一种三维场景中动目标轨迹的显示方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机三维态势显示技术领域，尤其涉及一种三维场景中动目标轨迹 的显示方法。
【背景技术】
[0002] 在各种仿真与应用信息系统中，通过实时访问遥感/侦察影像、数字高程模型、矢 量地形图等地理空间数据，在空间范围进行剪裁，融合成所属区域的栅格图像数据，构建具 备真实感的三维场景；通过雷达、电子侦察等传感器的探测、处理，将空中飞行的飞机，海面 上航行的舰船，陆地上运动的车辆等动目标，在三维场景中进行显示；对动目标采集的各离 散点位置连续显示是表现目标物体运动过程的重要手段之一。
[0003] 通常情况下，在三维场景中，动目标轨迹的显示是将动目标运动中各点的经炜度 位置转换为世界坐标位置，然后直接调用底层平台提供的接口显示形成固定像素宽度的 线，或者是通过一定的计算和优化加工，形成特有的数据格式再加以显示。但是，这种集中 方法在实际应用过程中，存在着不可避免的可视化效果问题，表现在三维透视投影模式下， 当观察者与观察目标的距离发生变化时，目标轨迹显示生硬，主要表现在像素宽度变化不 平稳，易产生突变效果，位置与姿态变化时会产生重叠扭曲，特别是当目标轨迹中的点比较 离散，目标姿态运动变化剧烈时，其轨迹显示会产生异常的扭曲效果。
[0004] 有些三维应用软件在动目标显示的具体实现中，采用了一些特殊的方法来解决该 问题，例如先进行简单的数据插值，然后在内存中对每个点进行扩展，再将计算出的点进行 三角化，最后显示出动目标的轨迹。该方法存在的问题主要表现在曲线轨迹的像素宽度不 易控制，由于三维透视投影空间的特性，需要根据像素宽度值对空间坐标系下的位置进行 转换，否则当目标与观察者的距离较远时会使目标不可见，而为保持像素宽度的一致性，需 要在运行过程中实时计算扩展点的位置并重建顶点结构，因此要占用大量的CPU资源。该 类方法仅从有限的角度来避免问题，其计算出的动目标轨迹的像素宽度在不同显示比例尺 进行切换的情况下会产生尺寸的跳变，动目标轨迹曲线图形在姿态变换剧烈时极易产生扭 曲现象，同时，该方法需占用大量的CPU进行实时计算，画面容易出现停顿现象，表现效果 不佳。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种三维场景中动目标空间轨迹的显示方法，该方法可以 在三维场景中，通过采用基于帧的数据插值方法、空间坐标向量转换方法、基于GPU的像素 宽度计算以及颜色对比方法，使得动目标轨迹在不同比例尺场景下均具有较好的表现效 果。
[0006] 本发明公开了一种三维场景中动目标轨迹的显示方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1、采集动目标的航迹数据，获得航迹点；
[0008] 步骤2、建立数据结构，得到左扩展点位置坐标和右扩展点位置坐标；
[0009] 步骤3、计算比例系数Scale，将比例系数Scale输入到GPU中，GPU根据比例系数 Scale对变换后的左扩展点位置坐标和右扩展点位置坐标进行二次转换，得到最终输出的 位置坐标；
[0010] 步骤4、在GPU中根据姿态变化的程度以及当前渲染顺序，基于基础颜色Crraf计算 不同的像素颜色值Cr，并最终输出到计算机屏幕。计算不同的像素颜色值Cr，并最终输出 到计算机屏幕。
[0011] 其中，步骤1中采用平滑方法对航迹数据进行规范性检查：统计三维场景中各航 迹点位置之间的距离系数Dis和航向角系数Dir，对距离系数Dis大于10公里的点进行大 圆弧插值；对航向角系数Dir大于180度的点进行补点扩充，获得航迹点。
[0012] 步骤2包括：以步骤1所获得的航迹点为基准点，在其左右各扩展1米得到左扩展 点位置坐标Vsl、右扩展点位置坐标Vs2，计算基准点与下一个基准点的航向角系数Dir，从而 计算出该航迹点的空间变换矩阵Mats，将左扩展点位置坐标Vsl和右扩展点位置坐标Vs2在 空间变换矩阵Mats上变换，最终得到在世界坐标系下的基准点与两个扩展点，其中，基准点 V= {x,y,z}，x、y、z分别为基准点V在空间坐标X方向、y方向和z方向的位置坐标值，左 扩展点位置坐标Vsl= {0,-1,0}，右扩展点位置坐标Vs2= {0,1,0}，坐标转换过程：V' = VXMats，s表示基准点代号，V'表示该点转换后的坐标值。本步骤中所使用的补点方法能 较好地解决曲线在加宽时的转弯处易出现的折叠现象，同时基准点与单位化的扩展点便于 在GPU中实时的根据比例，重新计算其位置，保证像素宽度的一致性。
[0013] 步骤2中基准点与下一个基准点的航向角系数Dir的计算方法如下：
[0014]两点间经度差LngDif=Pi+1.dLng-Pi.dLng，
[0015] 两点间炜度差LatDif=Ρ1+1·dLat-PpdLat，
[0016] 其中P1+1.dLng表示第i+1个基准点的经度，PpdLng表示第i个基准点的经度， P1+1.dLat表示第i+1个基准点的炜度，PpdLat表示第i个基准点的炜度；
[0017] 经度差对应的空间距离wkl=LngDif*cos(Pi+1.dLat*PI/180)，
[0018] 炜度差对应的空间距离wk2 =wkl*wkl+LatDif*LatDif，
[0019] 两点间的航向角系I
[0020] 其中Point.dYaw表示该点的航向角，atan()表示反正切函数。
[0021] 步骤3包括：在动目标运行过程中，根据动目标与观察者的距离，计算比例系数 Scale：
[0022] Scale=k*DisToEye;
[0023] 其中k为可输入的调节参数，DisToEye为观察者到点的距离；
[0024] 在每帧渲染过程中将其设置到GPU中，GPU根据比例系数Scale对变换后的左扩 展点位置坐标Vsl和右扩展点位置坐标Vs2进行二次转换，保证其在不同显示比例尺下显示 同样的像素宽度，最终输出的位置坐标VS1'计算公式如下：
[0025]Vsl，=Vbase+Scale* (Vsl_Vbase)，
[0026] 其中，VS1为扩展点的位置坐标，Vb_(该值与V相等，s为基准点代号，其值为输入 的航迹点位置，base为通用概念，可以说s是base的具体值）为基准点位置坐标。本步骤 中所使用的实时计算比例系数，对扩展点进行动态的位置计算，在确保效率的基础上实现 了曲线的平滑过渡。在像素渲染器中，最终输出的位置坐标VS1'最终被转换为像素坐标，进 而进行颜色取值。
[0027] 步骤4中通过如下公式计算像素颜色值Cr:
[0028]与姿态相关的颜色系数值DirCoef= 1-Sin(Dirj)，
[0029]Cr=Crref*DirCoef+Crref* (1-DirCoef),
[0030] 其中，Cr"f是根据图形学设置的经验值，取值范围为[0, 255]，可作为参数输入， Dir,(其意义与前述的"线段航向"是同一个意思）该像素点所在线段的方向。本步骤中所 使用的曲线正反颜色计算方法，能较好地反映出姿态的变换效果，对于模拟飞行等特效有 较好的支撑作用。
[0031] 有益效果：本发明与现有技术相比具有以下的优点：
[0032] 1)对目标轨迹的点进行插值处理，形成连续、平滑的曲线，在姿态变化较为剧烈的 地方，进行数据增插值，形成曲线过渡效果；
[0033] 2)在不同的视点远近场景中，目标轨迹在三维场景空间内皆可见，不会因观察视 点过远而使目标轨迹消隐在三维场景之中，并且图形在整个显示的过程中，其显示尺寸是 平滑过渡的，不会造成比例的跳变；
[0034] 3)基于GPU的计算方法提升了软件效率，同时提升了目标轨迹曲线的飘带状显示 效果，明确区分出目标轨迹曲线的正反面；
【附图说明】
[0035] 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。
[0036] 图1是本发明的流程示意图。
[0037]图2是本发明的需进行样条插值的原始点示意图。
[0038]图3是本发明的原始点线性插值示意图。
[0039] 图4是本发明的经过样条插值后的示意图。
[0040] 图5是本发明的插值点与扩展点示意图。
[0041] 图6是本发明的动态Scale计算示意图。
[0042] 图7是本发明的GPU场景处理示意图。
【具体实施方式】
[0043] 本发明提供了一种三维场景中动目标轨迹的显示方法。该方法通过对动目标产生 轨迹点经炜度数据，采用基于帧插值的离散数据平滑和空间坐标向量转换方法，形成位置 连续稳定、姿态变换柔和的曲线轨迹；采用实时计算扩展比例计算方法，使目标轨迹在与观 察者处于不同距离时均显示相同的像素宽度，同时采用正反颜色值对比的方法，通过在航 向、俯仰、横滚等自由度变化时对正反面取不同的颜色值，逼真地实现了飘带状轨迹的柔和 效果。本发明解决了在三维场景中，对动目标轨迹的三维曲线在不同观察距离的消隐现象， 实现了对动目标产生的轨迹点连续、稳定、平滑的飘带状轨迹显示效果。本发明主要包括如 下步骤：
[0044] 步骤1、采集动目标的数据，通过设置数据的平滑方法对数据进行规范性检查：统 计三维场景中各航迹点位置之间的距离系数Dis和航向角系数Dir，对距离系数Dis大于 10公里的点进行大圆弧插值；对航向角系数Dir大于180度的点进行补点扩充；
[0045] 步骤2、建立数据结构，得到左扩展点位置坐标和右扩展点位置坐标；
[0046] 步骤3、计算比例系数，在目标运行过程中，根据目标包围盒中心与观察者的距 离DisToEye，实时计算出比例系数Scale，在每帧渲染过程中将其设置到GPU中，GPU根据 Scale对变换后的左扩展点位置坐标Vsl和右扩展点位置坐标Vs2进行二次转换，保证其在 不同显示比例尺下显示同样的像素宽度。
[0047] Scale=k*DisToEye;其中k为可输入的调节参数。最终输出的位置坐标VS1'计 算公式如下：
[0048] V