂點(diǎn)的透明度值為A = l-k| cos α I(5)其中k為邊界輪廓控制正數(shù)因子，取值越大透明區(qū)域越大，邊界輪廓區(qū)域越突出(3)對(duì)多層等值面模型的所有頂點(diǎn)完成步驟(1)、O)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法，其特征在于所述步驟六中所述快速分層偽排序融合繪制算法如下(1)依據(jù)電磁環(huán)境多等值面提取閾值的大小，對(duì)每個(gè)等值面按照從內(nèi)向外排序；(2)繪制所有等值面的背面面片，實(shí)現(xiàn)等值面的背面面片按照從后往前的順序融合；(3)繪制所有等值面的正面面片，實(shí)現(xiàn)等值面的正面面片按照從后往前的順序融合；(4)融合多等值面正面面片和背面面片繪制結(jié)果，得到半透明結(jié)果；(5)根據(jù)電磁環(huán)境多等值面的頂點(diǎn)法矢量，采用Phong著色模型計(jì)算光照情況，為電磁環(huán)境多等值面的所有頂點(diǎn)著色，最終將帶有光照效果的電磁環(huán)境多等值面顯示在三維環(huán)境中。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁環(huán)境可視化技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)三維可視化方法。本發(fā)明采用電波傳播物理模型確定電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)，把電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)剖分成四面體結(jié)構(gòu)，按照四面體頂點(diǎn)和頂點(diǎn)索引的方式組織成二維紋理，輸入四面體頂點(diǎn)函數(shù)值紋理和頂點(diǎn)索引紋理到圖形處理器，根據(jù)設(shè)定的等值面閾值判斷生成等值面頂點(diǎn)，將同一閾值的等值面頂點(diǎn)連接成等值面，構(gòu)造電磁環(huán)境多等值面，根據(jù)等值面頂點(diǎn)法向量和視點(diǎn)關(guān)系突出電磁環(huán)境模型邊緣顯示，并將多等值面半透明融合嵌入到三維環(huán)境中。采用本發(fā)明可以使三維電磁環(huán)境表現(xiàn)得形象直觀，提供更多的電磁環(huán)境內(nèi)部信息表現(xiàn)，提高了電磁環(huán)境表現(xiàn)的正確性、完備性以及邊界輪廓的清晰度。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102254347SQ20111018596
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者于榮歡, 吳玲達(dá), 楊超 申請(qǐng)人:中國人民解放軍裝備指揮技術(shù)學(xué)院