一种三维虚拟场景快速构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于三维虚拟场景建模领域，尤其涉及诸如虚拟战场场景的真实场景的三 维重建。
【背景技术】
[0002] 三维虚拟场景构造是虚拟现实技术的基础，在游戏设计、数字城市、虚拟漫游、虚 拟展示和模拟训练等交互式应用中都有重要作用。三维虚拟场景构建包括三维模型重建 和场景重建两部分，其中三维模型重建是对场景中各种物体的造型和建模，场景重建是在 三维模型重建的基础上依据一定的规则对模型之间空间和约束关系的定义。三维模型的重 建技术目前已十分成熟，常用的方法主要有测量法建模和CAD造型软件建模两种方法，测 量法建模构建的模型精度高，数据量大，主要用于逆向工程领域；CAD造型软件建模过程可 视、速度快，编辑修改方便，是虚拟场景构建中首选的三维模型重建方法。
[0003] 目前场景重建主要采用人工构建和计算机自动重建两种方法，其中计算机自动 重建主要用于大规模动态场景的构建，构建的场景具有简单高效的特点，典型的应用如 Google Earth、各种三维地理信息系统等；人工构建主要用于小范围复杂场景的构建，构 建的场景细节丰富、效果逼真，典型的应用如各种游戏场景、用于模拟训练的虚拟战场场景 等。对于大规模复杂场景的构建，人工构建方法虽然能够实现，但构建的效率低，开发的周 期长，成本高；计算机自动重建方法无法对细节进行重构，构建的场景无法满足用户对于场 景逼真性的要求。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明提供一种交互式半自动三维场景构建方法，适用于不同 规模、不同复杂程度的场景快速构建，能够显著提高虚拟场景的构建效率。
[0005] 本发明的交互式半自动三维场景构建方法，其包括：
[0006] 步骤1 :以地形数字高程数据为依据，对遥感影像数据进行校正，实现地形数字高 程数据与遥感影像数据的匹配；
[0007] 校正方法为：在遥感影像上确定数据匹配的参考点，获得该参考点的位置信息并 按最小二乘法的原理拟合获得原始图像空间到校正后图像空间的校正系数a u、by采用多 项式法对遥感影像的图像进行平移、缩放和梯形变换，建立从原始图像空间到校正后图像 空间的校正公式
【主权项】
1. 一种交互式半自动三维场景构建方法，其特征在于，包括： 步骤1 :以地形数字高程数据为依据，对遥感影像数据进行校正，实现地形数字高程数 据与遥感影像数据的匹配； 校正方法为：在遥感影像上确定数据匹配的参考点，获得该参考点的位置信息并按最 小二乘法的原理拟合获得原始图像空间到校正后图像空间的校正系数ap by采用多项式 法对遥感影像的图像进行平移、缩放和梯形变换，建立从原始图像空间到校正后图像空间 的校正公式
其中，η为多项式的阶数，（X，y)为原始图像空间 中的坐标；(u，V)为校正后图像空间中的坐标；利用校正公式对遥感影像的图像进行校正， 获得校正后的遥感影像图像； 步骤2 :对校正后的遥感影像进行纹理分割，获得地形模型； 步骤21 :对遥感影像进行典型特征纹理的人工采样获得样本纹理，记为Tm(m = 1，2, 3…η)，采用径向功率谱平均值P(fy)：：,对样本纹理的频域统计特性进行提取；ω为极坐 标系中圆环的半径，m为纹理种类；
步骤22 :根据分割精度对遥感影像的图像进行栅格化处理，将遥感影像分割为（L/ a ) X (Η/α )个方格，并计算每个方格的径向功率谱的平均值Ρ(ω)Μ;其中LXH为遥感影 像的图像分辨率，α为分割精度；Ρ(ω)Μ表示第j行第k列个方格纹理的径向功率谱的平 均值； 步骤23:根据公式f)比较 P (ω)」，,与Aiy)),,,获得方格中纹理与样本纹理Tm之间特征的相似程度 步骤24,在P^kOn = 1，2, 3…η)中取最大值，若该值大于分割精度，则将第j行第k列 个方格纹理标记为T1，否则认为方格纹理不属于其中的任何一种样本纹理；其中，1为样本 纹理中与第j行第k列个方格纹理最接近的纹理编号； 步骤25,根据步骤24中标记的所有方格纹理建立一个（L/ α ) X (H/ α )的纹理分布灰 度图，该纹理分布灰度图的每个像素值由一个8位的字节来表示； 步骤26,对步骤21中的样本纹理进行去噪点、细节增强和重复感消除，生成与之对应 的细节纹理； 步骤27 :在GPU顶点处理器中计算遥感图像和细节纹理的融合因子，进入像素渲染阶 段后分别创建地形遥感图像、所有细节纹理和场景材质分布灰度图的采样器，并结合该融 合因子按照步骤25生成的纹理分布灰度图依次对采样器采集的像素颜色进行叠加处理， 获得最终的地形纹理的颜色值，此时地形模型建立完毕； 步骤3 :解析地理矢量数据中的陆地交通图层和水文图层，提取道路、水系的类别、位 置、长度和宽度数据，解析地理矢量数据中的居民地及附属设施图层，提取建筑物的位置数 据，从而获得地物数据；将提取的地物数据与使用三维模型重建获得的地物三维模型进行 类型和轮廓大小的匹配，如果匹配成功，则将匹配成功的地物三维模型作为最终建立的地 物模型；如果匹配失败，则载自动创建一个能够反映其轮廓的多面体作为最终建立的地物 丰旲型； 步骤4 :将步骤2建立的地形模型和步骤3建立的地物模型载入三维场景，并对地形模 型的场景地形和地物模型的地物数据行分割，创建以地形块为单位的地形数据存储结构， 分割时块与块之间保留一定的重叠区，便于三维场景加载后无缝连接。
2. 如权利要求1所述的交互式半自动三维场景构建方法，其特征在于，步骤27中遥感 图像和细节纹理的融合因子的计算公式为：
其中，dmin为遥感图像与细节纹理完全融合的距离，dmax为最大融合距离，bmin和b max为 对应的融合因子，d为地形网格顶点在xy水平面上的投影与视点在xy水平面上投影的距 离。
3. 如权利要求1所述的交互式半自动三维场景构建方法，其特征在于，步骤21中的样 本纹理的径向功率谱平均数Ρ(ω)的计算公式为：
其中u和V是校正后图像空间中的坐标变量，Nu为样本纹理水平方向上的像素数， Nv为样本纹理垂直方向上的像素数，f(u，v)表示坐标点（u，v)处的灰度值。把功率谱 的空间频率从直角坐标系P(U, V)转化为极坐标系ρ(ω, Θ )的方式为：ω2= U 2+ν2，Θ =arctan(v/u)，设Νω是圆环2 π ω?ω上的点数，则对于一个给定的半径ω，其径向功 率谱的平均值可通过计算面积为2π ωο?ω的圆环上化个点功率谱的平均值得到，即：
4. 如权利要求1所述的交互式半自动三维场景构建方法，其特征在于，步骤27中的叠 加计算公式如下： P' = P1X B^P2 X a2+··· PnX an P = P0X (l-b)+P' Xb 其中，Ptl表示遥感影像的图像颜色，P表示最终的纹理像素颜色值，P'表示细节纹理像 素颜色值，？1表示步骤26生成的第i个细节纹理的颜色，a 1表示纹理分布图中对应位置灰 度值第i位的值，Ptl表示遥感图像的颜色，b表示融合因子。
【专利摘要】本发明提供一种交互式半自动三维场景构建方法，其数据分布存储策略通过建立场景数据索引将地物模型、植被和地形等场景数据以块的方式进行存储，以高效的数据调度载入相关数据，实现场景的动态构建；其地表特征提取方法通过对遥感图像的纹理采样、特征提取和图像分割操作，实现对场景内地表材质、植被、水系分布区域的自动获取；其地物特征提取方法通过对地理信息矢量数据的解析，提取关于河流、道路、桥梁等线状地物和点状地物的位置和属性，实现虚拟场景中地物模型几何尺寸、空间位置等属性的自动获取。因此，本发明能够适用于不同规模、不同复杂程度的场景快速构建，能够显著提高虚拟场景的构建效率。
【IPC分类】G06T17-05
【公开号】CN104835202
【申请号】CN201510259812
【发明人】梁强, 王青海, 杜君, 李光辉, 黄玺瑛, 邵伟
【申请人】中国人民解放军装甲兵工程学院
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月20日