基于沉浸式虚拟现实系统的电磁频谱态势观测方法

摘要

本发明公开一种基于沉浸式虚拟现实系统的电磁频谱态势观测方法，主要解决传统观测方法中频谱态势图显示信息不完整的问题。其实现步骤为：1)生成含有信号源的观测区域三维模型；2)选取模型中的一个平面作为观测平面，计算信号源到观测平面上各点距离；3)根据各点距离计算信号经过路径损耗后到达观测平面上各点的信号强度；4)对信号强度进行归一化处理，再采用颜色映射的方式生成观测空间的三维电磁频谱态势图；5)佩戴虚拟现实头戴式显示设备观看三维电磁频谱态势图。本发明不仅可完整显示观测区域的频谱信息，而且提高了观测效率，可用于电磁频谱观测。

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形显示技术领域，特别涉及一种频谱态势观察方法，可用于电磁频谱监测。

背景技术

电磁频谱是将电磁波按波长或者频率排列起来所形成的谱系，具有资源有限，共享共用，时域、空域和频域三域分割，永不消耗，易受干扰的特点。

随着电磁技术和电子设备的广泛应用，电磁环境变得日益复杂，电磁频谱资源越来越重要，如何系统而直观地描述电磁频谱态势一直是电磁频谱监测的难题，同时也是观测人员正确把握电磁态势、进行准确指挥的瓶颈。

随着现代电磁频谱监测技术的发展，大量的新技术运用到了电磁频谱可视化当中，现阶段主流的电磁频谱显示方法主要是基于OpenGL、Visual C++、VTK、及MATLAB等软件对电磁频谱进行二维或三维的显示。这几种方法各有优势，所以电磁频谱的态势及分布情况既可以用这几种方法来展示，又可以进行动态交互，更好地为指挥员的决策提供支撑。

对电磁频谱进行可视化处理，主要是将频谱信息制成频谱图、瀑布图及三维频谱态势图。这三种频谱态势图都需要采用裸眼直接观看的方式，且观测频谱时需要观测者有较好的专业水平，由于观测者无法控制观测对象显示所需的信息，很多频谱信息需要观测者自己去提取，使得观测过程不够智能化。除此之外，频谱图和瀑布图无法为观测者提供空间中其他位置的频谱信息，而三维空间的频谱显示最后还是要使用二维平面去展示，这又使得三维空间的频谱信息很难完整的呈现给观测者。因此，设计和实现简单合理的电磁频谱的观测方法显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于沉浸式虚拟现实系统的电磁频谱态势观测方法，以克服上述观测方法中频谱态势图显示信息不完整的缺点。

为了完成上述目的，本发明提出的基于沉浸式虚拟现实系统的频谱态势观测方法，包括如下步骤：

(1)根据观测区域地理信息生成观测区域的三维地理模型M₀，然后在该模型中选取若干位置添加静态信号和动态信号，生成含有信号源的三维模型M₁；

(2)选取含有信号源的三维模型M₁中高度为h的一个平面S，1≤h≤100，确定静态信号到该平面上各点的距离d₁和动态信号到该平面上各点的距离d₂；

(3)根据步骤(2)求得距离分别计算静态信号经过衰落后到达平面S上各点的信号强度P₁和动态信号经过衰落后到达平面S上各点的信号强度P₂；

(4)将步骤(3)中所得的信号强度进行归一化处理，并对归一化处理后的信后强度P采用颜色映射的方式生成观测空间三维电磁频谱态势图；

(5)将步骤(4)生成的观测空间三维电磁频谱态势图调成虚拟现实VR模式，观测者通过虚拟现实头戴式显示设备进行观看，并控制三维电磁频谱态势图显示所需的频谱信息。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明由于生成的三维模型中含有观测区域的地理信息，可方便观测者对频谱资源的分析与利用。

2、本发明将三维电磁频谱态势划分为一个个高度不同的平面，每次显示一个平面上的电磁频谱态势，观测者可以通过调整平面高度获得空间中其他位置的电磁频谱态势。

3、本发明通过佩戴虚拟现实头戴式显示设备观看三维电磁频谱态势，相比传统的观测方法，克服了传统频谱图显示信息不完整的缺点，观测者可以沉浸到观测环境中进行观看完整的频谱信息。

4、本发明由于能在观测三维电磁态势的同时提取频谱信息，相比传统的观测方法，观测者可以控制三维电磁频谱态势图以文字形式显示信号的频率、强度、调试方式、码元速率这些信息，提高了观测的效率。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为用本发明生成的在常规模式下的监测区域不含移动台的三维电磁频谱态势图；

图3为用本发明生成的在常规模式下的监测区域含移动台的三维电磁频谱态势图；

图4为用本发明在调整频谱显示高度后的三维电磁频谱态势图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的方案及效果做进一步说明。

本发明是一种基于沉浸式虚拟现实系统的电磁频谱态势观测方法，沉浸式虚拟现实系统主要指利用头盔显示器把用户的视觉、听觉封闭起来，产生虚拟感。使用虚拟现实设备观测电磁频谱需要对观测区域进行建模，同时需要处理观测区域的频谱数据。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，生成电磁场传播模型。

采用三角剖分算法对观测区域的树木、楼房这些物体进行建模，从而生成观测区域的三维模型；

对三维模型进行贴图，即根据楼房的顶点位置建立楼房的展平图，然后将建立好的展平图导入到三维模型中，生成观测区域的电磁场传播模型。

步骤2，为电磁场传播模型添加静态信号。

如图2所示，本发明使用基站作为静态信号模型，在电磁场传播模型中共添加了8个基站，在观测者进行观看时，每个基站需要判断自己是否处于观测者视野内：

如果处于观测者视野内，则在基站附近显示此基站的名字，当观测者视野的焦点在基站上的停留时间超过2秒时，则显示信号源的信号位置、强度、中心频率、调制方式和码元速率这些基本信息；

如果基站从观测者视野中消失，则不再显示此基站的名字。

步骤3，为电磁场传播模型添加动态信号。

如图3所示，本发明使用小车作为动态信号模型，小车在观测区域中移动的同时向四周发送信号；

观测者在进行观看时，小车需要判断自己是否处于观测者的视野内：

如果处于观测者视野内，则显示小车的名字，且当观测者视野的焦点在小车上停留的时间超过2秒时，则显示小车的当前位置和小车发送信号的强度、中心频率、调制方式和码元速率这些基本信息；

如果小车从观测者视野中消失，则不再显示小车的名字。

步骤4，确定观测平面。

在步骤1中生成的电磁场传播模型中选择一个高度为1的平面作为观测平面，然后在观测平面上量化选取10000个点，并使这些被选取的点均匀分布在观测平面上；

观测者通过键盘上的两个不同键位对观测平面的高度进行调整，如图4所示，观测者调整观测平面高度后可以看到观测区域不同高度的三维电磁频谱态势图。

步骤5，确定静态信号到观测平面上各点的距离与强度。

5a)采用如下公式确定静态信号到观测平面上所选取的各点的距离：

其中d_s是指基站信号到观测平面上各点的实际距离，d₁是基站到达观测平面上各点处理后的距离，当观测者调整观测平面时，将重新确定静态信号到观测平面上各点的距离。

5b)采用如下公式计算静态信号经过信道衰落后到达观测平面上各点的信号强度：

其中P₁指静态信号经过衰落后到达观测平面上各点的信号强度，P_s指静态信号的发射功率，λ指信号的波长。

步骤6，确定动态信号到观测平面上各点的距离与强度。

6a)采用如下公式确定动态信号到观测平面上所选取的各点的距离：

其中d_d是指动态信号到观测平面上各点的实际距离，d₂是动态信号到达观测平面上各点处理后的距离，当观测者调整观测平面时，将重新确定动态信号到观测平面上各点的距离。

6b)采用如下公式计算动态信号经过信道衰落后到达观测平面上各点的信号强度：

其中P₂指动态信号经过衰落后到达观测平面上各点的信号强度，P_d指动态信号的发射功率，λ指信号的波长。

步骤7，确定观测平面上各点的信号总强度。

将步骤5确定的静态信号到观测平面上各点的强度P₁与步骤6确定的动态信号到观测平面上各点的强度P₂相加，从而得到静态信号和动态信号共同作用下的观测平面上各点的信号总强度P₀。

步骤8，归一化信号强度。

将步骤7中所得的观测平面上各点的信号总强度P₀进行归一化处理，归一化过程按照如下公式进行：

其中P是归一化后信号强度，P_i是需要进行归一化的平面上各点的信号强度，P_max是平面上各点的信号强度的最大值，P_min是平面上各点的信号强度的最小值，W是指归一化权值，此处取值为1.2。

步骤9，生成三维电磁频谱态势图。

采用颜色映射的方式生成三维电磁频谱态势图，即在归一化信号强度与颜色之间建立一个映射关系，把不同的归一化信号强度映射为不同的颜色，其具体实现方式为：

9a)计算归一化信号强度对应的红色、绿色、蓝色三种基本颜色的数值。

本发明采用如下公式计算归一化信号强度对应的红色、绿色、蓝色三种基本颜色的数值：

其中了L表示归一化处理后的信号强度的最大值，P表示归一化后的平面上各点的信号强度，R、G、B分别表示将信号强度进行颜色映射后的红、绿、蓝三种颜色的数值，R、G、B的数值随着生成的三维电磁频谱态势图每帧计算一次，当信号强度发生变化时R、G、B的数值会跟着进行更新；

9b)根据得到的R、G、B数值确定观测平面上所选的点的颜色，从而生成三维电磁频谱态势图。

本发明利用计算机硬件提供的功能直接将上述步骤9a)中确定的红色、绿色、蓝色三种基本颜色的数值转化为对应的颜色。

步骤10，观看三维电磁频谱态势图。

10a)将步骤9生成的三维电磁频谱态势图切换为虚拟现实模式：

本发明采用Unity3D设计生成三维电磁频谱态势图，Unity3D中加入了对虚拟现实的支持，运行程序前在操作界面中勾选Virtual Reality Supported即可实现；

10b)佩戴虚拟现实头戴式显示设备观看三维电磁频谱态势图。

虚拟现实头戴式显示设备又称VR头显，是用于观看虚拟场景的设备，目前市面上有很多厂家已经开始生产这种设备，该设备可以将人对外界的视觉、听觉封闭起来，引导用户产生一种身在虚拟场景中的感觉。其负责成像的主要结构为透镜和屏幕，透镜在眼前2-3cm处，屏幕距透镜3-6cm，屏幕上的画面在透镜的作用下，可以在距离眼睛25-50cm处形成虚拟的景象，佩戴VR头显观看时所看到的就是这个虚拟的景象。VR头显内置有陀螺仪，可以感应到头部的动作，当头部旋转时将改变自己观看虚拟景象的角度。佩戴VR头显可以使虚拟的景象有立体感，其原理是利用左眼与右眼看到的图像有微小的差异，这种有差异的图像经过大脑的融合，就会产生有立体视觉效果的图像。

本发明中，观测者需要佩戴虚拟现实头戴式显示设备观看三维电磁频谱态势图，观看时只要把该设备连接到电脑上，然后将电脑上所生成的三维电磁频谱态势图输出到该设备的屏幕上，观测者就可以看到有立体视觉效果的电磁频谱态势图。