专利名称：一种全球层次细节网格三维地形图像叠置方法
技术领域：
本发明涉及计算机图形、大区域地形三维仿真技术领域，具体地指一种全球层次细节网格三维地形图像叠置方法。
背景技术：
由Google公司开发的Google Earth提供了一个在三维地形上叠加图像的功能，Google Earth采用的是高端的针对像素级的ClipMap技术实现全球三维表达,该技术能很容易的实现图像与地形进行重合叠置，并且能够方便地实现对图像的伸缩、旋转和移位操作。然而由于绝大多数的全球三维地形建模还是采用更容易掌握的地形块层次细节模型(LoD)绘制方式进行表达，使得这样一个看起来简单的功能实现在这种层次细节模式中变得异常困难，到目前为止，还没有看到相关的应用新产品实例，究其原因，困难有如下几点。(I)叠置的图像如何突破地形块的空间限制，并且能够与临近的不同层次的地形块之间建立起统一的映射关系？这个问题直接来源于叠置图的分割表达实现思维，它是一种最直接的解决问题的方式，在不影响模型调度与组织逻辑的情况下，对叠置图像按块进行分割，将地形叠置事务限定在地形块内部通过多重纹理贴图的方式解决。这种解决方式的好处是可以在不过于影响模型效率的情况下保障叠置图像的无缝地形重合，因为它与地形纹理一样完全映射到模型上。但这种方法的困难除了受地形块空间限制以及不同层级地形块之间的映射外，还有一个问题就是难以实现叠置图像的交互设计与交互表达，如图像移动、伸缩时快速地实现覆盖地形块的叠置响应，以及旋转时不同层级地形块间的纹理转换等问题，事实上，由于分割了图像，连一个一致的交互选择热点响应也不容易做出来，更谈不上在热点上的交互了。(2)如何在保障效率的情况下实现叠置图像的无缝表达及旋转采样？这个问题来源于一种直接对叠置图像进行三维地形建模的解决途径，它的思路是:将给定图像位置的地形高程采集出来，专门针对该区域的地形建立一个独立的地形块表达模型，通过与全球三维地形进行叠置实现图像的叠置表达。这种实现方式的优点是:独立模型易于交互选择的实现，如模型的移动、伸缩与旋转，并且不影响全球地形模型的组织、调度与表达实现。但是它的不足之处除了由于附加的地形表达模型对整个全球地形表达在效率上存在一定程度的影响外，更重要的问题是如何保障新建立的图像叠置模型能够完全叠合在原地形表面上，我们知道，如果要完全与原地形表面重合，只有一种情形，就是所有的新模型顶点均与原地形模型的相应顶点完全一致，但要保障这种一致性在多层的地形表达中完全不可能用规则格网模型做到，因为不同层的地形块其格网间距是不一致的，即使不计效率损耗，改用三角网来表达，如何从相应的地形中提取地形块覆盖顶点数据，如何处理由于图像旋转带来的顶点采样偏移，以及如何快速地实时响应图像交互构建相应的模型，都是一个异常复杂的难题。依据我们的了解，前一种分割的思维几乎没有成功的案例，后一种独立表达的模型思维,也只能应用于静态的、正北方向规整的图像叠置中，如World Wind中的实现，而且不能避免叠置缝隙的问题。参考文献:高等几何(第3版)，梅向明，高等教育出版社；ISBN:9787040236002;第3版(2008年4月I日)，第一章(该文件中记载了由四点仿射变换计算空间映射的转换参数的方法)。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种全球层次细节网格三维地形图像叠置方法，该方法能够在保持模型独立表达的同时实现叠置图像的无模灵活表达。它通过为地形模型设置全球统一纹理坐标，然后在绘制时分别建立面向内部私有地形块纹理与外部叠置纹理的一对多转换方式，建立不同的纹理坐标转换公式，使得统一纹理坐标能够同时承担两种或多种纹理的坐标映射，实现了不需要模型的完全与地形缝合的图像叠置。为实现此目的，本发明所设计的全球层次细节网格三维地形图像叠置方法，其特征在于，它包括如下步骤:
步骤1:构造一个满足如下条件的全球统一纹理二维坐标系统(U，v)；条件I)该坐标系统在地形层级模型中，所有不同层级或同一层级不同坐标位置的模型顶点，均有不同的纹理坐标值；条件2)在地形层级模型中，所有相同坐标位置的模型顶点，无论是处于哪一层的地形块中，都有相同的纹理坐标值；条件3)在地形层级模型中，纹理空间在其定义域内连续一致；条件4)在地形层级模型中，对所有地形块，分配的纹理空间大小与地理空间分布大小保持线性关系；步骤2:在地形层级模型中，对每一个地形块建模，并在建模时对模型顶点设置上述全球统一纹理坐标系统中定义的模型顶点纹理坐标；步骤3:在地形层级模型中，对上述建模后的地形块进行绘制表达，并按如下方式将地形层级模型中顶点的全球统一纹理坐标分别换算成针对地形纹理与叠置图像的多重纹理坐标:
权利要求
1.一种全球层次细节网格三维地形图像叠置方法，其特征在于，它包括如下步骤: 步骤1:构造一个满足如下条件的全球统一纹理二维坐标系统(U，V); 条件I)该坐标系统在地形层级模型中，所有不同层级或同一层级不同坐标位置的模型顶点，均有不同的纹理坐标值； 条件2)在地形层级模型中，所有相同坐标位置的模型顶点，无论是处于哪一层的地形块中，都有相同的纹理坐标值； 条件3)在地形层级模型中，纹理空间在其定义域内连续一致； 条件4)在地形层级模型中，对所有地形块，分配的纹理空间大小与地理空间分布大小保持线性关系； 步骤2:在地形层级模型中，对每一个地形块建模，并在建模时对模型顶点设置上述全球统一纹理坐标系统中定义的模型顶点纹理坐标； 步骤3:在地形层级模型中，对上述建模后的地形块进行绘制表达，并按如下方式将地形层级模型中顶点的全球统一纹理坐标分别换算成针对地形纹理与叠置图像的多重纹理坐标:
2.根据权利要求1所述的全球层次细节网格三维地形图像叠置方法，其特征在于:它还包括步骤5:当操作人员需要对叠置图像进行放大、缩小、位移、旋转及点迁移的交互操作时，针对新的图像覆盖位置，利用四点仿射变换的公知算法，调整纹理转换函数f2中的空间映射的转换参数A、B、C、D、E、F来实现图像的同步交互实时表达，从而实现对叠置图像的交互实时表达，保持交互热点响应的一致。
3.根据权利要求1所述的全球层次细节网格三维地形图像叠置方法，其特征在于:所述步骤I中的全球统一纹理坐标系统(U，V)，定义为一种大地坐标的平面化全球统一纹理坐标系统，其坐标定义如下:
4.根据权利要求1或3所述的全球层次细节网格三维地形图像叠置方法，其特征在于:当要求保障模型顶点纹理坐标精确到1秒时，k为0 ;当要求保障模型顶点纹理坐标精确到.0.1秒时，k为I ;当要求保障模型顶点纹理坐标精确到0.01秒时，k为2 ;如此类推，通常取k=l 或 2。
全文摘要
本发明所设计的全球层次细节网格三维地形图像叠置方法，包括1)构造一种满足一定要求的全球统一纹理坐标系统；2)在地形层级模型中，对每一个地形块建模时对模型顶点设置全球统一纹理坐标系统中定义的模型顶点纹理坐标；3)在地形层级模型绘制表达时，将模型顶点的全球统一纹理坐标通过公式分别换算成针对地形纹理与叠置图像的多重纹理坐标，克服了多重空间下的同步变换困难问题；4)在进行纹理采样时，通过比较的方式进行像素点纹理的图像来源完成叠置图与地形纹理的统一绘制。该方法在完全不需要额外模型的情况下高效地实现了与地形完全缝合的图像叠置，解决了叠置图像的实时交互与表达问题。
文档编号G06T17/05GK103106689SQ201310062959
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者韩元利, 黄正华, 董云松, 宋文祥, 陈燕平 申请人:中铁第四勘察设计院集团有限公司