專利名稱：一種雙模三維地形立體環境的構建方法
技術領域：
本發明涉及一種雙模三維地形立體環境的構建方法，屬于計算機圖形學電子技術領域。
背景技術：
在計算機圖形學領域，利用計算機圖像圖形學技術，將三維空間信息投影變換至二維計算機屏幕，得到具有高度真實感的實時繪制圖像，稱為計算機3維景觀。傳統的計 算機地形三維景觀構建方法是基于數字高程模型(DEM)和數字正射遙感影像(D0M)，利用三維透視變換等計算基圖形學算法，將兩者在計算機屏幕上進行疊加顯示。這種三維景觀的特點是交互靈活，效果逼真，沉浸感強，但由于投影變換精度、DEM網格分辨率等因素的影響，使得在這種三維環境中，通過二維屏幕進行三維空間坐標量測的精度較低，制約了其在三維地理信息系統領域的應用。在立體視覺、數字攝影測量等領域，利用從不同攝站所攝取的具有一定影像重疊的數字立體像對，借助視頻立體圖形卡、視頻立體眼鏡以及三維鼠標等計算機硬件，通過OpenGL、Direct3D等圖形顯示接口，可實現立體像對的視頻立體觀查與量測。這種立體觀測方式可對立體遙感影像所對應的物方空間信息進行高精度量測，但其觀測方式只能與攝影方向一致，及從空中以近似垂直于地面的方向進行觀測。由于其視線方向不能變換，視點移動不夠靈活，嚴重影響了使用者從立體影像中觀察并提取更多的有用信息。另外，由于相鄰像對之間外方位元素的不同，該種三維立體顯示方式不能實現大范圍的無縫漫游。兩種三維地形立體景觀顯示技術已較為成熟，并分別在不同的領域得到了應用，但由于各自存在的缺點限制了其應用領域的進一步擴展。目前，還沒有一種技術方法能將兩種三維顯示模式進行有機結合，使其優勢互補，以充分發揮三維地形可視化與分析應用系統的效能。
發明內容
本發明的目的是提供一種雙模三維地形立體環境構建方法，以解決目前三維地形立體環境構建過程中由于采用單一的某種模式而造成的轉換精度低以及不能實現大范圍的無縫漫游的問題。本發明為解決上述技術問題而提供一種雙模三維地形立體環境構建方法，該構建方法的步驟如下I).對由航空像片或衛星像片生成的分幅正射影像和DEM分別進行拼接生成大區域正射影像和DEM ；2).對拼接成為整體的正射影像和DEM進行分塊，利用數字地面模型在原始正射影像中引入人工視差，生成立體輔助影像，同時對拼接后的正射影像和DEM進行分層分塊處理并建立金字塔模型；3).將數據金字塔分層后的正射影像和DEM生成三維虛擬地形景觀；
4).將生成的立體輔助影像與三維虛擬地形景觀按視點坐標進行關聯，實現立體輔助影像和三維虛擬地形景觀之間的無縫切換和數據聯動，最終生成立體輔助影像模式和三維虛擬地形景觀模式的三維地形立體環境。所述步驟I)中對正射影像和DEM分別進行的拼接包括幾何拼接和輻射拼接。所述步驟2)中對拼接成為整體的正射影像和DEM進行分塊的每個子塊的邊長等于原有正射影像的像幅。所述影像分塊后各子塊在航向和旁向的重疊率均為50%。所述步驟2)中生成立體輔助影像是通過利用對數投影法引入左右視差函數實現的。所述步驟4)中對生成的立體輔助影像與三維虛擬地形景觀按視點坐標進行關聯的過程包括如下步驟a.根據三維虛擬地形景觀視點坐標和視線的方向，確定地形可視區域范圍，根據地形可視區域范圍、視距因子和地形因子確定該區域所屬的金字塔層級，從數據金字塔中調度該范圍內相應層級的地形數據進行繪制；b.根據立體輔助影像視點的平面坐標，確定視點所在分塊正射影像和輔助影像的行編號和列編號，根據行編號和列編號調用相應行編號和列編號的地形數據進行繪制。本發明的有益效果是本發明利用正射影像、立體輔助影像和數字高程模型(DEM)等基礎數據，通過統一的數據組織方式，生成基于正射立體像對的立體輔助影像立體景觀和基于DEM與正射影像的虛擬三維地理景觀有機結合的雙模三維立體環境，在數據調度和景觀漫游引擎的驅動下實現兩種三維環境聯動漫游、無縫切換和信息互聯，用戶可在這兩種景觀中進行基本的信息查詢與空間分析操作，本發明構建的雙模三維地形環境具備了交互靈活、效果逼真、沉浸感強、量測精度高以及信息獲取與表達方式多樣等特點。
圖I是本發明的雙模三維地形立體環境構建方法的流程圖；圖2是本發明實施例中圖像幾何拼接示意圖；圖3是本發明實施例中大幅正射拼接影像的分塊原理示意圖；圖4是本發明實施例中對數投影人工視場引入法示意圖；圖5是本發明實施例中地理數據金字塔層示意圖；圖6是本發明實施例中全球形貌數據分層分塊示意圖；圖7是本發明實施例中金字塔數據集命名規則示意圖；圖8是本發明實施例中地形可視區域示意圖；圖9是本發明實施例中視距因子原理示意圖；圖10是本發明實施例中地形因子原理示意圖；圖11是本發明實施例中三維地形視頻立體環境構成圖；圖12是本發明實施例中虛擬三維環境顯示效果圖；圖13是本發明實施例中立體輔助影像視頻立體顯示效果圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的說明。雙模地形三維地形環境的構建流程如圖I所示，整個構建流程的核心處理步驟包括具有50%重疊度的正射影像和DEM分塊；基于DEM的立體輔助影像生成；基于地理編碼的雙模三維數據關聯。下面對其具體實施途徑的各個步驟進行介紹。I.將由航空像片或衛星像片生成的分幅正攝影像和DEM進行無縫拼接。為了將大區域的正射影像和DEM數據按照一定規則進行分塊分層處理，以實現大范圍的無縫立體觀測和漫游，需要對正攝影像和DEM進行無縫拼接，正射影像的拼接包括幾何拼接和輻射拼接兩個方面。(I).圖像幾何拼接的關鍵在于相鄰影像之間的圖像配準問題，由于正射影像是由具有一定重疊度的航空影像或衛星影像與對應DEM數據經過正射糾正生成，各幅正射影像的投影性質一致，均為正射投影，正射影像的這種性質決定了相鄰影像之間的幾何拼接主 要是圖像坐標平移處理。如圖2所示，圖像A四個角點的大地坐標已知，分別為(ΧΑ1, ΥΑ1), (XA2, YA2),(xA3. υΑ3)，(χΑ4，υΑ4)，對應的像坐標為(χΑι，yAi)，(χΑ2. yA2)，(χΑ3. yA3)，(χΑ4. yA4)，像元大小為cell，相鄰兩幅正射影像A和B之間具有一定重疊度，根據兩幅影像的四個角點坐標，可求解出外接矩形C的范圍，求解公式如下。Xci — min (XA1, XA2, Xa3> Xa4，^bd Xb2，Xb3，Xb4)Yci — max (YA1, YA2, Ya3> Ya4，Ybd Yb2> Yb3> Yb4)…(I)Xc4 — min (XA1, XA2, Xa3> Xa4，^bd Xb2，Xb3，Xb4)Yc4 — min (YA1, YA2, Ya3> Ya4，Ybd Yb2，Yb3，Yb4)根據外接矩形范圍，在計算機中開辟新影像C的內存，分別將兩幅影像的像坐標換算至新的影像坐標，并在讀入相應像素值，便可實現影像的幾何拼接。設圖像A和B中任一像素點P的大地坐標為(XP，Yp)，其變換至新影像C后圖像坐標(xeP，Ycp)可有下式計算
f (Xf-Xc4)
Λ€Ρ —Jj\.(2)
v (H4)
少 CP —T1
,cell以此類推，可實現整個區域內正射影像的幾何拼接。(2).在幾何拼接時，對影像A和影像B的重疊區域進行處理時，如果在影像重疊部分僅僅讀入影像A或影像B的像素值，可能會在拼接后的圖像上產生一條明顯的接縫線，所以必須采取一種方法使重疊部分有一個色彩的過渡。本發明采用距離加權內插的方法，當重疊部分的像素越靠近哪一幅影像時，哪幅影像的顏色值將以較大的權重參與重疊區域像素的顏色賦值，這樣在重疊區域顏色的過渡更加平滑，使影像更有整體感，有利于影像的判讀。計算公式如下所示
\ΧΡ-Χ}-XsIPmsr =1 P -Prgb a +1 ; .Pm(3 ；
WaWb式中，Xp是重疊區域內某一像素點P對應的X方向大地坐標，Xa和Xb分別為影像A和B的中心點所對應的X大地坐標，Wa和Wb分別為影像A和B的寬度，PK(；B.A和PK(；B.B是像素點P分別在影像A和B的像素色彩值，P·.。是拼接后的像素值。DEM數據可以看作一幅16位的灰度影像數據，其拼接方法和步驟與影像拼接類似,在此不再復述。2.對拼接成為整體的正射影像和DEM進行分塊。由于計算機硬件水平的限制，為了便于立體輔助影像的制作和大范圍輔助立體像對的視頻立體觀測，需對拼接成為整體的正射影像和DEM進行分塊，如圖3所示。考慮影像調度和視頻立體顯示的效率，對拼接后的正射影像進行分塊，每個子塊的邊長等于原有正射影像的像幅I。影像分塊后，各子塊在航向和旁向重疊率均為50%，長邊方向的影像塊數η和短邊方向的影像塊數m可用下式計算 iI 2W ,^n2w λ am = /Ni (-)-1,--IN I (-) = O
「 'II' I<
2W~>1 2IV
m = ΙΝΤ(—),=j- — ΙΝ (—)本 O
' Iο / /
η = ΙΝΤ{—) — 1， — - ΙΝΤ{—) = O\1 JII 1
n = IN!'(手)，IN!.(手)笑 O式中為W大幅正射影像的短邊邊長，如果影像不能被等分，則使用白色值填充空白區域，任一塊影像采用“行號-列號.bmp”的規則進行命名。本發明使用50%的影像重疊度是考慮在立體影像觀測時實現立體景觀的無縫拼接與漫游，影像重疊度過高，會造成大量數據冗余，增加存儲負擔，過低則在像對邊緣處存在較大變形，影響立體觀測，甚至在像對之間切換時造成視覺跳躍。如圖4所示，影像A和影像B的重疊區域中心線為C，則觀測中心點位于中心線c的左邊時，使用影像A與其立體輔助影像構成立體輔助像對，否則使用影像B與其立體輔助影像構成立體輔助像對。3.將分塊后的正射影像和DEM利用數字地面模型在原始正射影像中引入人工視差，生成立體輔助影像。正射影像的制作是利用DEM數據對原始遙感影像進行投影差改正，將中心投影影像經過幾何糾正處理為正射投影影像。理想的正射影像已完全消除投影差，但由于DEM數據分辨率的限制，通常正射影像的制作并沒有考慮地物碎部投影差的改正，地物碎部的投影差依然包含在正射影像中。因而，基于DEM數據，我們可以在正射投影的基礎上形成一個與正射投影具有視差關系的輔助投影，如果視差的大小與地形起伏相一致，通過立體觀察仍然可以恢復地形表面的立體幾何模型，進而可以進行立體量測。本發明采用對數函數方法作為視差引入函數，可有效的解決人工視差與天然視差不一致的問題，對數投影法引入視差的原理如圖4所示，其中a代表正射影像，b代表立體輔助影像，以地面上的A點為例，它的高程坐標為Z，A點經過正射投影后在正射像片上成像為點，經過對數投影后在立體輔助片上成像為點，點和點在X方向上的坐標差即為左右視差，左右視差是實現立體觀測的基礎。對數投影法引入左右視差的函數為
(5)
H-Z式中B為攝影基線；H為航高；Z地面點高程；P為高程Z對應的視差；則得高差為
.PAZ = H ’exp(.-.~^-)G 14.對正射影像和DEM數據進行分層分塊處理，建立金字塔模型。由于繪制數據量與硬件水平之間的矛盾，通常的虛擬三維地形系統都采用了層次 細節技術(Level of Details - L0D)來優化虛擬三維地形景觀的實時動態繪制。目前的主流LOD技術都是基于數據金字塔模型，因此我們必須對原有大數據量的正射影像和DEM數據進行分層分塊處理，建立金字塔模型。以正射影像金字塔為例，如圖5所示，金字塔底部即第G層是待處理的原始正射影像，影像分辨率最高。當向金字塔的上層移動時，圖像尺寸和分辨率逐漸降低以1/2的倍率降低。金字塔的頂層即第O層分辨率最低，將影像金字塔技術應用到DEM數據，就形成DEM金字塔，二者的基本原理一致。為了處理后數據在應用中的可擴展性，本發明基于全球地理數據編碼規則建立數據金字塔。如圖6所示，用等經緯度間隔的面片對全球地理數據進行空間劃分，同一層面片的經緯度間隔相等，相鄰層面片的經緯度間隔倍率為2。數據的原點在左下角點，其最粗糙層(Level O)沿緯度和經度方向被劃分為10X5塊，每一塊的大小為36° X36°，其他LOD
層的塊數和大小以此類推，第η層的數據大小為，如表I所示。表I地理數據金字塔分層表
mm 大小數I
036° X 36°50
1~ 18°χ18° " 200
29° X 9°__8003 4.5° X 4.5° 3200
1136° 36° 50 彳
-X-
2n T本發明的金字塔數據構建有以下要求每個影像塊的大小推薦使用512X512像素；DEM的分塊方法與影像數據一一對應，DEM采用二進制格式存儲，每一個點采用兩個字節的short型存儲，后綴為vec ;為了增強顯示效果，最粗糙層的數據塊(瓦片)數盡可能少，最好不要大于5X5個瓦片；經過試驗，DEM瓦片大小采用60X60時，系統繪制性能最佳。對影像和DEM數據建立金字塔模型后，為便于數據的檢索和調度，本發明對處理后的數據文件采用以下命名規則，如圖7所示，對分塊后的某一塊數據，綜合考慮其所在層數、所處的行號和列號，以及數據存儲格式等因素，對其進行命名并存入相應文件夾下。5.兩種立體模擬的數據調度與關聯在構建完成三維視頻立體的軟硬件環境后，便可分別對立體輔助影像和三維虛擬地形景觀進行立體觀察與量測。但是，為了進行兩種三維模式的無縫切換與數據聯動，必須將兩種模式按照視點坐標進行關聯。數據關聯指在某一種模式的三維場景發生變化時，另一種三維模式的場景數據也要相應更新，使得任一時刻兩種三維模式在內存中的數據是對應著同一顯示區域，這樣用戶便能根據需求實現兩種三維顯示模式的無縫切換。(I)虛擬三維地形環境的數據調度根據視點的位置、視線方向以及地形粗糙度，實時調度相應區域和層級的數據，在虛擬三維地形景觀渲染時，根據視點坐標和視線的方向，可以計算出視景體與地形平均水平面相交的平面區域范圍，即地形可視區域范圍，結合地形粗糙度計算，便可從數據金字塔中調度該范圍內相應層級的地形數據進行繪制。如圖8所示，圖中XOY為地形平均水平面，E為視點，其坐標為E(XE，YE, ZE)，視線EM的俯角為Y，與地形平均水平面的交點為M，其坐標為M (ΧΜ,ΥΜ，ZM)，視點E在XOY上的投影為MO，即視點高度he = IEMO I。視景體E_AB⑶與平面XOY的四個交點分別為k'、B'、C'和D'，則可視區域范圍即為梯形A' B' C' D'，N1N2過點M且平行于A' B'，分別與A' D'、B' C1相交于NI和N2。若視景體水平方向視場角為α，垂直方向視場角為β，MOM的方位角為K，則有a =ZN1EN2, β =ZM1EM2k = Z MM0X0 = tan"1 ((YM_YE) / (Xm-Xe))ZAI-M1 二= /JriiM1 = ZM2EC = tan^1 (tm{a/2)/+ tan2(/i/2))M0M1 = IEM01 tan ( π/2—Y - β/2) = hetan (π/2-γ-β/2)IM0M21 = IEM01 tan (π/2-γ + β/2) = hetan (π/2-γ + β/2)EM1 = IEM01/cos ( π/2-γ - β/2) = he/cos ( π /2- Y - β /2)EM2 = EM01 / cos (π/2-γ + β/2) = he/cos ( π /2- y + β /2)IA' M11 = IEM11 tan 廣 A' EM1，| D' M21 = EM21 tan 廣 D' EM2Z A' M0M1 = tan_1(|A/ M11 / IM0M11), Z M0M2 = tarT1 (| D' M21 / |M0M21)|A' M0 = M0M11/cos Z A' M0M1, |D' M0 = M0M2I/cos Z O' M0M2若在平面XOY中點A'的坐標為(XA' ,YA1 )，點D'的坐標為(XD'，YD')，則有
Z4, =Xi+ \A'Mq\ cos(ZA'M0Mx + K)
YA, = Ye + \A'M0\sin{ZA'M0M, +κ)ia)
Xn- = Λ,λ. ^\J),A4^C0S(ZJ)'M()M1 +
Yjy = Y,: +IDfM0Isin(ZA)rAf0M2 + / ·)同樣可以求出點B'的坐標為(XB' ,YB')和點C'的坐標為(XC' ,YC')。確定可視區域范圍后，該區域內選擇哪一層級的金字塔數據進行繪制，主要考慮視距因子(圖9)和地形因子(圖10)，視距因子計算公式如下
權利要求
1.一種雙模三維地形立體環境的構建方法，其特征在于該構建方法的步驟如下 O.對由航空像片或衛星像片生成的分幅正射影像和DEM分別進行拼接生成大區域正射影像和DEM ； 2).對拼接成為整體的正射影像和DEM進行分塊，利用數字地面模型在原始正射影像中引入人工視差，生成立體輔助影像，同時對拼接后的正射影像和DEM進行分層分塊處理并建立金字塔模型； 3).將數據金字塔分層后的正射影像和DEM生成三維虛擬地形景觀； 4).將生成的立體輔助影像與三維虛擬地形景觀按視點坐標進行關聯，實現立體輔助影像和三維虛擬地形景觀之間的無縫切換和數據聯動，最終生成立體輔助影像模式和三維虛擬地形景觀模式的三維地形立體環境。
2.根據權利要求I所述的雙模三維地形立體環境構建方法，其特征在于所述步驟I)中對正射影像和DEM分別進行的拼接包括幾何拼接和輻射拼接。
3.根據權利要求I所述的雙模式三維地形立體環境構建方法，其特征在于所述步驟2)中對拼接成為整體的正射影像和DEM進行分塊的每個子塊的邊長等于原有正射影像的像幅。
4.根據權利要求3所述的雙模式三位地形立體環境構建方法，其特征在于所述影像分塊后各子塊在航向和旁向的重疊率均為50%。
5.根據權利要求I所述的雙模式三維地形立體環境構建方法，其特征在于所述步驟2)中生成立體輔助影像是通過利用對數投影法引入左右視差函數實現的。
6.根據權利要求I所述的雙模式三維地形立體環境構建方法，其特征在于所述步驟4)中對生成的立體輔助影像與三維虛擬地形景觀按視點坐標進行關聯的過程包括如下步驟 a.根據三維虛擬地形景觀視點坐標和視線的方向，確定地形可視區域范圍，根據地形可視區域范圍、視距因子和地形因子確定該區域所屬的金字塔層級，從數據金字塔中調度該范圍內相應層級的地形數據進行繪制； b.根據立體輔助影像視點的平面坐標，確定視點所在分塊正射影像和輔助影像的行編號和列編號，根據行編號和列編號調用相應行編號和列編號的地形數據進行繪制。
全文摘要
本發明涉及一種雙模三維地形立體環境的構建方法，屬于計算機圖形學電子技術領域。本發明利用正射影像、立體輔助影像和數字高程模型(DEM)等基礎數據，通過統一的數據組織方式，生成基于正射立體像對的立體輔助影像立體景觀和基于DEM與正射影像的虛擬三維地理景觀有機結合的雙模三維立體環境，在數據調度和景觀漫游引擎的驅動下實現兩種三維環境聯動漫游、無縫切換和信息互聯，用戶可在這兩種景觀中進行基本的信息查詢與空間分析操作，本發明構建的雙模三維地形環境具備了交互靈活、效果逼真、沉浸感強、量測精度高以及信息獲取與表達方式多樣等特點。
文檔編號G06T17/05GK102930601SQ20121038769
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月10日 優先權日2012年10月10日
發明者周楊, 徐青, 王新義, 李新濤, 戴晨光, 滕飛, 靳國旺, 藍朝楨, 邢帥, 何鈺 申請人:中國人民解放軍信息工程大學