自适应视域范围内三维海洋网格的计算机生成方法及其装置

摘要

本发明公开了一种计算机三维海洋网格的生成方法。该方法包括：根据当前的观察摄像机的视域参数，计算修正摄像机的视域参数；计算修正摄像机的视域所覆盖的海平面范围；对所覆盖海平面范围进行细分，生成海洋网格的全部顶点并送GPU绘制。本发明主要用于空中观察情形下的海洋绘制，可以根据观察摄像机的视域范围自适应地确定所覆盖的海平面范围，剔除范围以外的部分，而将范围内部分作为整体进行细分并生成网格，从而完成一体化且高效的海洋网格绘制。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机三维图形绘制辅助设计领域，尤其涉及一种自适应 视域范围内三维海洋网格的计算机生成方法及其装置。

背景技术

海洋的实时绘制渲染是图形学中的一个重要分支，在飞行模拟、舰船 仿真应用中尤为重要。

总的来说，海洋绘制的方法主要分为两大类：基于物理的方法和基于 构造的方法。基于物理的方法一般通过求解Navier-Stokes方程组来实现对 海洋的模拟，由于计算比较复杂，该方法可实时模拟的场景规模较小，而 更适用于电影制作等不要求实时的应用场合。实时交互应用中更多是采用 基于构造的方法，该方法用一张平铺的网格表示海洋面，基于实际观测的 海洋统计和频谱数据，采用傅里叶变换等构造符合海洋频谱分布的波浪形 函数，并将离散化的函数值叠加置换到海洋面网格上，驱动网格起伏波动， 从而达到模拟海洋的目的。

飞行模拟是对实时性要求较高的应用场合，因此其中的海洋绘制也采 用基于构造的方法。由于飞行模拟的视点位置往往较高，视野也较为宽广， 这就要求用于构造海洋的网格平面同样宽广，才能避免在高空可以看到海 洋边缘的不自然现象；又由于飞行方向的不定性，这个网格又要占满所有 非陆地的空间，才能保证可视化真实感。上述两个原因将导致海洋网格极 为庞大，然而大多数情况下，只有很少部分会被看到，这就产生了相当多 的冗余计算。尽管通过对网格LoD化的处理可以减少冗余量，但控制网格 的LoD、以及保证不同LoD的一致性又需要额外计算资源。

实际上，只有在视域范围内的部分网格才会被最终绘制，并显示在用 户的显示屏上。如果能首先确定这个范围，并将网格局限在该范围内，不 仅可以提高网格顶点的实际利用率，而且可将更多的顶点集中在此范围内 来提高海洋细节程度，增强可视效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适合飞行模拟这一应用场 合，以空中观察为主的视角情形下，能够根据视域范围自适应调整的海洋 网格生成方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种三维海洋网格的计算机生成方 法，其包括：

步骤101：根据当前观察摄像机的视域参数，计算修正摄像机的视域 参数，进而确定修正摄像机的视域；

步骤102：计算修正摄像机的视域所覆盖的海平面范围；

步骤103：对修正摄像机的视域所覆盖的海平面范围进行细分，生成 海洋网格的全部顶点，并将所述海洋网格的全部顶点送入GPU进行三维 海洋网格的绘制。

本发明还提出了一种三维海洋网格的计算机生成装置，其包括：

确定装置，用于根据当前观察摄像机的视域参数，计算修正摄像机的 视域参数，进而确定修正摄像机的视域；

计算装置，用于计算修正摄像机的视域所覆盖的海平面范围；

生成装置，用于对修正摄像机的视域所覆盖的海平面范围进行细分， 生成海洋网格的全部顶点，并将所述海洋网格的全部顶点送入GPU进行 三维海洋网格的绘制。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种计算机三维海洋网格的生成方法，可以将表示 海洋网格的范围限制在可见视域范围内，从而减少不必要的计算，提高网 格顶点的实际利用率。

2、本发明提供的这种计算机三维海洋网格的生成方法，可以根据视 域变化自适应地生成对应网格，保证在所需空间始终有海洋面存在，在冗 余尽可能少的同时确保真实感。

3、本发明提供的这种计算机三维海洋网格的生成方法，仅在视域覆 盖范围内对海洋网格进行细分，从而将更多的顶点集中在视域范围内，提 高海洋细节程度，增强可视效果。

附图说明

图1为依照本发明实施例的三维海洋网格的计算机生成方法流程图；

图2为依照本发明实施例的观察摄像机与修正摄像机的视域相互关系 图；

图3为依照本发明实施例的观察摄像机相对于修正摄像机的滚转角度 示意图；

图4为依照本发明实施例的观察摄像机和修正摄像机视域的纵向视场 角示意图；

图5为依照本发明实施例的修正摄像机视域与海平面示意图；

图6为依照本发明实施例的修正摄像机视域构成的四棱锥与海平面的 相交情形示意图；

图7为依照本发明实施例的对海平面所覆盖范围直接进行线性插值的 细分方法示意图；

图8为依照本发明实施例的对海平面所覆盖范围归一化后线性插值再 重新投射到海平面的细分方法示意图；

图9为依照本发明实施例的对海平面所覆盖范围进行经验参数的加权 线性插值的细分方法示意图；

图10为依照本发明实施例的计算机三维海洋网格的生成方法的实际 应用流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明自，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明优选实施例中提出的计算机三维海洋网格生成方 法，主要包括：

步骤101、根据当前的观察摄像机的视域参数，计算修正摄像机的视 域参数，进而确定修正摄像机的视域；

步骤102、计算修正摄像机的视域所覆盖的海平面范围；

步骤103、对所覆盖海平面范围进行细分，生成海洋网格的全部顶点 并送至GPU绘制。

当前观察摄像机，是指在计算机三维场景内用于观察的虚拟摄像机， 其所观察到的内容决定最终用户在显示屏上看到的三维图像，即其观察到 的内容用于显示。修正摄像机，是计算机三维场景内的虚拟摄像机，其视 域范围所覆盖的海平面范围为绘制三维海洋网格的范围，因此修正摄像机 不用于显示而用于确定需要绘制的三维海洋网格的范围。观察摄像机可以 发生任何旋转，而修正摄像机可以在世界坐标系或本地坐标系下发生俯 仰，但只在世界坐标系下发生偏航，而在世界坐标系和本地坐标系下都不 发生滚转，世界坐标系指定义整个三维空间的坐标系，本地坐标系指以修 正摄像机或观察摄像机为原点所定义的相应本地坐标系。修正摄像机的视 域包含了观察摄像机的视域。观察摄像机和修正摄像机的视域参数包括视 域的指向、纵向视场角度、横纵向的长度比例和远截面距离等，修正摄像 机的视域指向、远截面距离、三维空间位置与观察摄像机的相同，而其它 视域参数由观察摄像机确定。

观察摄像机和修正摄像机两者的视域及相互关系如图2所示：

点E为视点位置，即观察摄像机所处的三维空间点；

四棱锥E-ABCD代表观察摄像机的视域，底面ABCD是矩形，边AB、 BC的比例即视域横纵向的长度比例R_obs＝|AB|/|BC|；点O是矩形ABCD 的中点，连线EO的指向即为视域的指向且与底面垂直，EO的长度为 远截面距离；边AB、CD的中点分别为F、G，连线EF、EG则∠FEG为 该视域的纵向视场角，设角度为θ_obs；

四棱锥E-KLMN代表修正摄像机的视域，底面KLMN是矩形，边KL、 LM的比例即视域横纵向的长度比例R_rev＝|KL|/|LM|；点O是矩形KLMN 的中点，连线EO的指向即为视域的指向且与底面垂直，EO的长度为 远截面距离；边KL、MN的中点分别为P、Q，连线EP、EQ则∠PEQ为 该视域的纵向视场角，设角度为θ_rev；

观察摄像机的视域四棱锥E-ABCD可以发生偏航、俯仰或滚转的任何 旋转变化，而修正摄像机的视域四棱锥E-KLMN可以发生俯仰、仅发生 世界坐标系中的偏航、不发生任何坐标系中的滚转，因此边KL或MN始 终与世界坐标系中的水平面相平行；同时，修正摄像机的视域四棱锥底面 KLMN紧凑包围观察摄像机的视域四棱锥底面ABCD，即后者的顶点始终 落在前者的边上。

基于上述对观察摄像机和修正摄像机的定义，步骤101具体包括以下 步骤：

步骤1011：计算观察摄像机相对于修正摄像机的滚转角度。

观察摄像机的视域参数已知且确定，其发生各种旋转会引起修正摄像 机的变化，为得到某时刻观察摄像机所对应的修正摄像机，需要首先计算 观察摄像机相对于修正摄像机的滚转角度，如图3所示：

各点的定义与图2相同，定义为观察摄像机视域的向上向量，为修正摄像机的向上向量，则夹角∠FOP为观察摄像机相对于修正摄像机 的滚转角，设角度为α。但α值不易直接计算得到，这是因为，虽然向量 可由观察摄像机的本地坐标系Y轴得到，而向量是所求的修正摄 像机所包含的量，无法直接获得。

考虑到修正摄像机不能发生滚转，因此点E、O、P所决定的平面垂 直于世界坐标系的水平面。假设单位向量垂直于世界坐标系的水平面， 那么在平面EOP内；设向量与边KL平行，那么在平面KLMN (或ABCD)内，且若设与夹角为β，则有，

α＝|β-90°|

另，向量与易知，则有，

得到向量和后，即可计算出两者夹角β，从而得到滚转角α。

步骤1012中：获得观察摄像机相对于修正摄像机的滚转角α后，计 算修正摄像机视域横纵向的长度比例。由图3可知，

|KL|＝|AB|·|cosα|+|BC|·|sinα|

|LM|＝|AB|·|sinα|+|BC|·|cosα|

又R_rev＝|KL|/|LM|，即可得到修正摄像机视域横纵向的长度比例。

步骤1013：计算修正摄像机视域的纵向视场角度。如图4所示：

各点的定义与图2相同，∠FEG为观察摄像机视域的纵向视场角，角 度为θ_obs；∠PEQ为修正摄像机视域的纵向视场角，角度为θ_rev。则有，

|BC|＝2·|EO|·|tan(θ_obs/2)|

|AB|＝|BC|·R_obs＝2·|EO|·|tan(θ_obs/2)|·R_obs

又有

|LM|＝|AB|·|sinα|+|BC|·|cosα|

则

θ_rev＝2·tan^-1(0.5·|LM|/|EO|)＝2·tan^-1(0.5·(|AB|·|sinα|+|BC|·|cosα|)/|EO|)

＝2·tan^-1(|tan(θ_obs/2)|·(R_obs·|sinα|+|cosα|))

步骤1014：设置修正摄像机的视域的指向、远截面距离、三维空间位 置(即点E)等参数，使其与观察摄像机的对应参数一致，从而根据所计 算得到的修正摄像机的纵向视场角度、横纵向的长度比例和所设置的视域 指向、远截面距离、三维空间位置确定修正摄像机的视域最终确定修正摄 像机的视域。

步骤102具体包括以下步骤：

步骤1021：确定修正摄像机所处三维空间位置点及其视域远截面的四 个角点组成的四棱锥；

步骤1022：计算所述四棱锥与海平面的所有交点；

步骤1023：根据所述交点确定修正摄像机视域所覆盖的海平面范围。 其中修正摄像机的视域和海平面如图5所示：

四棱锥E-KLMN是步骤101计算得到的修正摄像机视域所确定的锥 体，平面γ是由一确定点和竖直向上的向量预先定义好的平面，与世界坐 标系中的水平面平行，该确定点可以是世界坐标系中的任意一点。。

四棱锥E-KLMN与平面γ的相交情形如图6所示，有三种：

(1)没有交点；

(2)棱EN、EM与平面γ交于U、V两点，底边LM、KN与平面γ交 于X、Y两点；

(3)四条棱EN、EM、EL、EK与平面γ交于点U、V、X、Y。

对于情况(1)，修正摄像机视域与平面没有交点，即认为观察摄像机此 时观察不到海平面，无须生成此时的海洋网格。

对于情况(2)(3)，均有四个交点，因此认为观察摄像机此时能观察到海 平面，且把交点UVXY所围的四边形区域作为应该生成海洋网格的区域。

步骤103中，所覆盖海平面范围如步骤102所求，即为空，或者为平 面γ中的四边形UVXY区域。四边形UVXY区域即为需要进行细分生成 海洋网格的全部顶点的海平面范围。

对四边形UVXY包围的区域进行细分，生成海洋网格的全部顶点， 可以通过以下三种方法：

第一，对所述修正摄像机的视域在海平面上的覆盖范围直接进行线性 插值，生成顶点。如图7所示，为在平面γ上方的顶视图。四边形UVXY 的顶点位置已知，设边UV(或XY)上的采样点个数为m并均匀分布， 边UY(或VX)上的采样点个数为n同样均匀分布，由此连线相交而成 的所有顶点，即是细分得到的海洋网格顶点，例如横向序号i、纵向序号j 的点W，其位置为，

W＝(1-j/n)·((i/m)·U+(1-i/m)·V)+(j/n)·((i/m)·Y+(1-i/m)·X)

其中，W、U、V、X和Y分别表示三维空间中的三维坐标。在四边 形UVXY中直接进行线性插值的优点是计算速度快，缺点是从顶视图来 看网格是被均匀划分，但根据透视原理，从观察摄像机角度看，近处的细 分网格则会显得很稀疏。

第二，对所述修正摄像机在海平面上的覆盖范围进行归一化后再线性 插值，并重新投射到海平面，以生成海洋网格的全部顶点。如图8所示， 由于修正摄像机不会发生滚转，因此根据对称性，边EU、EV长度相等， EX、EY长度相等；但EU和EY并不一定相等。因此首先将EU、EV、 EX、EY归一化为单位向量并在四边形U’V’X’Y’ 中按照第一种方法线性插值出所有点，再将点投射到四边形UVXY中， 如将点E与四边形U’V’X’Y’内某插值点W’连线，与四边形UVXY相交 得到细分点W。

第二种细分方法可以完全克服第一种细分方法的缺陷，但计算量会增 大。

第三，对所述修正摄像机在海平面上的覆盖范围进行经验参数的加权 线性插值，生成海洋网格的全部顶点。如图9所示，即对四边形UVXY 进行网格细分时，为纵向插值赋予权值，使纵向上的细分向近视点处(边 UV)靠近，即越靠近近视点处(边UV)，则纵向上划分的网格越窄。一 个简单的加权策略如下表示：

W＝(1-(j/n)²)·((i/m)·U+(1-i/m)·V)+(j/n)²·((i/m)·Y+(1-i/m)·X)

这种方法从经验而非原理出发，可以一定程度克服第一种方法的缺 陷，且计算量小于第二种方法。

当海平面范围细分获得所有海洋网格顶点后，将顶点数据送至GPU， 由GPU进行高度替换、着色等操作并最终绘制出整个网格。

本发明所述的计算机三维海洋网格的生成方法，所包含的三个步骤， 理论上每一帧刷新都应顺序执行一遍以更新数据，实际应用中可根据特定 条件省略或跳过部分工作，如图10依照本发明实施例的计算机三维海洋 网格生成方法的实际应用流程图所示。

图10中步骤201、202对应图1步骤101，具体为：

步骤201：判断观察摄像机拍摄到的图片与上一帧相比是否发生改变， 若是，则执行步骤202，否则结束该方法的执行；

步骤202：根据当前的观察摄像机的视域参数计算修正摄像机的视域 参数；。

图10中步骤203、204对应图1步骤102，具体为：

步骤203：修正摄像机的视域与海平面是否相交，若相交则执行步骤 204，否则结束该方法的执行；

步骤204：计算修正摄像机的视域所覆盖的海平面范围。

图10中步骤205对应图1步骤103，具体为：

步骤205：对所覆盖海平面范围进行细分生成海洋网格的全部顶点， 并将全部顶点送入GPU绘制。

综上所述，本发明通过根据当前的观察摄像机的视域参数，计算修正 摄像机的视域参数；计算修正摄像机的视域所覆盖的海平面范围；对所覆 盖海平面范围进行细分，生成海洋网格的全部顶点并送GPU绘制，来最 终实现自适应视域范围的海洋网格生成与绘制，整个过程完成。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。