空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎及其視點(diǎn)跨尺度無縫切換方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎及其視點(diǎn)跨尺度無縫切換方法。視點(diǎn)不直接到達(dá)目標(biāo)位置，而是沿一定的路徑從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置。由于本發(fā)明的態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的跨度較大，包含了整個(gè)太陽系的態(tài)勢(shì)感知目標(biāo)，因此本發(fā)明采用沿直線的轉(zhuǎn)換方式，既能夠達(dá)到無縫切換的效果，又便于實(shí)現(xiàn)；在視點(diǎn)距離目標(biāo)較近時(shí)，采用球面漫游方式。通過本發(fā)明視點(diǎn)控制和視點(diǎn)切換方法的組合使用，可以實(shí)現(xiàn)空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎中各類目標(biāo)的全方位觀察和無縫切換。
【專利說明】空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎及其視點(diǎn)跨尺度無縫切換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎及其視點(diǎn)跨尺度無縫切換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著技術(shù)的發(fā)展，人類的活動(dòng)不再局限于地面，空間成為人類活動(dòng)的又一重要場(chǎng)所。為了占領(lǐng)空間這塊重要的領(lǐng)地，越來越多的衛(wèi)星發(fā)射升空，使得在軌和失效的衛(wèi)星達(dá)到了成千上萬顆，空間環(huán)境急劇惡化。為確?？臻g安全，維護(hù)空間利益，各國紛紛建立了自己的空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)?？臻g態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其獲取的數(shù)據(jù)包含天基、地基等各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，如何將這些數(shù)據(jù)有效利用起來，為戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)決策及其他空間活動(dòng)提供信息服務(wù)成為一個(gè)迫切需要解決的問題。
[0003]為了更好的掌握空間態(tài)勢(shì)系統(tǒng)感知的空間目標(biāo)、空間環(huán)境等各類數(shù)據(jù)的變化規(guī)律及其相互作用關(guān)系，需要開發(fā)空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎，將大到整個(gè)太陽系的各大行星，小到地球上的一個(gè)地面站及其周圍高分辨率地形，可見的空間目標(biāo)及不可見的空間環(huán)境等各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一展示。要實(shí)現(xiàn)各類態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)的自然順暢展示，首先需要解決的就是視點(diǎn)控制問題，視點(diǎn)控制的好壞直接影響用戶對(duì)態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的使用體驗(yàn)。
[0004]視點(diǎn)是用戶觀察可視化場(chǎng)景的唯一接口，是虛擬現(xiàn)實(shí)的基本要素。對(duì)于簡單的可視化場(chǎng)景展示，一般利用開發(fā)工具本身提供的函數(shù)即可滿足要求，如OpenGL的gluLookAtO函數(shù)。對(duì)于復(fù)雜的可視化場(chǎng)景則需要更加具有“沉浸感”的視點(diǎn)控制方法，如GoogleEarth, Worldffind等數(shù)字地球可視化系統(tǒng)的視點(diǎn)控制方法，這類可視化引擎的視點(diǎn)控制主要解決的是如何更好的實(shí)現(xiàn)地面上的漫游，視點(diǎn)始終以地球?yàn)殛P(guān)注點(diǎn)，可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放和繞地面某點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，近地漫游時(shí)地平線始終水平，無法傾斜；還有一類如STK這樣的重點(diǎn)在空間目標(biāo)仿真的可視化引擎，該引擎將用戶關(guān)注的目標(biāo)一直置于視場(chǎng)的中心，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放，不適合地面場(chǎng)景的瀏覽，視點(diǎn)可以在不同目標(biāo)之間進(jìn)行切換，但是切換采用直接變換方式，沒有變換的過程，很突兀；另外一類是如Celestia這樣的行星際可視化引擎，這類可視化引擎視點(diǎn)可以在不同目標(biāo)之間進(jìn)行流暢的切換，但是其主要關(guān)注的焦點(diǎn)是各類天文目標(biāo)，當(dāng)視點(diǎn)拉近到地球等球體表面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)地平線傾斜，無法繞球面某點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等問題，從而影響地面地形的瀏覽體驗(yàn)。上面的幾類視點(diǎn)控制方法都無法很好的滿足空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的需求。
[0005]由于空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的主要特點(diǎn)有數(shù)據(jù)類型多、空間尺度和距離變化大、涉及坐標(biāo)系多等特點(diǎn)，為了使設(shè)計(jì)的視點(diǎn)控制方法能夠更好的適應(yīng)空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)，下面對(duì)空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)的各個(gè)主要特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析。
[0006]1.1數(shù)據(jù)類型多
[0007]空間態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)是空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的表達(dá)對(duì)象，空間態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)紛繁復(fù)雜。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的類型，感知數(shù)據(jù)可分為兩大類，一是空間目標(biāo)數(shù)據(jù)，包括地球軌道上的所有目標(biāo):在軌活動(dòng)衛(wèi)星、失效衛(wèi)星、空間碎片等各類大小目標(biāo)；二是空間環(huán)境數(shù)據(jù)，包括太陽活動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)、地磁場(chǎng)、電離層、空間輻射帶、高能粒子等各類數(shù)據(jù)。除了感知數(shù)據(jù)外還有一類數(shù)據(jù)是空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)，如地基和天基監(jiān)視系統(tǒng)本身分布情況、運(yùn)行狀態(tài)等，這類數(shù)據(jù)從表達(dá)形式上可以和空間目標(biāo)數(shù)據(jù)歸為一類。另外一類數(shù)據(jù)是地球本身的地理信息數(shù)據(jù)以及整個(gè)太陽系的各大行星數(shù)據(jù)和恒星背景數(shù)據(jù)。由此構(gòu)成了一個(gè)完整的包含空天地的態(tài)勢(shì)表達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，上面這些數(shù)據(jù)中，部分?jǐn)?shù)據(jù)本身是可見的直觀的，如空間目標(biāo)等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要真實(shí)的再現(xiàn)，部分?jǐn)?shù)據(jù)本身是抽象的不可見的，因此需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)，使不可見的變?yōu)榭梢姷摹Ｈ绱朔倍嗟臄?shù)據(jù)需要在同一個(gè)框架下進(jìn)行統(tǒng)一展示，這為視點(diǎn)控制帶來了前所未有的困難。圖1是空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的數(shù)據(jù)分類圖。
[0008]1.2空間尺度和距離變化大
[0009]空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎除了數(shù)據(jù)類型多外，還有一個(gè)重要的特點(diǎn)就是需要表達(dá)的目標(biāo)空間尺度和距離變化巨大，大到整個(gè)太陽系中半徑為696，300千米的最大目標(biāo)太陽，小到地球表面上一個(gè)幾米大的監(jiān)控雷達(dá)；遠(yuǎn)到距離太陽最遠(yuǎn)的海王星離太陽4，504, 300, 000千米，到太陽最近的水星也有57，910, 000千米，而地面上的兩個(gè)目標(biāo)之間的距離則可以近到一米以內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)這么大尺寸跨度的目標(biāo)的精確表示，以及這么大距離跨度的目標(biāo)之間的無縫切換是是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。
[0010]1.3涉及坐標(biāo)系多
[0011 ] 空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)弓I擎中的各類目標(biāo)不是簡單的疊加，而是按照嚴(yán)格的時(shí)空關(guān)系模型，讓目標(biāo)在相應(yīng)的時(shí)間處于正確的地點(diǎn)，對(duì)各類目標(biāo)空間位置的描述則必須基于它們相應(yīng)的坐標(biāo)系。由于空間態(tài)勢(shì)感知的數(shù)據(jù)種類繁多，涉及到了多個(gè)學(xué)科，而在不同的學(xué)科中對(duì)研究對(duì)象的描述都有常用的坐標(biāo)系，如在描述太陽系中各大行星的運(yùn)動(dòng)時(shí)常用日心黃道坐標(biāo)系；描述某一行星的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)通常采用該行星的慣性坐標(biāo)系，對(duì)衛(wèi)星本身的描述則采用衛(wèi)星本體坐標(biāo)系；描述行星表面上的固定目標(biāo)時(shí)，則采用該行星的固定坐標(biāo)系；對(duì)于空間環(huán)境數(shù)據(jù)的描述，如輻射帶常采用地磁坐標(biāo)系，地球磁場(chǎng)數(shù)據(jù)則習(xí)慣采用地心太陽磁層坐標(biāo)系。
[0012]由此可見，涉及的坐標(biāo)系繁多是空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的又一特點(diǎn)，要把涉及到這么多坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)在一起統(tǒng)一展示，則必須要解決的是這些坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換問題，為此本發(fā)明綜合各類態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)的參考坐標(biāo)構(gòu)建了如圖2所示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖，該轉(zhuǎn)換關(guān)系覆蓋了太陽系范圍內(nèi)常用的參考坐標(biāo)，與空間目標(biāo)相關(guān)的各類軌道坐標(biāo)、本體坐標(biāo)，與空間環(huán)境相關(guān)的以地球?yàn)橹行牡母鞣N磁層參考坐標(biāo)等。坐標(biāo)關(guān)系的理順為視點(diǎn)控制奠定了基礎(chǔ)。
[0013]空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎所表達(dá)的數(shù)據(jù)類型繁多，空間尺度和距離大、涉及坐標(biāo)系多，視點(diǎn)控制要達(dá)到比較滿意的目的，必須針對(duì)這些特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)有技術(shù)主要存在如下問題:
[0014]問題一，由于空天地一體化引擎包含了行星、航天器、地面地形、空間環(huán)境等各類態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎中若只采用一種瀏覽目標(biāo)的視點(diǎn)控制方法則難以滿足要求，如瀏覽航天器的視點(diǎn)控制方法用到地面地形的瀏覽時(shí)則會(huì)出現(xiàn)地平線傾斜、無法繞地形關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等一系列影響用戶體驗(yàn)的問題。
[0015]問題二，綜合分析視點(diǎn)控制方法，視點(diǎn)的瀏覽主要有兩類動(dòng)作:一類是繞某一方向矢量旋轉(zhuǎn)一定角度，另外一類是進(jìn)行縮放時(shí)按縮放值進(jìn)行位移。在以桌面電腦為平臺(tái)的態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎中，視點(diǎn)控制主要通過鼠標(biāo)交互接口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通常情況下，直接將鼠標(biāo)移動(dòng)量和滾輪滾動(dòng)量映射到視點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度和縮放值上即可實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)的交互控制，這種方法映射關(guān)系簡單，便于實(shí)現(xiàn)，鼠標(biāo)動(dòng)多少，視點(diǎn)就對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，滾輪轉(zhuǎn)多少，視點(diǎn)就對(duì)應(yīng)的縮放多少，鼠標(biāo)的變換停止視點(diǎn)變換就立刻停止，這種交互效果生硬，沒有動(dòng)感。
[0016]問題三，當(dāng)需要將視點(diǎn)從當(dāng)前關(guān)注的目標(biāo)切換到另外一個(gè)目標(biāo)時(shí)，可以采用立即模式，即用戶設(shè)置新的關(guān)聯(lián)目標(biāo)后，場(chǎng)景中立即出現(xiàn)新關(guān)聯(lián)的目標(biāo)。這種視點(diǎn)切換方式實(shí)現(xiàn)簡單，但是缺乏視點(diǎn)從一個(gè)位置到另外一個(gè)位置的過渡，顯得比較呆板，不生動(dòng)，尤其是從整個(gè)太陽系切換到地球某顆衛(wèi)星時(shí)，這種方法顯得較為突兀。
[0017]問題四，空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的一大特點(diǎn)就是時(shí)空跨度巨大，要想實(shí)現(xiàn)如此大尺度下各類空間目標(biāo)的精細(xì)表達(dá)就必須克服由于浮點(diǎn)數(shù)舍入誤差過大引起的抖動(dòng)問題，抖動(dòng)會(huì)造成物體某些部分被不確定裁剪、三角網(wǎng)格破裂、紋理錯(cuò)亂等一系列問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目的是提供一種空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎及其視點(diǎn)跨尺度無縫切換方法，用以解決上述問題三大尺度目標(biāo)切換時(shí)缺乏過渡造成的呆板問題。
[0019]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括:
[0020]空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的視點(diǎn)跨尺度無縫切換方法，包括如下步驟:
[0021]在視點(diǎn)距離目標(biāo)超過設(shè)定距離時(shí)，采用沿直線的轉(zhuǎn)換方式:直線線性插值公式如下式:
【權(quán)利要求】
1.空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的視點(diǎn)跨尺度無縫切換方法，其特征在于，包括如下步驟: 在視點(diǎn)距離目標(biāo)超過設(shè)定距離時(shí)，采用沿直線的轉(zhuǎn)換方式:直線線性插值公式如下式:
2.采用權(quán)利要求1所述空天地一體化態(tài)勢(shì)表達(dá)引擎的視點(diǎn)跨尺度無縫切換方法，其特征在于，在視點(diǎn)距離目標(biāo)超過設(shè)定距離時(shí)，采用沿直線的轉(zhuǎn)換方式:直線線性插值公式如下式:
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103605883SQ201310533634
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】徐青, 施群山, 藍(lán)朝楨, 姜挺, 呂亮, 周楊, 李建勝, 靳國旺, 孫偉, 邢帥, 龔志輝 申請(qǐng)人:中國人民解放軍信息工程大學(xué)