一种基于多尺度渲染和拟合的三维船舶动态展现方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机图像处理，特别是船舶交通态势显示领域，是一种使用多尺度 渲染和拟合进行三维船舶动态展现的方法，特别是实现大量船舶目标在不同航行状态下的 尚效二维显不方法。
【背景技术】
[0002] 在传统的船舶交通管理系统中，较多使用基于二维海图的船舶目标绘制展现交通 态势，多使用简单图形（矩形、三角形等）和颜色区别船舶目标的类型、情报来源，使用点线 等表示船舶轨迹，文字标签提示船名和其他信息等。二维显示的方式简单、直观，适用于海 事值班人员对整体交通态势的掌握和观察，但也存在一定的不足，主要包括两个方面：（1) 无法直接表现船舶目标的各类细节特征，如船舶尺寸、船高、吃水、外观特征等；(2)无法连 续显示船舶目标的动态航行过程，只能通过离散的位置的表现船舶的历史航行轨迹，而没 有一个平滑连续的航行效果。而基于硬件加速的三维渲染引擎，则适合解决这些问题，通过 详细的三维模型或图片纹理可以很好的展现出船舶目标的全部特征，通过插值或拟合方式 能够表现船舶航行的连续过程，此外搭配上港区的高清影像、高程水深信息、以及光线、天 气等特效，则能够达到动画级别的动态展示效果。三维渲染是对船舶交通态势的一种更加 逼真、立体的展现方式，也是对二维态势的一种重要补充。对船舶交通管理而言，二三维展 现各有侧重，前者适用于掌握全局态势和整体特征，后者侧重于细节特效和真实运动场景 的模拟。
[0003]目前国内海事局所使用的VTS系统中，三维交通态势的应用还很低，主要原因是 现役系统开发时间都较早，三维渲染技术尚不成熟。在已有部分三维功能的VTS软件中，其 展现效果也普遍存在一些短板，主要分为几个方面：（1)接入船舶目标的数量很少，功能也 非常有限，大批量目标接入时难以实现二三维交通态势的一致性；（2)动态效果不足，更侧 重于船舶的静态模型展示，不能观察所有目标动态航行效果。由于三维渲染占用的系统资 源较多，而随着现代航运的日益发展，港口吞吐量和船舶数量都在一个很大的量级上，如果 以统一尺度的细节渲染方式和运动计算方法展现所有船舶目标，很容易到达三维展现的性 能瓶颈，这也是很多三维系统无法与二维船舶交通显示做到态势一致、互相补充的内在原 因。在大批量的背景下，急需要提出一种多尺度的三维渲染和运动计算方法，优化三维显示 的资源使用，达到与二维显示系统匹配的性能指标，保证二三维船舶交通态势的一致性，提 供更加真实、更加形象、更加动态的船舶目标展现效果。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于多 尺度渲染和拟合的三维船舶动态展现方法。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于多尺度渲染和拟合的三维船舶动 态展现方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1 :接收船舶目标情报，解析相关信息，动态匹配相关资源；
[0007] 步骤2 :判断该船舶目标是否存在，已存在则等待渲染处理；不存在则创建对应的 船舶目标，等待渲染；
[0008] 步骤3:遍历待渲染目标，根据可见性条件、观察距离，进行渲染前计算，判断三维 船舶目标的可见性、密集度和渲染的细节层次，根据计算结果动态加载或卸载相关资源；
[0009] 步骤4:根据观察距离、船舶航速和渲染帧速，计算船舶航行的插值间隔；
[0010] 步骤5 :对于确定显示的三维船舶目标，根据两次情报点给定的时间和位置，通过 不同的拟合路线和插值间隔计算下一帧渲染的位置和姿态。
[0011] 本发明步骤1中，需要解析的船舶信息包括：位置（经炜度）、高度、航向、航速、船 舶类型、长度、宽度，以及三维观察点（虚拟相机）位置和视角，作为渲染和拟合的计算依 据。
[0012] 本发明步骤3包括以下步骤：
[0013] 步骤3-1:根据三维观察点位置和船舶目标位置，将地理坐标（经度longitude，炜 度latitude，高度altitude)转换为笛卡尔坐标（x，y，z)，观察位置（xe，ye，ze)和船舶目 标位置（x，y，z)两点间直线距离，记录观察距离d;计算方式如下，其中R为地球半径；
[0014] 坐标转换
[0015]距离计算：d= |(X，y, yc,zc)|，
[0016] 观察位置（x%y%f)中角标c没有特定的含义，仅仅是区分符号。
[0017] 步骤3-2:根据船舶目标位置和观察位置，进行视口裁剪和可见性判断，视截体之 外的目标隐藏，不做渲染；
[0018] 步骤3-3:根据船舶长度、宽度，观察距离和视角，计算船舶目标在屏幕上的投影 位置和面积，使用正方形表达，记录投影平面位置（x1，y1)和边长r;使用mXn的二维数组 A记录投影面所有位置的密集度，如果投影位置相互重合，观察距离更远的目标隐藏，不做 渲染；计算方式如下，计算方式如下，其中（t，b，l，r)分别表示是投影窗口平面的上下左右 边界，N和F分别是虚拟相机近平面和远平面的观察距离，M是投影矩阵；
[0019] 投影矩阵：
[0020] 其中参数：
[0021]投影计算：(X1，y1，z1，1)T=MX(X，y,z, 1) T，
[0022] 密集判断：AU^y1) > 1表示（x^y1)位置有重叠。其中A为mXn的二维数组，与 投影窗口大小一致，m=r-1，n=b-t;时间间隔interval1、投影平面位置（x1，y1)中角标 c没有特定的含义，仅仅是区分符号。
[0023] 步骤3-4:根据船舶的观察距离或者视角高度，决定当前尺度下该船舶的显示模 式和渲染细节，区别使用精确模型、简单模型、精确纹理、简单纹理对船舶目标进行展现，不 需要的细节元素进行隐藏，不做渲染。
[0024] 本发明步骤4中，根据观察距离计算当前尺度下的插值间隔为interval;计算当 前时刻距上次插值的时间间隔为interval1，与插值间隔比较，不足一次插值间隔，直接给 定原来点的位置和姿态，不做后续计算；超过插值间隔过多或观察距离很远，直接给定最新 点的位置和姿态；剩余的情况需进行进一步的前推或拟合计算，得到合适的位置和姿态。
[0025] 本发明步骤5包括以下步骤：
[0026] 步骤5-1:计算前一点和最新点的时间间隔，记作time，计算当前时刻所处的比 例，记作ratio;根据前一点位置和最新点所给的位置，计算两者间的距离朝向，分别记作 length和turning;
[0027] 步骤5-2:根据两点的时间间隔、距离、和朝向，距离小于10米或时间小于1秒，保 持原航向和速度，按当前时刻前推给点；距离小于船舶长度或朝向正切值小于船舶长宽比， 采用直线插值；其他情况则采用曲线拟合；
[0028] 曲线拟合计算方式如下，其中：
[0029](1)上一点的时刻timel，位置记作（longitudel，latitudel，altitudel)，速度记 作vl，航向记作coursel;
[0030]⑵最新点的时刻time2,位置记作（longitude2,latitude2,altitude2)，速度记 作v2,航向记作course2,时刻记作time2 ;
[0031](3)当前点的时刻time1，位置记作（longitude1，latitude1，altitude1)，速度记作 v1，航向记作course1;
[0032] (4)最新点与上一点的距离记作length，朝向记作turning，当前点与上一点的距 离记作length1，朝向记作turning1，R为地球半径；
[0033] 距离朝向
[0034] 球面角度
[0035] 经度炜度
[0036] 步骤5-3:根据前推、插值、或拟合计算得到的位置点和方向，计算对应的偏移矩 阵、扭转矩阵、缩放矩阵，进行三维船舶及其元素的渲染处理。
[0037] 本发明通过三维方式展现港区中的船舶目标和通航过程，提供一个多尺度下高效 渲染三维船舶的方法。根据船舶观察距离、密集程度和位置等信息，调整渲染程度和航行计 算过程，优化显示系统对软硬件资源的分配和利用，保证用户能对船舶特征、航行过程、航 行状态进行更加直观、详细的观察，实现大批量船舶目标的高效三维显示。
[0038] 本发明考虑不同观察尺度下，根据船舶类型和系统配置，合理设计三维船舶目标 的显示方式，动态加载和卸载模型、纹理、标签等相关资源，动态调整插值精度和拟合路线 进行航行平滑计算，实现资源优化利用前提下的三维船舶动态展现，达到与二维显示系统 匹配的性能指标，无论是大范围场景、局部场景还是近距离观察尺度下，都能提供高效、动 态的船舶目标展现。
【附图说明】
[0039] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和 /或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0040] 图1是三维船舶展现总流程图。
[0041] 图2是多尺度渲染和计算处理流程图。
[0042] 图3是多尺度渲染细节配置图。
[0043] 图4是多尺度插值和拟合计算的示意图。
[0044] 图5是大范围场景的三维船舶交通态势图。
[0045] 图6是局部场景的三维船舶交通态势图。
[0046] 图7是近距离的三维船舶通航效果图。
【具体实施方式】
[0047] 本发明获取实时船舶目标的类型、位置、航向和航速信息，结合计算机系统配置， 动态匹配相应的三维模型、图标信息，作为船舶展现的要素；基于观察距离和密集程度，切 换不同尺度下船舶的可见性和三维展现方式，保证模型等资源的动态卸载；根据观察距离 和位置航速等信息，确定不同情况下的插值间隔和拟合路线，在不同给点情况下进行多尺 度的前推计算、直线插值或曲线拟合，提高处理效率和船舶航行展现的平滑度。最终实现高 效动态的三维船舶展现效果，兼顾整体性能优化和细节特征展现。
[0048] 总体而言，本发明获取实时船舶目标的类型、位置、航向和航速信息，结合计算机 系统配置，动态匹配相应的三维模型、图标信息，作为船舶展现的要素；基于观察距离和密 集程度，切换不同尺度下船舶的可见性和三维展现方式，保证模型等资源的动态卸载；根据 观察距离和位置航速等信息，确定不同情况下的插值间隔和拟合路线，在不同给点情况下 进行多尺度的前推计算、直线插值或曲线拟合，提高处理效率和船舶航行展现的平滑度。最 终实现高效动态的三维船舶展现效果，兼顾整体性能优化和细节特征展现。
[0049] 实施例
[0050] 具体而言，结合图1和图2所示，本实施包括如下步骤：
[0051] 步骤1 :接收船舶目标情报，解析相关信息，动态匹配相关资源；具体信息包括：位 置（经炜度）、高度、航向、航速、船舶类型、长度、宽度，以及三维观察点（虚拟相机）位置和 视角，作为渲染和拟合的