一種基于多尺度渲染和擬合的三維船舶動(dòng)態(tài)展現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖像處理，特別是船舶交通態(tài)勢(shì)顯示領(lǐng)域，是一種使用多尺度 渲染和擬合進(jìn)行三維船舶動(dòng)態(tài)展現(xiàn)的方法，特別是實(shí)現(xiàn)大量船舶目標(biāo)在不同航行狀態(tài)下的 尚效二維顯不方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在傳統(tǒng)的船舶交通管理系統(tǒng)中，較多使用基于二維海圖的船舶目標(biāo)繪制展現(xiàn)交通 態(tài)勢(shì)，多使用簡(jiǎn)單圖形（矩形、三角形等）和顏色區(qū)別船舶目標(biāo)的類(lèi)型、情報(bào)來(lái)源，使用點(diǎn)線 等表示船舶軌跡，文字標(biāo)簽提示船名和其他信息等。二維顯示的方式簡(jiǎn)單、直觀，適用于海 事值班人員對(duì)整體交通態(tài)勢(shì)的掌握和觀察，但也存在一定的不足，主要包括兩個(gè)方面：（1) 無(wú)法直接表現(xiàn)船舶目標(biāo)的各類(lèi)細(xì)節(jié)特征，如船舶尺寸、船高、吃水、外觀特征等；(2)無(wú)法連 續(xù)顯示船舶目標(biāo)的動(dòng)態(tài)航行過(guò)程，只能通過(guò)離散的位置的表現(xiàn)船舶的歷史航行軌跡，而沒(méi) 有一個(gè)平滑連續(xù)的航行效果。而基于硬件加速的三維渲染引擎，則適合解決這些問(wèn)題，通過(guò) 詳細(xì)的三維模型或圖片紋理可以很好的展現(xiàn)出船舶目標(biāo)的全部特征，通過(guò)插值或擬合方式 能夠表現(xiàn)船舶航行的連續(xù)過(guò)程，此外搭配上港區(qū)的高清影像、高程水深信息、以及光線、天 氣等特效，則能夠達(dá)到動(dòng)畫(huà)級(jí)別的動(dòng)態(tài)展示效果。三維渲染是對(duì)船舶交通態(tài)勢(shì)的一種更加 逼真、立體的展現(xiàn)方式，也是對(duì)二維態(tài)勢(shì)的一種重要補(bǔ)充。對(duì)船舶交通管理而言，二三維展 現(xiàn)各有側(cè)重，前者適用于掌握全局態(tài)勢(shì)和整體特征，后者側(cè)重于細(xì)節(jié)特效和真實(shí)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景 的模擬。
[0003]目前國(guó)內(nèi)海事局所使用的VTS系統(tǒng)中，三維交通態(tài)勢(shì)的應(yīng)用還很低，主要原因是 現(xiàn)役系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間都較早，三維渲染技術(shù)尚不成熟。在已有部分三維功能的VTS軟件中，其 展現(xiàn)效果也普遍存在一些短板，主要分為幾個(gè)方面：（1)接入船舶目標(biāo)的數(shù)量很少，功能也 非常有限，大批量目標(biāo)接入時(shí)難以實(shí)現(xiàn)二三維交通態(tài)勢(shì)的一致性；（2)動(dòng)態(tài)效果不足，更側(cè) 重于船舶的靜態(tài)模型展示，不能觀察所有目標(biāo)動(dòng)態(tài)航行效果。由于三維渲染占用的系統(tǒng)資 源較多，而隨著現(xiàn)代航運(yùn)的日益發(fā)展，港口吞吐量和船舶數(shù)量都在一個(gè)很大的量級(jí)上，如果 以統(tǒng)一尺度的細(xì)節(jié)渲染方式和運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法展現(xiàn)所有船舶目標(biāo)，很容易到達(dá)三維展現(xiàn)的性 能瓶頸，這也是很多三維系統(tǒng)無(wú)法與二維船舶交通顯示做到態(tài)勢(shì)一致、互相補(bǔ)充的內(nèi)在原 因。在大批量的背景下，急需要提出一種多尺度的三維渲染和運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法，優(yōu)化三維顯示 的資源使用，達(dá)到與二維顯示系統(tǒng)匹配的性能指標(biāo)，保證二三維船舶交通態(tài)勢(shì)的一致性，提 供更加真實(shí)、更加形象、更加動(dòng)態(tài)的船舶目標(biāo)展現(xiàn)效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于多 尺度渲染和擬合的三維船舶動(dòng)態(tài)展現(xiàn)方法。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多尺度渲染和擬合的三維船舶動(dòng) 態(tài)展現(xiàn)方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1 :接收船舶目標(biāo)情報(bào)，解析相關(guān)信息，動(dòng)態(tài)匹配相關(guān)資源；
[0007] 步驟2 :判斷該船舶目標(biāo)是否存在，已存在則等待渲染處理；不存在則創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的 船舶目標(biāo)，等待渲染；
[0008] 步驟3:遍歷待渲染目標(biāo)，根據(jù)可見(jiàn)性條件、觀察距離，進(jìn)行渲染前計(jì)算，判斷三維 船舶目標(biāo)的可見(jiàn)性、密集度和渲染的細(xì)節(jié)層次，根據(jù)計(jì)算結(jié)果動(dòng)態(tài)加載或卸載相關(guān)資源；
[0009] 步驟4:根據(jù)觀察距離、船舶航速和渲染幀速，計(jì)算船舶航行的插值間隔；
[0010] 步驟5 :對(duì)于確定顯示的三維船舶目標(biāo)，根據(jù)兩次情報(bào)點(diǎn)給定的時(shí)間和位置，通過(guò) 不同的擬合路線和插值間隔計(jì)算下一幀渲染的位置和姿態(tài)。
[0011] 本發(fā)明步驟1中，需要解析的船舶信息包括：位置（經(jīng)煒度）、高度、航向、航速、船 舶類(lèi)型、長(zhǎng)度、寬度，以及三維觀察點(diǎn)（虛擬相機(jī)）位置和視角，作為渲染和擬合的計(jì)算依 據(jù)。
[0012] 本發(fā)明步驟3包括以下步驟：
[0013] 步驟3-1:根據(jù)三維觀察點(diǎn)位置和船舶目標(biāo)位置，將地理坐標(biāo)（經(jīng)度longitude，煒 度latitude，高度altitude)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)（x，y，z)，觀察位置（xe，ye，ze)和船舶目 標(biāo)位置（x，y，z)兩點(diǎn)間直線距離，記錄觀察距離d;計(jì)算方式如下，其中R為地球半徑；
[0014] 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
[0015]距離計(jì)算：d= |(X，y, yc,zc)|，
[0016] 觀察位置（x%y%f)中角標(biāo)c沒(méi)有特定的含義，僅僅是區(qū)分符號(hào)。
[0017] 步驟3-2:根據(jù)船舶目標(biāo)位置和觀察位置，進(jìn)行視口裁剪和可見(jiàn)性判斷，視截體之 外的目標(biāo)隱藏，不做渲染；
[0018] 步驟3-3:根據(jù)船舶長(zhǎng)度、寬度，觀察距離和視角，計(jì)算船舶目標(biāo)在屏幕上的投影 位置和面積，使用正方形表達(dá)，記錄投影平面位置（x1，y1)和邊長(zhǎng)r;使用mXn的二維數(shù)組 A記錄投影面所有位置的密集度，如果投影位置相互重合，觀察距離更遠(yuǎn)的目標(biāo)隱藏，不做 渲染；計(jì)算方式如下，計(jì)算方式如下，其中（t，b，l，r)分別表示是投影窗口平面的上下左右 邊界，N和F分別是虛擬相機(jī)近平面和遠(yuǎn)平面的觀察距離，M是投影矩陣；
[0019] 投影矩陣：
[0020] 其中參數(shù)：
[0021]投影計(jì)算：(X1，y1，z1，1)T=MX(X，y,z, 1) T，
[0022] 密集判斷：AU^y1) > 1表示（x^y1)位置有重疊。其中A為mXn的二維數(shù)組，與 投影窗口大小一致，m=r-1，n=b-t;時(shí)間間隔interval1、投影平面位置（x1，y1)中角標(biāo) c沒(méi)有特定的含義，僅僅是區(qū)分符號(hào)。
[0023] 步驟3-4:根據(jù)船舶的觀察距離或者視角高度，決定當(dāng)前尺度下該船舶的顯示模 式和渲染細(xì)節(jié)，區(qū)別使用精確模型、簡(jiǎn)單模型、精確紋理、簡(jiǎn)單紋理對(duì)船舶目標(biāo)進(jìn)行展現(xiàn)，不 需要的細(xì)節(jié)元素進(jìn)行隱藏，不做渲染。
[0024] 本發(fā)明步驟4中，根據(jù)觀察距離計(jì)算當(dāng)前尺度下的插值間隔為interval;計(jì)算當(dāng) 前時(shí)刻距上次插值的時(shí)間間隔為interval1，與插值間隔比較，不足一次插值間隔，直接給 定原來(lái)點(diǎn)的位置和姿態(tài)，不做后續(xù)計(jì)算；超過(guò)插值間隔過(guò)多或觀察距離很遠(yuǎn)，直接給定最新 點(diǎn)的位置和姿態(tài)；剩余的情況需進(jìn)行進(jìn)一步的前推或擬合計(jì)算，得到合適的位置和姿態(tài)。
[0025] 本發(fā)明步驟5包括以下步驟：
[0026] 步驟5-1:計(jì)算前一點(diǎn)和最新點(diǎn)的時(shí)間間隔，記作time，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻所處的比 例，記作ratio;根據(jù)前一點(diǎn)位置和最新點(diǎn)所給的位置，計(jì)算兩者間的距離朝向，分別記作 length和turning;
[0027] 步驟5-2:根據(jù)兩點(diǎn)的時(shí)間間隔、距離、和朝向，距離小于10米或時(shí)間小于1秒，保 持原航向和速度，按當(dāng)前時(shí)刻前推給點(diǎn)；距離小于船舶長(zhǎng)度或朝向正切值小于船舶長(zhǎng)寬比， 采用直線插值；其他情況則采用曲線擬合；
[0028] 曲線擬合計(jì)算方式如下，其中：
[0029](1)上一點(diǎn)的時(shí)刻timel，位置記作（longitudel，latitudel，altitudel)，速度記 作vl，航向記作coursel;
[0030]⑵最新點(diǎn)的時(shí)刻time2,位置記作（longitude2,latitude2,altitude2)，速度記 作v2,航向記作course2,時(shí)刻記作time2 ;
[0031](3)當(dāng)前點(diǎn)的時(shí)刻time1，位置記作（longitude1，latitude1，altitude1)，速度記作 v1，航向記作course1;
[0032] (4)最新點(diǎn)與上一點(diǎn)的距離記作length，朝向記作turning，當(dāng)前點(diǎn)與上一點(diǎn)的距 離記作length1，朝向記作turning1，R為地球半徑；
[0033] 距離朝向

[0034] 球面角度
[0035] 經(jīng)度煒度
[0036] 步驟5-3:根據(jù)前推、插值、或擬合計(jì)算得到的位置點(diǎn)和方向，計(jì)算對(duì)應(yīng)的偏移矩 陣、扭轉(zhuǎn)矩陣、縮放矩陣，進(jìn)行三維船舶及其元素的渲染處理。
[0037] 本發(fā)明通過(guò)三維方式展現(xiàn)港區(qū)中的船舶目標(biāo)和通航過(guò)程，提供一個(gè)多尺度下高效 渲染三維船舶的方法。根據(jù)船舶觀察距離、密集程度和位置等信息，調(diào)整渲染程度和航行計(jì) 算過(guò)程，優(yōu)化顯示系統(tǒng)對(duì)軟硬件資源的分配和利用，保證用戶能對(duì)船舶特征、航行過(guò)程、航 行狀態(tài)進(jìn)行更加直觀、詳細(xì)的觀察，實(shí)現(xiàn)大批量船舶目標(biāo)的高效三維顯示。
[0038] 本發(fā)明考慮不同觀察尺度下，根據(jù)船舶類(lèi)型和系統(tǒng)配置，合理設(shè)計(jì)三維船舶目標(biāo) 的顯示方式，動(dòng)態(tài)加載和卸載模型、紋理、標(biāo)簽等相關(guān)資源，動(dòng)態(tài)調(diào)整插值精度和擬合路線 進(jìn)行航行平滑計(jì)算，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化利用前提下的三維船舶動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，達(dá)到與二維顯示系統(tǒng) 匹配的性能指標(biāo)，無(wú)論是大范圍場(chǎng)景、局部場(chǎng)景還是近距離觀察尺度下，都能提供高效、動(dòng) 態(tài)的船舶目標(biāo)展現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說(shuō)明，本發(fā)明的上述和 /或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。
[0040] 圖1是三維船舶展現(xiàn)總流程圖。
[0041] 圖2是多尺度渲染和計(jì)算處理流程圖。
[0042] 圖3是多尺度渲染細(xì)節(jié)配置圖。
[0043] 圖4是多尺度插值和擬合計(jì)算的示意圖。
[0044] 圖5是大范圍場(chǎng)景的三維船舶交通態(tài)勢(shì)圖。
[0045] 圖6是局部場(chǎng)景的三維船舶交通態(tài)勢(shì)圖。
[0046] 圖7是近距離的三維船舶通航效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 本發(fā)明獲取實(shí)時(shí)船舶目標(biāo)的類(lèi)型、位置、航向和航速信息，結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置， 動(dòng)態(tài)匹配相應(yīng)的三維模型、圖標(biāo)信息，作為船舶展現(xiàn)的要素；基于觀察距離和密集程度，切 換不同尺度下船舶的可見(jiàn)性和三維展現(xiàn)方式，保證模型等資源的動(dòng)態(tài)卸載；根據(jù)觀察距離 和位置航速等信息，確定不同情況下的插值間隔和擬合路線，在不同給點(diǎn)情況下進(jìn)行多尺 度的前推計(jì)算、直線插值或曲線擬合，提高處理效率和船舶航行展現(xiàn)的平滑度。最終實(shí)現(xiàn)高 效動(dòng)態(tài)的三維船舶展現(xiàn)效果，兼顧整體性能優(yōu)化和細(xì)節(jié)特征展現(xiàn)。
[0048] 總體而言，本發(fā)明獲取實(shí)時(shí)船舶目標(biāo)的類(lèi)型、位置、航向和航速信息，結(jié)合計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)配置，動(dòng)態(tài)匹配相應(yīng)的三維模型、圖標(biāo)信息，作為船舶展現(xiàn)的要素；基于觀察距離和密 集程度，切換不同尺度下船舶的可見(jiàn)性和三維展現(xiàn)方式，保證模型等資源的動(dòng)態(tài)卸載；根據(jù) 觀察距離和位置航速等信息，確定不同情況下的插值間隔和擬合路線，在不同給點(diǎn)情況下 進(jìn)行多尺度的前推計(jì)算、直線插值或曲線擬合，提高處理效率和船舶航行展現(xiàn)的平滑度。最 終實(shí)現(xiàn)高效動(dòng)態(tài)的三維船舶展現(xiàn)效果，兼顧整體性能優(yōu)化和細(xì)節(jié)特征展現(xiàn)。
[0049] 實(shí)施例
[0050] 具體而言，結(jié)合圖1和圖2所示，本實(shí)施包括如下步驟：
[0051] 步驟1 :接收船舶目標(biāo)情報(bào)，解析相關(guān)信息，動(dòng)態(tài)匹配相關(guān)資源；具體信息包括：位 置（經(jīng)煒度）、高度、航向、航速、船舶類(lèi)型、長(zhǎng)度、寬度，以及三維觀察點(diǎn)（虛擬相機(jī)）位置和 視角，作為渲染和擬合的