一种超大数据量虚拟现实空间信息可视化系统及方法与流程

本发明专利属于空间地理信息可视化领域，尤其涉及一般工作站在虚拟现实环境下进行百gb级甚至更大的超大数据量空间信息可视化及虚拟漫游的技术方案。

背景技术：

空间地理信息是人们从现实世界中提取出于位置和空间有关的抽象信息，传统的空间地理信息的载体主要是纸质或电子地图，通过地图的形式来记录这些现实世界中的空间信息。随着人类活动范围不断扩大，城市空间结构越来越复杂，传统地图的空间信息二维展示方式依托于纸张或电脑、手机显示器，与人第一视角的观察方式不同。三维数据的出现则可以使用户可以在二维屏幕上以第一人称视角进行浏览、漫游。而虚拟现实技术的出现则使用户可以在全虚拟的环境下实现沉浸式的浏览漫游的视觉体验，用户如同完全置身于虚拟环境当中。

与此同时，三维数据所带来的数据量空前提升，且虚拟现实显示设备实时渲染所耗费的运算量更大，一般计算机只能保证小范围三维场景的流畅渲染。而采用激光测量、倾斜摄影测量等现代测绘技术所获取的城市级的三维数据往往具有百gb级数据量甚至更大，大大超越了普通工作站的性能极限。因此，百gb数据量甚至更大的城市级空间三维数据无法在虚拟现实环境下进行可视化表达。

技术实现要素：

为了解决上面的问题，本发明提供了一种超大数据量虚拟现实空间信息可视化技术。应用该技术能够为普通工作站提供百gb级甚至更大的超大数据量空间信息虚拟现实可视化能力，最终为一般用户提供沉浸式的城市级实景虚拟漫游体验。

本发明提供的一种超大数据量虚拟现实空间信息可视化系统，包括数据处理子系统、移动漫游子系统、数据加载子系统、虚拟现实显示设备和空间信息数据库，

所述数据处理子系统，用于对超大数据量的空间三维数据进行切块处理，并对每个数据块分别生成多细节层次结构；

所述空间信息数据库，用于存储数据处理子系统所得具有多细节层次结构的空间三维数据；

所述移动漫游子系统，用于调整用户在虚拟环境中的当前位置，进而实现用户在虚拟环境中的快速三维漫游；

所述数据加载子系统，用于实现根据用户在虚拟现实环境中的当前位置从空间信息数据库进行动态加载，包括依据距离的远近分块加载不同层次的数据；

所述虚拟现实显示设备，用于根据数据加载子系统加载完成的三维数据进行动态渲染，展示三维数据可视化内容。

而且，所述数据处理子系统包括点云处理模块、三角网模型处理模块、人工模型处理模块和数字高程模型模块，

所述点云处理模块，用于基于八叉树数据结构对点云数据进行分块和抽稀，形成点云数据的多细节层次结构；

所述三角网模型处理模块，用于对三角网模型数据进行切割和抽稀，从而降低单个模型文件的顶点数及面数，形成三角网模型数据的多细节层次结构；

所述人工模型处理模块，用于对数字城市模型数据进行切割和抽稀，从而降低单个模型文件的顶点数及面数，形成人工模型数据的多细节层次结构；

所述数字高程模型模块，采用栅格数据处理方式，通过数据切割及像元间邻域平滑处理，形成数字高程模型数据的多细节层次结构。

而且，所述移动漫游子系统包括定点移动模块和飞行漫游模块，

所述定点移动模块，用于通过到达用户手柄发射的射线与地面的相交点位置，实现用户在超大场景下的定点移动；

所述飞行漫游模块，用于根据三维场景计算移动速度，通过向用户手柄的当前方向按照移动速度缓慢平移从而达到飞行效果，实现用户在超大场景下的飞行漫游。

而且，所述定点移动模块，通过接收用户操作手柄的切线方向，在用户按下操作手柄扳机按键时在操作手柄切线方向上发射射线，在用户松开操作手柄扳机按键时判断发射的射线与三维场景的相交点；包括预先在三维场景中设定出道路结构，当相交点落在道路上时，则将用户在虚拟环境中的当前位置调整到相交点处，实现在场景中的长距离定点移动。

而且，根据三维场景计算移动速度如下，

其中，a、b为预设的系数，b为预设的比例，h为用户当前在虚拟场景中的高度，s为三维场景外包矩形的长边长度，h为三维场景的高度范围。

而且，依据距离的远近分块加载不同层次的数据，实现如下，

定义数据块距离与三维数据细节层次之间的对应关系，如：

其中，l为用户在虚拟现实场景中与各个数据块中心的平面距离，s为数据块宽度；

获取用户通过移动漫游子系统进行移动漫游后在虚拟现实环境中的当前位置坐标p(x,y)；

根据用户加载的需要，遍历相应种类空间三维数据划分的数据块，根据数据块的中心位置坐标pn(xn,yn)，计算与当前位置坐标的直线距离根据数据块距离与数据细节层次的关系r确定当前数据块所加载的模型细节层次，距离越近的数据块位置所加载的数据品质越高；

最后根据数据块位置数据的品质级别及用户需要加载该层次对应的三维数据。

而且，移动前后数据品质级别不发生变化的位置不需要重复加载。

而且，在每次数据加载完成后，在后台对所有数据进行遍历，清理移动前位置的高品质数据。

上述超大数据量虚拟现实空间信息可视化系统，用于百gb级或者以上的超大数据量三维数据虚拟现实空间信息可视化。

本发明还提供一种超大数据量虚拟现实空间信息可视化方法，包括对超大数据量的空间三维数据进行切块处理，并对每个数据块分别生成多细节层次结构并存储；根据用户在虚拟现实环境中的当前位置从空间信息数据库进行动态加载，包括依据距离的远近分块加载不同层次的数据，保证整体三维场景完全加载，实现在百gb级甚至更大的超大数据量下的虚拟现实三维可视化。

本发明通过对百gb级甚至更大的超大数据量的三维数据进行数据处理形成多细节层次结构，并判断用户在虚拟现实环境中的当前位置根据距离的远近加载不同精细程度的数据，最终达到在普通工作站中实现超大数据量虚拟现实空间信息可视化的目的。本发明有多种使用方式，例如，一个使用场景是，引入数字城市三维模型构建城市级乃至国家级的虚拟现实三维地图，使用者可以在虚拟环境下对城市以第一人称视角进行游览。另一个使用场景是引入旅游景区精细三维模型实现vr旅游，用户将不再受到传统旅行社时间、行程等的束缚，能通过虚拟现实更立体的得到目的地价值，提升出行意愿，进而刺激旅游市场的持续增长。因此，本发明便于推广，具有重要的市场价值。

附图说明

图1为本发明实施例的超大数据量虚拟现实空间信息可视化系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的数据处理子系统的结构示意图。

图3为本发明实施例的移动漫游子系统的功能示意图。

图4为本发明实施例的数据块的模型细节层次分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明技术方案的实施进行详细完整地描述。

本发明提出的技术方案，对百gb级甚至以上的三维数据进行结构优化处理，形成三维数据的多细节层次结构，根据用户在虚拟场景下的当前位置，依据距离的远近加载不同层次的数据，保证整体三维场景完全加载，系统流畅运行，实现百gb级超大数据量下虚拟现实三维可视化的目的。本发明提供的超大数据量虚拟现实空间信息可视化系统包括三维数据处理子系统、移动漫游子系统、数据加载子系统、空间信息数据库和虚拟现实显示设备。

图1是本发明实施例提供的超大数据量虚拟现实空间信息可视化系统的结构示意图。如图1所示，超大数据量虚拟现实空间信息可视化系统包括数据处理子系统s1、移动漫游子系统s2、数据加载子系统s3、虚拟现实显示设备s4和空间信息数据库s5。各个系统集成到一起发挥作用。

数据处理子系统s1用于对超大数据量的空间三维数据进行切块处理，并对每个数据块分别生成多细节层次结构，结果存入空间信息数据库s5。实施例中，通过定点抽稀、局域平滑等方法，对百gb级点云数据、人工模型数据、三角网模型和数字高程模型等超大数据量的三维数据进行切块、降低品质处理，生成数据的多细节层次结构，用于后续根据需求进行分块动态加载。进一步地，实施例中所述数据处理子系统包括点云处理模块、三角网模型处理模块、人工模型处理模块和数字高程模型模块，参见图2：

s11为数据处理子系统s1中的点云处理模块，该模块采用八叉树结构进行数据处理，可对地面激光雷达及机载激光雷达观测得到的三维点云数据进行抽稀和剖分，生成点云数据的多细节层次结构。

s12为数据处理子系统s1中的三角网模型处理模块，s13为数据处理子系统s1中的人工模型处理模块，它们分别对借助倾斜摄影测量等方式生成的三角网模型数据和人工制作的数字城市模型数据进行切割和抽稀，从而降低单个模型文件的顶点数及面数，分别形成三角网模型数据和人工模型数据的多细节层次结构。

s14为数据处理子系统s1中的数字高程模型模块，采用栅格数据处理方法，通过数据切割及像元间邻域平滑处理，形成数字高程模型数据的多细节层次结构。

本发明提出，对原始的三维数据先进行切块，再对每个数据块分别形成多细节层次结构。由于不同种类、不同精度的三维数据，无法在数据范围与数据量的关系上达到统一，优选地，在对某种模型进行切割或剖分时，设切割后的每个数据块的数据量为m，总的数据量为n，将数据切割或剖分为k个形状规则的数据块，其中k＝n/m。优选的，当使用的工作站内存为s时，m建议取值为m＝s/50，这样限制工作站最多能加载50个数据块的最精细模型，保证性能稳定。

在对点云数据、三角网模型、人工模型进行定点抽稀和对数字高程模型进行邻域平滑处理时，本发明提出采用预定的倍数对所有数据块进行抽稀稀和邻域平滑，从而形成三维数据的多细节层次结构，如数据块原始数据量为k0时，第n层次的数据量其中cⁿ为第n层的预设抽稀倍数，具体实施时可由本领域技术人员预设取值。

数据处理子系统中各模块的八叉树结构等具体数据处理方法可采用现有技术，本发明不予赘述。

如图1，数据处理子系统s1将处理完成的具有多细节层次结构的三维数据存储到空间信息数据库s5中，以备管理和使用。

移动漫游子系统s2，用于调整用户在虚拟环境中的当前位置，进而实现用户在虚拟环境中的快速三维漫游，在较大数据量的虚拟现实环境下实现用户位置的转换，所得当前位置输入数据加载子系统。实施例中，通过定点移动、飞行漫游两种移动方式调整用户在虚拟环境中的当前位置，进而实现用户在虚拟环境中的快速三维漫游。进一步地，所述移动漫游子系统包括定点移动模块和飞行漫游模块，所述定点移动模块，用于通过到达用户手柄发射的射线与地面的相交点位置，实现用户在超大场景下的定点移动；所述飞行漫游模块，用于根据三维场景计算移动速度，通过向用户手柄的当前方向按照移动速度缓慢平移从而达到飞行效果，实现用户在超大场景下的飞行漫游。参见图3：

定点移动模块s21，该模块通过接收用户操作手柄的切线方向，在用户按下操作手柄(预先定义的)扳机按键时在操作手柄切线方向上发射射线，在用户松开操作手柄扳机按键时判断发射的射线与三维场景的相交点。射线及相交点的颜色一般采用较为明亮的绿色或黄色。进一步地，预先在三维场景中设定出道路等结构，当相交点落在道路上时，则将用户在虚拟环境中的当前位置调整到相交点处，实现在场景中的长距离定点移动。

飞行漫游模块s22，该模块根据三维场景计算移动速度，在用户按下(预先定义的)前进按键时，逐帧接收用户操作手柄的切线方向并设定为速度方向，计算当前帧时间内用户的位移矢量并推算用户当前帧在虚拟场景中的当前位置。一般的，飞行漫游不设定地面结构等，用户可在整个虚拟现实环境内任意飞行，实现在场景中的飞行漫游。

本发明进一步提出，三维场景设为矩形，移动速度优选的计算方法为:

其中，a、b为预设的系数，b为预设的比例，h为用户当前在虚拟场景中的高度，s为三维场景外包矩形的长边长度，h为三维场景的高度范围。具体实施时，a、b分别可取经验值，例如预计飞过三维场景的时长为30秒，则设a为30，预设用户当前在虚拟场景中的高度小于0.25h时采用匀速较慢飞行，则设b＝0.25，并设b＝a/b。

实施例中，移动速度的计算方法为:其中，h为用户当前在虚拟场景中的高度，s为三维场景外包矩形的长边长度，h为三维场景的高度范围。

数据加载子系统s3,用于实现根据用户在虚拟现实环境中的当前位置从空间信息数据库进行动态加载，包括依据距离的远近分块加载不同层次的数据，结果输入虚拟现实显示设备，实现根据用户在虚拟现实环境中的当前位置动态加载百gb级甚至更大的超大数据量三维数据，也是本专利的核心技术。

本发明提出，数据加载子系统根据用户在虚拟环境下的当前位置，根据距离的远近从空间信息数据库中读取并加载不同精细程度的三维数据到虚拟现实场景中。在可以向用户整体展现宏观场景并不丢失用户位置附近三维数据精度的前提下，系统可以在普通工作站中流畅、稳定运行。

实施例中，先获取用户通过s2移动漫游后在虚拟现实环境中的当前位置坐标p；再遍历空间信息数据库中所有多细节层次结构的数据块，根据数据块的中心位置坐标pn，计算与当前位置坐标的直线距离l；然后，根据直线距离l的倒数定权，计算该数据块位置数据的品质级别，即距离越近的数据块位置所加载的数据品质越高；最后根据数据块位置数据的品质级别加载该层次的三维数据，移动前后数据品质级别不发生变化的位置不重复加载。

首先定义数据块距离与三维数据细节层次之间的对应关系，如：

其中l为用户在虚拟现实场景中与各个数据块中心的平面距离，s为数据块宽度。

然后，获取用户通过移动漫游子系统s2移动漫游后在虚拟现实环境中的当前位置坐标p(x,y)；再根据用户加载的需要(点云数据、数字高程模型、三角网模型或人工模型数据等之一)，遍历事先划分的所有数据块，根据数据块的中心位置坐标pn(xn,yn)，计算与当前位置坐标的直线距离根据数据块距离与数据细节层次的关系r确定当前数据块所加载的模型细节层次，即距离越近的数据块位置所加载的数据品质越高；最后根据数据块位置数据的品质级别及用户需要加载该层次对应的三维数据(点云数据、数字高程模型、三角网模型或人工模型数据等)，移动前后数据品质级别不发生变化的位置不需要重复加载。例如，各个数据块的模型细节层次分布如图4所示。

此外，本发明进一步提出，在每次数据加载完成后，在后台对所有数据进行遍历，清理移动前位置的高品质数据，即实现内存清理，保证系统的稳定流畅运行，后续在新的位置可以重新加载低品质数据。

虚拟现实显示设备s4用于根据数据加载子系统加载完成的三维数据进行动态渲染，展示三维数据可视化内容，作为用户视觉接口起到了三维显示器的作用。具体实施时，s4根据用户当前位置和头部姿态对系统中加载完成的三维数据进行动态渲染，展示三维数据可视化内容，一般采用商用vr硬件设备。

优选地，虚拟现实显示设备可以是虚拟现实头盔或虚拟现实眼镜。空间信息数据库s5，用于存储和管理数据处理子系统事先处理完成的具有多细节层次结构的空间三维数据。空间信息数据库可以存储在本地，也可以通过局域网等访问云端数据库，由数据加载子系统根据移动漫游子系统所得位置进行调用。

综上所述，使用本发明提供的超大数据量虚拟现实空间信息可视化系统，用户可以在普通工作站中实现具有百gb级甚至更大的超大数据量的虚拟现实空间信息可视化，很好地解决了空间信息大数据在虚拟现实环境下的运行性能问题，为后续再虚拟现实环境下实现空间信息大数据的分析和虚拟仿真提供了前提。

本发明实施例还提供一种超大数据量虚拟现实空间信息可视化方法，包括对超大数据量的空间三维数据进行切块处理，并对每个数据块分别生成多细节层次结构并存储；根据用户在虚拟现实环境中的当前位置从空间信息数据库进行动态加载，包括依据距离的远近分块加载不同层次的数据，保证整体三维场景完全加载，实现在百gb级甚至更大的超大数据量下的虚拟现实三维可视化。

具体实施时可采用软件技术实现自动运行，可参见系统中相应实现，本发明不予赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。