基于视点椭球相似特征数的光线采样精确优化方法技术

本申请提出基于视点椭球相似特征数的光线采样精确优化方法。借鉴地球的空间圈层划分，建立光线投射算法（RCA）的空间描述概念模型，包括从外到里嵌套的四层椭球面，其中，最外层是代理椭球几何体，最内层是数字地球的参考椭球面；使用所述的四层嵌套椭球面，对整个三维空间进行圈层划分，对应给出视点的圈层类型体系，提出椭球相似特征数分类判别方法，判定当前视点的圈层类型；依据当前视点的圈层类型，进一步给出光线采样精确优化的详细处理。本申请对数字地球上RCA的视点进行了圈层分类，并依据当前视点类型，对光线采样进行精确优化处理，实现了交互过程中RCA在任意视点下的正确及高效显示。的正确及高效显示。的正确及高效显示。

【技术实现步骤摘要】
基于视点椭球相似特征数的光线采样精确优化方法


[0001]本申请涉及可视化
，尤其涉及基于视点椭球相似特征数的光线采样精确优化方法。

技术介绍

[0002]战场环境中涉及各类异构数据，如气压场、温度场、电磁场等，而且数据量普遍较大，作战人员无法直接理解抽象的数据，可视化是这种抽象变换为直观显示的重要方法。体绘制技术是应用广泛的三维可视化技术之一，其中，光线投射算法（RCA）又是典型可视化算法代表。但是，在数字地球上使用RCA时，三维视点既可能处于体数据（体数据）的外部，也可能处于数据范围内部。当视点处于数据范围外部时，沿光线采样的优化比较容易处理，目前的体绘制方法多数都考虑了这种情况，但是，随着拉近数字地球的交互操作，视点也会进入到体数据的内部，此时，沿光线采样将会比较复杂，如果不进行精细设计，会出现显示空白等问题。
[0003]另外，数字地球上体绘制中的体数据与庞大的地球相比，相对来说很薄，体绘制中沿光线射线进行采样时，将会存在大量空的无效采样点，而且也存在地球的遮挡问题，如何高效地过滤无效采样点是一个比较关键的问题，是提升体绘制整体显示性能的核心。

技术实现思路

[0004]本申请提供基于视点椭球相似特征数的光线采样精确优化方法，对数字地球上RCA的视点进行合理分类，并依据分类情况，对光线采样进行高效的优化处理，保持交互过程中RCA任意视点（限制不在地球内部）下正确及高效的显示。
[0005]基于视点椭球相似特征数的光线采样精确优化方法，包括以下步骤：借鉴地球的空间圈层划分，建立光线投射算法（RCA）的空间描述概念模型，包括从外到里嵌套的四层椭球面，其中，最外层是代理椭球几何体，最内层是数字地球的参考椭球面，中间包含两层椭球面。其中：（1）最外层的代理椭球几何体，用于启动体绘制的渲染，与数字地球参考椭球相似，其椭球相似特征数记为；（2）中间部分是椭球包围盒，这是包含显示数据或体数据的最小椭球网格，其外表面对应一个与数字地球参考椭球相似的椭球面的部分或全部，其椭球相似特征数记为，其内表面对应一个与数字地球参考椭球相似的椭球面的一部分或全部，其椭球相似特征数记为；（3）最里层是数字地球参考椭球或数字地球，其椭球相似特征数；其中，；使用所述四个嵌套的椭球面，对整个三维空间进行圈层划分，与圈层相对应将三维视点划分为V
a
、V
b
、V
c
、V
d
四类；对V
a
、V
b
、V
c
、V
d
四类三维视点类型，开展光线采样优化精确详细处理。
[0006]进一步的，所述对V
a
类型三维视点的光线采样优化，包括：步骤11：获取光线方向向量V，结合三维视点向量V
c
，建立光线的射线方程；计算射线S与代理椭球几何体椭球面E
a
的交点，初步确定光线采样有效点的优化限制范围，将射线方程S的三个分量表达式x(t),y(t),z(t)代入椭球面方程E
a
中，计算出交点，交点情况有三种：（a）无交点，即光线射线S与E
a
相离，光线射线不穿过体数据所在的椭球包围盒，没有任何有效采样点，直接终止光线采样整个过程；（b）有一个交点，即光线射线S与E
a
相切，与（a）类似，可直接终止光线采样整个过程；（c）有两个交点A与H，则光线采样点的有效范围初步优化限制为线段AH，其中，A离视点近，H离视点远，光线采样点的有效范围初步可确认为光线射线与代理椭球几何体的两点交点对应的线段AH；步骤12：计算光线射线S与数字地球参考椭球面E
earth
的交点，进一步缩减光线采样有效点的优化限制范围；计算光线射线S与数字地球参考椭球面E
earth
的交点，交点的情况分为三种：（a）无交点，该步不做任何处理；（b）有一个交点T，即光线射线与E
earth
相切，则在该切点T沿光线射线方向之后的所有采样点被数字地球遮挡，进行过滤剔除，则光线采样点的有效范围进一步优化为线段AT；（c）有两个交点D、E，即与数字地球相交，D离视点近，E离视点远，则在点D处沿光线射线之后的所有采样点都被数字地球遮挡，进行过滤剔除，则光线采样点的有效范围进一步缩减为线段AD，光线采样点的有效范围通过与数字地球椭球的两个交点D、E，进一步优化缩短为线段AD；步骤13：计算射线S与体数据的椭球包围盒的交点，结合椭球包围盒直接进行有效性过滤，进一步缩减光线采样有效点的优化限制范围；计算射线S与体数据的椭球外表面E
b
、椭球内表面E
c
的交点，并结合椭球包围盒的过滤剔除，可对光线采样点的有效范围进一步优化。
[0007]进一步的，所述对V
b
类型三维视点的光线采样优化，具体为：利用射线方程S与代理椭球面的一个交点H，将光线采样点的有效范围优化为初始线段V
b
H，然后对采样点的有效范围进一步缩减优化，所述优化方法包括地球遮挡剔除、椭球包围盒内外表面求交及过滤。
[0008]进一步的，对V
c
类型三维视点的光线采样优化，具体为：将射线方程S与数字地球参考椭球E
earth
进行求交计算，如果相交，则进行数字地球遮挡剔除，缩短采样点的有效限制范围；其次，将该射线方程与椭球包围盒内外表面进行求交计算和进行椭球包围盒剔除，将采样点的有效范围进一步缩短优化。
[0009]进一步的，对V
d
类型三维视点的光线采样优化，具体为：计算射线方程与数字地球参考椭球的椭球面方程的交点，如果存在交点，则说明该光线射线与数字地球相交，即被数字地球遮挡，则直接终止整个采样过程，否则，该光线偏离数字地球，计算射线方程与体数据的椭球包围盒外内表面方程的交点，此时有两个交点B、C，则采样点的有效范围初始化为线段BC，再结合椭球包围盒剔除，将采样点的有效范围进行极大的缩短优化：线段BC或为空。
[0010]本申请采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：（1）本申请提出了一个面向RCA的任意三维视点（位于数据范围内部或外部，限制不在数字地球内部）的光线采样优化的整体解决方案；同时，提出了一种新的椭球相似特征
数的概念，并结合空间概念描述模型，给出了三维视点的分类及判别算法：将三维视点在三维空间中圈层划分中的位置关系判定问题转换为一维的椭球相似特征数区间判别问题；（2）提出了基于三维视点分类的光线采样精确优化的理论设计，修正视点在体数据内部时体绘制渲染出现错误的问题，可实现任意三维视点（限制不在地球内部）的正确体绘制，从理论上保证RCA渲染正确。同时，通过良好的优化设计，极大避免了采样中后期复杂的插值计算等，保证了RCA具有较高的渲染效率。
附图说明
[0011]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于视点椭球相似特征数的光线采样精确优化方法，其特征在于，包括以下步骤：基于地球空间圈层划分，建立光线投射算法的空间描述概念模型，所述空间描述概念模型包括四个从外到里嵌套的椭球，最外层为代理椭球几何体，最内侧为作为参考椭球的数字地球，其中：（1）最外层的代理椭球几何体，用于启动体绘制的渲染，与数字地球参考椭球相似，其椭球相似特征数记为 ；（2）中间部分是椭球包围盒，这是包含显示数据或体数据的最小椭球网格，其外表面对应一个与数字地球参考椭球相似的椭球面的部分或全部，其椭球相似特征数记为，其内表面对应一个与数字地球参考椭球相似的椭球面的一部分或全部，其椭球相似特征数记为；（3）最里层是数字地球参考椭球或数字地球，其椭球相似特征数；其中，；使用所述四个嵌套的椭球面，对整个三维空间进行圈层划分，与圈层相对应，将三维视点划分为V
a
、V
b
、V
c
、V
d
四类；针对V
a
、V
b
、V
c
、V
d
四类三维视点类型，开展光线采样精确优化的详细设计。2.根据权利要求1所述的基于视点椭球相似特征数的光线采样精确优化方法，其特征在于，对V
a
类型三维视点的光线采样优化，包括：步骤11：获取光线方向向量V，结合三维视点向量V
c
，建立光线的射线方程；计算射线S与代理椭球几何体椭球面E
a
的交点，初步确定光线采样有效点的优化限制范围，将射线方程S的三个分量表达式x(t),y(t),z(t)代入椭球面方程E
a
中，计算出交点，交点情况有三种：（a）无交点，即光线射线S与E
a
相离，光线射线不穿过体数据所在的椭球包围盒，没有任何有效采样点，直接终止光线采样整个过程；（b）有一个交点，即光线射线S与E
a
相切，与（a）类似，可直接终止光线采样整个过程；（c）有两个交点A与H，则光线采样点的有效范围初步优化限制为线段AH，其中，A离视点近，H离视点远，光线采样点的有效范围初步可确认为光线射线与代理椭球几何体的两点交点对应的线段AH；步骤12：计算光线射线S与数字地球参考椭球面E
earth
的交点，进一步缩减光线采样有效点的优化限制范围；计算光线射线S与数字地球参...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家润，杨帆，任菲，赵静，徐健，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十五研究所，
类型：发明
国别省市：