专利名称：电磁环境体数据三维可视化方法
技术领域：
本发明涉及电磁环境可视化技术领域，尤其涉及一种电磁环境体数据三维可视化方法。
背景技术：
随着电磁技术在社会各个领域中的广泛应用，电磁环境呈现出越来越复杂的态势，由于电磁环境的不可见，人们难以直观分析、判断电磁环境。目前使用的用频设备类型广泛，电磁设备数量多，占用频谱范围宽，频率需求量大，电磁环境极为复杂。但是电磁环境看不见、摸不着，只能通过各种侦测设备去分析空间中的电磁信息，而且仅能反映局部区域的电磁分布特征，难以满足用户对整个电磁态势的把握，制约了对电磁态势做出快速准确的判断。电磁环境是指存在于给定场所的电磁现象的总和，它是由各种电台、雷达等电磁设备辐射电磁波到三维空间中形成的。电磁波在空间传播，由于受大气、地形等多方面因素的影响，发射的能量不可避免地会随着传播距离的增加而逐渐衰减，通过电波传播衰减值和发射的能量值就能得到空间某点处的电磁波能量值。电波传播模型通常用于预测发射机到接收机之间的电波传播情况，估计各种环境因素影响下无线通信性能。Hufford G. A给出了 Longley-Rice 电波传播模型(参见 Hufford G. A. The ITS Irregular Terrain Model, version 1.2.2，The Algorithm[R]. http: //flattop, its. bIdrdoc. gov/itm/itm_alg. pdf, National Telecommunications and Information Administration Institute for Telecommunication Sciences, USA. p6_12)。电波传播模型作为设计各种无线电系统的基础，可以通过各种电波传播模型来构建电磁环境。虽然电波传播模型可以估计电磁环境，但是得到的只是大量描述电磁环境的数据值即电磁环境体数据，人们难以从这些纷繁复杂的电磁环境体数据中直观察觉到电磁环境在三维空间中的分布情况，因此把电磁环境体数据以直观可视的方式反映给用户，并且能最大程度地完整地通过三维形式描述这些电磁环境体数据，进而让用户准确详尽地把握电磁环境成为目前电磁环境可视化的迫切需求。传统对电磁环境的可视化主要是在获取电磁环境数据后，通过二维等值线的方式勾勒某高度上的电磁环境分布情况，或者通过二维数据链路的方式表现电磁环境的辐射连通情况。二维等值线通过提取电磁环境等值的二维线条并填充线条覆盖区域的方式来表现电磁环境在某高度上的分布情况，等值二维线条及其覆盖区域表示了电磁环境某个能量值的分布范围。二维数据链路的方式则是通过二维线条表示电磁设备间的连通情况，通过线条颜色、线条粗细等表示连接通信能力。通过这些二维可视化方式，仅能表示电磁环境的部分信息，不能完整描述电磁环境在三维空间中的分布情况，丢失了电磁环境三维分布信息。等值面技术是空间数据场可视化领域中广泛使用的一种技术，通过提取体数据特定大小属性的轮廓信息，构建起三维网格模型，能清晰展示体数据特定属性值的轮廓范围， 而且由于目前图形硬件支持网格模型绘制加速，绘制效率高，因此该方法是一种高效可视化体数据的技术。通过等值面提取技术，能构建起三维环境中电磁环境的三维网格模型，并实时绘制到三维环境中，对于电磁环境三维特征轮廓的直观表达有着重要的意义。从目前最新的研究报告看(参见陈鹏.虚拟战场环境中雷达作用范围表现技术研究[D].湖南长沙国防科学技术大学，2007.周桥，陈景伟等.电磁环境三维可视化技术[J].计算机工程，2008.)，对雷达、电台等典型装备的电磁环境覆盖范围的可视化已经采用了等值面的可视化技术，通过提取电磁环境某个特征值的等值面，能对该特征值的电磁环境在三维环境中的分布情况进行表现，但是由于它采用的传统等值面技术只通过单个轮廓信息表达电磁环境信息，这样只能将原始数据的部分属性映射为网格轮廓模型，不能反映整个数据全貌及细节，这样会造成大量空间数据场中的内部细节信息丢失，不能完整描述电磁环境信息， 不利于电磁环境这样的空间数据场的信息可视化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是实现电磁环境的三维可视化表现，能实时与电磁环境交互，动态掌握电磁环境的变化，提高电磁环境表现的正确性、精确性以及完备性。为解决上述技术问题，本发明提出了一种电磁环境体数据三维可视化方法，该方法包括如下步骤步骤一、确定电磁环境体数据根据已知电磁设备参数、地形高程数据和气象环境数据，通过电波传播物理模型确定电磁环境体数据。步骤二、电磁环境体数据六面体结构剖分把电磁环境体数据六面体结构剖分成四面体结构，遍历每一个四面体并获得该四面体各个顶点的顶点位置和电磁环境体数据值，并按照四面体顶点和顶点索引的方式组织
成二维纹理。步骤三、判断生成等值面顶点输入四面体顶点函数值纹理和顶点索引纹理到图形处理器，根据设定的等值面阈值大小判断生成等值面顶点。步骤四、构造电磁环境多等值面遍历所有四面体，将同一阈值的等值面顶点连接成等值面，构造电磁环境多等值面。步骤五、突出电磁环境多等值面边界轮廓根据多等值面顶点法向量和视点的关系设定多等值面的颜色透明度，以多等值面颜色透明度来突出电磁环境多等值面边界轮廓。步骤六、获得电磁环境多等值面半透明结果采用快速分层伪排序融合绘制算法获得电磁环境多等值面半透明结果，并将电磁环境多等值面半透明结果融合嵌入到三维环境中。进一步，本发明所述步骤一中所述电磁环境体数据确定的具体方法是(1)用户初始设定纬度θ = 0(1、经度0=帅、高度1^ = 4，计算终止的纬度设为θ^ 经度为仍，高度为^，并设定纬度、经度和高度步长为Δ θ、_、Ar ；(2)输入电磁设备参数，地形高程数据和气象环境数据，采用电波传播物理模型， 得到电磁环境体数据值P(^iV);(3)经度P递增Δφ，重复步骤⑵，直到经度(3>灼；
(4)纬度θ递增Δ θ，重复步骤O)，直到纬度θ > θ i ;(5)纬度r递增Δ r，重复步骤(2)，直到高度r >本发明所述步骤二中所述按照四面体顶点和索引的方式组织成二维纹理的具体方法是(1)将电磁环境体数据剖分成四面体结构；(2)按顺序将电磁环境体数据所有的顶点坐标存储下来，每个顶点仅存储一次，采用RGBA32F格式的二维纹理，称为顶点函数值纹理，每个顶点对应一个纹理纹素，纹素的R、 G、B、A分量对应顶点的三维坐标和电磁环境体数据值，并将该纹素的顺序号作为顶点的索引；(3)存储每个四面体顶点的顶点索引到另一个二维纹理，称为顶点索引纹理，其格式为RGBA32UI，每个四面体对应一个纹理纹素，纹理纹素有R、G、B、A分量，每个纹理纹素分量对应四面体的一个顶点索引。本发明所述步骤三中所述根据设定的等值面阈值大小生成等值面顶点的方法是1、对于电磁环境体数据中其中一个四面体，判断该四面体的一条边上是否与给定阈值S的等值面有交点，有交点即等值面的顶点。具体判断方法为(1)根据四面体其中一条边的端点，在顶点索引纹理中得到顶点索引；(2)根据顶点索引在四面体顶点函数值纹理中获取该边两个端点对应的纹素，该纹素的R、G、B、A分量对应顶点的三维坐标和电磁环境体数据值，从而可以获得两个端点的顶点坐标va、vb和电磁环境体数据值Pa、Pb ；(3)比较多等值面的阈值δ与端点的电磁环境体数据值，如果δ >Pa且δ >Pb， 或者δ < Pa且δ < Pb则该边上不存在该阈值大小δ的等值面的顶点；否则存在等值面的顶点，插值生成等值面顶点为
权利要求
1.一种电磁环境体数据三维可视化方法，包括如下步骤步骤一、确定电磁环境体数据根据已知电磁设备参数、地形高程数据和气象环境数据，通过电波传播物理模型确定电磁环境体数据；步骤二、电磁环境体数据六面体结构剖分把电磁环境体数据六面体结构剖分成四面体结构，遍历每一个四面体并获得该四面体各个顶点的顶点位置和电磁环境体数据值，并按照四面体顶点和顶点索引的方式组织成二维纹理；步骤三、判断生成等值面顶点输入四面体顶点函数值纹理和顶点索引纹理到图形处理器，根据设定的等值面阈值大小判断生成等值面顶点；步骤四、构造电磁环境多等值面遍历所有四面体，将同一阈值的等值面顶点连接成等值面，构造电磁环境多等值面；步骤五、突出电磁环境多等值面边界轮廓根据多等值面顶点法向量和视点的关系设定多等值面的颜色透明度，以多等值面颜色透明度来突出电磁环境多等值面边界轮廓；步骤六、获得电磁环境多等值面半透明结果采用快速分层伪排序融合绘制算法获得电磁环境多等值面半透明结果，并将电磁环境多等值面半透明结果融合嵌入到三维环境中。
2.根据权利要求1所述的电磁环境体数据三维可视化方法，其特征在于所述步骤一中所述电磁环境体数据确定的具体方法是(1)用户初始设定纬度θ= 0(|、经度0=帅、高度1" = 4，计算终止的纬度设为Q1，经度为识1，高度为巧，并设定纬度、经度和高度步长为Δ θ、_、Ar ；(2)输入电磁设备参数、地形高程数据和气象环境数据，采用电波传播物理模型，得到电磁环境体数据值P(犹识力；(3)经度口递增Λφ，重复步骤O)，直到经度^(4)纬度θ递增Δθ，重复步骤O)，直到纬度θ > θ工；(5)纬度r递增Δr，重复步骤(2)，直到高度r >巧。
3.根据权利要求1所述的电磁环境体数据三维可视化方法，其特征在于所述步骤二中所述按照四面体顶点和顶点索引的方式组织成二维纹理的具体方法是(1)将电磁环境体数据剖分成四面体结构；(2)按确定电磁环境体数据的顺序将电磁环境体数据所有的顶点坐标存储下来，每个顶点仅存储一次，采用RGBA32F格式的二维纹理，称为顶点函数值纹理，每个顶点对应一个纹理纹素，纹素的R、G、B、A分量对应顶点的三维坐标和电磁环境体数据值，并将该纹素的顺序号作为顶点的索引；(3)存储每个四面体顶点的顶点索引到另一个二维纹理，称为顶点索引纹理，其格式为 RGBA32UI，每个四面体对应一个纹理纹素，纹理纹素有R、G、B、A分量，每个纹理纹素分量对应四面体的一个顶点索引。
4.根据权利要求1所述的电磁环境体数据三维可视化方法，其特征在于所述步骤三中所述根据设定的等值面阈值大小生成等值面顶点的方法是.1、对于电磁环境体数据中其中一个四面体，判断该四面体的一条边上是否与给定阈值 δ的等值面有交点，有交点即等值面的顶点。具体判断方法为(1)根据四面体其中一条边的端点，在顶点索引纹理中得到顶点索引；(2)根据顶点索引在四面体顶点函数值纹理中获取该边两个端点对应的纹素，该纹素的R、G、B、A分量对应顶点的三维坐标和电磁环境体数据值，从而可以获得两个端点的顶点坐标va、vb和电磁环境体数据值Pa、Pb ；(3)比较多等值面的阈值δ与端点的电磁环境体数据值，如果δ> Pa且δ >Pb，或者δ <Pa且δ < Pb则该边上不存在该阈值大小δ的等值面的顶点；否则存在等值面的顶点，插值生成等值面顶点为ν = (l-t)va+tvb(3)歡转(4)重复步骤(1)、(2)、(3)判断生成该四面体所有边上阈值δ的等值面的顶点；.2、遍历所有四面体完成步骤1，生成该阈值的等值面的所有顶点。.3、遍历所有等值面阈值，完成步骤1、2，生成所有阈值的等值面顶点。
5.根据权利要求1所述的电磁环境体数据三维可视化方法，其特征在于所述步骤四中所述电磁环境多等值面构造方法如下(1)对于每个四面体，根据其六条边的排列顺序，顺序连接与边相交的同一阈值的等值面顶点，即可得到某一阈值的电磁环境等值面的一个面片；(2)遍历多等值面的所有阈值完成步骤(1)，即可得到该四面体的电磁环境多等值面面片；(3)对所有四面体完成步骤(1)、O)，即可得到由多个等值面面片构成的电磁环境多等值面。
6.根据权利要求1所述的电磁环境体数据三维可视化方法，其特征在于所述步骤五中所述多等值面颜色透明度设置的具体方法是(1)遍历所有多等值面的顶点，对每个顶点计算该顶点法矢量与视点方向的夹角余弦COS α = ητν(4)其中η为等值面顶点法矢量的归一化结果，ν为视点与该顶点的视线方向归一化结果；(2)设置该顶点的透明度值为A = l-k| cos α I(5)其中k为边界轮廓控制正数因子，取值越大透明区域越大，边界轮廓区域越突出(3)对多层等值面模型的所有顶点完成步骤(1)、O)。
7.根据权利要求1所述的电磁环境体数据三维可视化方法，其特征在于所述步骤六中所述快速分层伪排序融合绘制算法如下(1)依据电磁环境多等值面提取阈值的大小，对每个等值面按照从内向外排序；(2)绘制所有等值面的背面面片，实现等值面的背面面片按照从后往前的顺序融合；(3)绘制所有等值面的正面面片，实现等值面的正面面片按照从后往前的顺序融合；(4)融合多等值面正面面片和背面面片绘制结果，得到半透明结果；(5)根据电磁环境多等值面的顶点法矢量，采用Phong着色模型计算光照情况，为电磁环境多等值面的所有顶点着色，最终将带有光照效果的电磁环境多等值面显示在三维环境中。
全文摘要
本发明属于电磁环境可视化技术领域，公开了一种电磁环境体数据三维可视化方法。本发明采用电波传播物理模型确定电磁环境体数据，把电磁环境体数据剖分成四面体结构，按照四面体顶点和顶点索引的方式组织成二维纹理，输入四面体顶点函数值纹理和顶点索引纹理到图形处理器，根据设定的等值面阈值判断生成等值面顶点，将同一阈值的等值面顶点连接成等值面，构造电磁环境多等值面，根据等值面顶点法向量和视点关系突出电磁环境模型边缘显示，并将多等值面半透明融合嵌入到三维环境中。采用本发明可以使三维电磁环境表现得形象直观，提供更多的电磁环境内部信息表现，提高了电磁环境表现的正确性、完备性以及边界轮廓的清晰度。
文档编号G06T17/00GK102254347SQ20111018596
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者于荣欢, 吴玲达, 杨超 申请人:中国人民解放军装备指挥技术学院