專利名稱：三維地理信息場景中空間地物模型顯示控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及三維地理信息環(huán)境中，觀察地物模型的固定
視角控制與顯示方法。 現(xiàn)有三維數(shù)據(jù)地球可視化領(lǐng)域中，如Skyline、Google Earth等均已具有三維模型的任意視角瀏覽功能，可通過鼠標左右鍵及滾輪拖動場景并變換觀察角度，對三維模型進行多角度觀察。但是對于公眾用戶，這種操作是完全自由度的視角控制，無法停留鎖定，對于特定視角的觀察不能夠準確定位，而且容易丟失觀察焦點(即視線與三維地物模型沒有交點)，這就導致被觀察物容易脫離視線范圍，給用戶觀察帶來不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決地物場景模型觀察中存在的丟失焦點、觀察不準確的問題，提出了一種三維地理信息場景中空間地物模型顯示控制方法，該方法通過指定一些視角，在控制視角下進行三維模型顯示，使得三維模型的觀察過程可控、易操作，觀察結(jié)果確定度高。使三維地理信息系統(tǒng)的操控更符合人機交互原理。 本發(fā)明提供的三維地理信息場景中空間地物模型顯示控制方法，通過如下步驟實現(xiàn) 步驟一 、確定三維地物目標； 將對地物目標的觀察抽象為camera對目標點B點的觀察，B點是camera中心C與地物模型上表面中心點A'連線的延長線與地平面交點；
步驟二、確定目標點的經(jīng)緯度； 根據(jù)地物模型、目標點B點與地面之間的幾何關(guān)系，得到B點的實際經(jīng)度Bl :
Alat/(S*CosP) = 9/1 (4)
B1=A1+Alat (5) 其中A lat為地物模型地面中心A點與B點的經(jīng)度差；S是A、B兩點的球面弧長；
Al為A點緯度；|3為camera的平視轉(zhuǎn)角； 同理可求B點的諱度B2 ; 步驟三、選定既定視角； 選擇17種固定觀察角度，具體如下 (1)頂視1個角度目標點B點緯度為Al， A2， a為0度； (2)平視8個角度目標點B點經(jīng)度Bl，緯度B2， a為80度，依據(jù)camera的平視轉(zhuǎn)角13 ，平均分為前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個角度； (3)45度斜俯視8個角度目標點B點經(jīng)度為Bl， B2， a為45度，依據(jù)不同的camera的平視轉(zhuǎn)角P ，分前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個角度。
步驟四、顯示三維地物模型；
背景技術(shù)：
依據(jù)地物模型的長寬高計算出滿足條件的camera高度H和camera半徑，按照每種固定觀察角度的五個參數(shù)，進行模型加載，模擬出固定視角下的三維建筑形態(tài)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于 (1)三維模型的觀察控制確定度高，人機交互簡單。
(2)設(shè)置17種固定觀察角度，對三維模型的觀察符合人的認知習慣。
(3)觀察結(jié)果確定性高，觀察結(jié)果呈現(xiàn)穩(wěn)定。 (4)能實現(xiàn)全覆蓋觀察，不存在視線死角，本方法確定角度的頂點觀測法，不會出現(xiàn)camera中線和地物模型沒有交點的狀態(tài)，即不會丟失觀察焦點。


圖1是發(fā)明方法流程圖；圖2是觀察者與地物模型位置關(guān)系平地示意圖；圖3是觀察者與地物模型位置關(guān)系球面示意圖；圖4是camera對三維建筑地平面內(nèi)轉(zhuǎn)角俯視示意5是計算AB弧長示意圖；圖6是對A點經(jīng)度做微分示意圖；圖7是平視角度視距控制示意圖；圖8是頂視角度軸側(cè)圖；圖9是平視8個角度的軸側(cè)圖；圖10是平視8個角度的俯視圖；圖11是斜45度俯視8個角度的軸側(cè)圖；圖12是斜45度俯視8個角度的俯視圖；圖13是斜45度俯視8個角度的側(cè)視具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明提供的三維地理信息場景中空間地物模型顯示控制方法進行詳細說明。
本發(fā)明提供的空間地物模型顯示控制方法流程如圖1所示，具體步驟如下
步驟一 、確定三維地物目標； 在三維地理信息系統(tǒng)中，按橢球體構(gòu)建地球模型，假設(shè)通過懸于空中的camera (代表觀察者)進行三維觀察。 如圖2所示，在地球模型上，要觀測三維地物模型全貌，如果直接將camera對準地物模型底座中心A點進行觀測，受到camera張角Y的限制，將無法觀察到模型的上部和頂部，因此本發(fā)明提出，在觀察A點代表的地物模型時，將camera的目標點定為B點，B點是camera中心C與地物模型上表面中心點A'連線的延長線與地平面交點，設(shè)C點(即觀察點)在地面的投影點為點E。此時，則可保證camera觀察到地物模型上部，進而通過各個角度的覆蓋，實現(xiàn)對整個地物模型的觀測。 其中所述的地物模型底座中心A點是指地物模型上表面中心點A'在地面上的垂直投影點。
步驟二、確定目標點的經(jīng)緯度。 如圖3、圖5所示，以0表示地心，C點表示camera中心，A點為地物模型底面中心，地物模型底座中心A點經(jīng)度Al、緯度A2知，a為camera傾斜角度(camera中心C點和目標點B點連線同重力方向的夾角)，C點距地高度H， camera的平視轉(zhuǎn)角P ， A點的地物模
型高度h，則有
<formula>formula see original document page 5</formula>
上面式中r是隨地球諱度而線性變化的參數(shù)，L是A、B兩點直線長度，S是A、B兩點的球面弧長。h為地物模型高度，a是camera傾斜角度。 如圖6，匪'是過A點的經(jīng)線，對A點的經(jīng)度增加一個微量e (本例中取0.0001)，此時到達P點，設(shè)A點和P點的球面距離記為I，從P點穿過的經(jīng)線為NN'。由于e很小，則直線距離AP近似等于向量OA和OP做差所得向量的長度。由于經(jīng)線分布均勻，經(jīng)度差和地表距離的比率是一個定值，利用此比率即可求得A點和B點的經(jīng)度差A(yù) lat，進而求得B的實際經(jīng)度Bl :<formula>formula see original document page 5</formula> 由于A和B的連線并不與緯線平行，公式(4)左側(cè)經(jīng)余弦處理得到的才是沿緯線方向的距離。 同理可求B點的諱度B2。 要在系統(tǒng)中，呈現(xiàn)出從C點觀察建筑物模型的效果，需要得到觀察點C點的位置，這可根據(jù)以下五個參數(shù)來唯一確定B點的經(jīng)度B1、緯度B2、地面平面內(nèi)的視角13 (如圖4所示)、camera距地面高度H、 camera傾斜角度a (如圖3所示)。
步驟三、選定既定視角； 根據(jù)人對三維模型的觀察的認知習慣，并考慮觀察點C對模型的觀察能夠?qū)崿F(xiàn)完全覆蓋，本發(fā)明設(shè)置17種固定觀察角度，具體如表1所示 (1)頂視1個角度如圖8所示，目標點B點經(jīng)緯度為Bl， B2， a為0度。 (2)平視8個角度如圖9、圖10，目標點B點經(jīng)度為B1，B2， a為80度，依據(jù)不同
的camera的平視轉(zhuǎn)角P ，分前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個角度。 (3)45度斜俯視8個角度如圖11、圖12和圖13所示，目標點B點經(jīng)度為B1，B2，
a為45度，依據(jù)不同的camera的平視轉(zhuǎn)角P ，分前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個角度。 表117個角度的控制參數(shù)狀態(tài)視角參數(shù)設(shè)置1頂視(Al， A2，500:，H，O)2前斜45度俯視(B1，B2， P-180， H，45)3后斜45度俯視(B1，B2， P，H，45)4左斜45度俯視(B1，B2， P-90， H，45)5右斜45度俯視(B1，B2， P 5-270， H，45)6左前斜45度俯視(B1，B2， H35，H，45)7右前斜45度俯視(B1，B2， P-225，H，45)8左后斜45度俯視(B1，B2， P-45，H，45)9右后斜45度俯視(B1，B2， P-315，H，45)10前向平視(B1，B2， H80，H，80)11后向平視(Bl， B2， P ， H，80)12左向平視(B1，B2， P-90，H，80)13右向平視(B1，B2， P-270，H，80)14左前平視(B1，B2， H35，H，80)15右前平視(B1，B2， P-225，H，80)16左后平視(B1，B2， P-45，H，80)17右后平視(B1，B2， P-315，H，80)在三三維環(huán)境信息系統(tǒng)中，通過camera的平視轉(zhuǎn)角P 、 camera的高度H和camera傾斜角度a的特定組合，形成了以上17個固定視角的某一個。上述的17種觀測角度覆蓋了地物模型圓周360度，以及地物模型的高度范圍，因此，實現(xiàn)了地物模型的全貌觀測。
下面舉例說明固定視角時確保觀測全貌的控制方法
1、在斜45度俯視時的camera高度控制； 在8個指定的斜45度俯視角度，給定camera以最小的高度限制，camera的高度H的計算如下如圖2所示，在表1中對應(yīng)的2號到9號中的某個狀態(tài)下，a = 45的位置，AD(D是三維建筑模型底面在camera近端邊緣的中點)為地物模型的二分之一寬度；Y為camera的視線張角；圖2中根據(jù)幾何關(guān)系可得到如下關(guān)系 DE/H = tan ( a - y /2) (6) DE = BE-BD = H-BD (7) BD = S+AD (8) 由以上三式可得 (H- (S+AD)) H = tan ( a - y /2) ， (9) 此時可求camera的高度H。 此時的H就是a為45度時，camera能觀測到全部地物場景的最低高度。通過控制camera高度H，即可在斜俯視時不留下任何觀測死角。同理可以得到其他朝向的斜45度俯視的camera高度。
2、平視 限定camera到地物模型的距離的最小值，如圖7，在表1中11號狀態(tài)到17號狀態(tài)
的某一個狀態(tài)時， Tan ( Y /2) = h/2/DE 式中h/2即此時的camera高度，定為地物模型的高度的一半。DE為camera與地物模型的水平距離。此時的DE就是要保證看到地物模型全貌，camera距離地物模型的最近位置。同理可得其它觀察角度、位置平視時的camera與地物模型的距離。
步驟四、顯示三維地物模型。 根據(jù)步驟三中選定的角度，加載地物模型顯示。為了保證對模型全貌的觀測，在設(shè)
6定控制觀測角度的參數(shù)時，根據(jù)步驟三中控制方法，依據(jù)地物模型的長寬高計算出滿足條件的camera高度H和camera半徑(即觀察者到模型的距離)，按照五個參數(shù)，進行模型加載，即模擬出固定視角下的三維建筑形態(tài)。
兩種角度的轉(zhuǎn)換過程展示方法 當camera從視角Tl到視角T2，只涉及兩種角度的變化， 一是camera的平視轉(zhuǎn)角P ， 二是camera傾角a 。 camera的平視轉(zhuǎn)角P從VI變化到V2的過程(假定VI > V2)線性變化。確定一個系數(shù)s，要求滿足1 > s > 0。 V3 = Vl-V2，則會以此到達并在以下角度暫留和渲染三維模型，
V4 = Vl_s*V3，
V5 = V4_s*V3， ...... 直到Vn二V2
共經(jīng)過l/s個狀態(tài)。 例如，從270度轉(zhuǎn)到180度，設(shè)定s為0. 4，那么camera的Y會依次變?yōu)?
270-90*0.4 = 234，
234-36 = 198，
180 三個狀態(tài)。 a角度的改變同理，a與|3同時組合變化，在每一個新的視角，系統(tǒng)都更新繪制渲染加載模型一次，多個狀態(tài)的變化連續(xù)顯示，即形成一個動態(tài)的旋轉(zhuǎn)效果。
權(quán)利要求
三維地理信息場景中空間地物模型顯示控制方法，其特征在于如下步驟步驟一、確定三維地物目標；將對地物目標的觀察抽象為camera對目標點B點的觀察，B點是camera中心C與地物模型上表面中心點A’連線的延長線與地平面交點；步驟二、確定目標點的經(jīng)緯度；根據(jù)地物模型、目標點B點與地面之間的幾何關(guān)系，得到B點的實際經(jīng)度B1Δlat/(S*Cosβ)＝θ/IB1＝A1+Δlat其中Δlat為地物模型地面中心A點與B點的經(jīng)度差；S是A、B兩點的球面弧長；A1為A點緯度；β為camera的平視轉(zhuǎn)角；同理可求B點的緯度B2；步驟三、選定既定視角；選擇17種固定觀察角度，具體如下(1)頂視1個角度目標點B點緯度為A1，A2，α為0度；(2)平視8個角度目標點B點經(jīng)度B1，緯度B2，α為80度，依據(jù)camera的平視轉(zhuǎn)角β，平均分為前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個角度；(3)45度斜俯視8個角度目標點B點經(jīng)度為B1，B2，α為45度，依據(jù)不同的camera的平視轉(zhuǎn)角β，分前、后、左、右、左前、右前、左后、右后八個角度。步驟四、顯示三維地物模型；依據(jù)地物模型的長寬高計算出滿足條件的camera高度H和camera半徑，按照每種固定觀察角度的五個參數(shù)，進行模型加載，模擬出固定視角下的三維建筑形態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維地理信息場景中空間地物模型顯示控制方法，其特征在于步驟四中所述的固定觀察角度的五個參數(shù)為目標點B點經(jīng)度為Bl，緯度B2，camera傾斜角度a ， camera的平視轉(zhuǎn)角P和camera高度H。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維地理信息環(huán)境中用視角控制觀察地物模型的方法。本發(fā)明提出了三維數(shù)據(jù)地球軟件環(huán)境下，觀察三維地物的視覺控制方法，該方法通過確定三維地物目標；確定觀察點的經(jīng)緯度；選定17種固定觀察角度，進而顯示三維地物模型，解決了對于觀察三維地物時，控制靈活性過高導致觀察效果不穩(wěn)定和丟失關(guān)鍵點的問題。本發(fā)明提出的17個特殊視角觀察三維地物的方法，便于觀察者實際操作，更符合人的認知習慣，并能科學地保證觀察內(nèi)容的完整性。
文檔編號G06T17/40GK101699519SQ20091023651
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者呂經(jīng)緯, 楊雪, 王洋, 翁敬農(nóng), 胡斌 申請人:北京航空航天大學