專利名稱：重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成三維可視地形的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及計算機視覺領域中，三維數(shù)據(jù)場重建與可視化技術，更具體地說，本發(fā) 明涉及利用三坐標雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行三維地形重建，可視化顯示三維地理圖形的方法。
背景技術：
利用三坐標雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行三維地形的重建與可視化，可獲得對雷達掃描場 景直觀生動的描述與顯示。利用該項技術，可有效支持軍事和民用領域中的地形感知與告 警系統(tǒng)、障礙物檢測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的雷達顯示系統(tǒng)只能向作戰(zhàn)人員提供二維圖像，很難直觀的反應地形和目標 的信息。在現(xiàn)代和未來作戰(zhàn)需求中，各種偵察雷達將會產生大量的即時數(shù)據(jù)，如果缺乏對這 些數(shù)據(jù)的實時處理能力和有效分析與表達、顯示的手段，很有可能在競爭和對抗中處于被 動地位。為了適應今后高技術戰(zhàn)爭中對雷達顯示系統(tǒng)的需求，應研究利用三維動態(tài)可視化 仿真技術，場景建模技術和圖形圖象處理技術，開發(fā)出關于某一特定的戰(zhàn)場地形區(qū)域的真 實全面的虛擬戰(zhàn)場地形環(huán)境系統(tǒng)，以三維顯示方式(距離、方位、高度或俯仰角)表達三坐 標雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并結合三維雷達終端顯示器，對作戰(zhàn)環(huán)境進行仿真或重建，達到逼真的 顯示效果，使指揮人員有身臨其境的體驗。近年來，地表模型在雷達系統(tǒng)仿真中有著廣泛而重要的應用，三維地形建模及其 可視化技術是一個極富挑戰(zhàn)性的課題。三維地形建模及其可視化技術是指在計算機上對采 集到的地形數(shù)據(jù)進行逼真的三維顯示、模擬仿真、簡化、多分辨率表達和網(wǎng)絡傳輸?shù)葍热莸?一種技術，它可用直觀、可視、形象、多視角、多層次的方法，快速逼真的模擬出三維地形的 二維圖像，使地形模型和用戶有很好的交互性。在三維地形建模過程中，需要解決雷達探測模型和地理環(huán)境模型，排除雷達掃描 過程中產生的噪聲和壞點；需要建立雷達對地形離散捕獲點的坐標，到對應的真實三維坐 標的對應；需要完成地形濾波，生成光滑自然的地表；仿真過程必須用計算機圖形學的知 識進行二維到三維的轉化。目前主要使用二維點陣表達三坐標雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，尚未見到對三坐標雷達系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)進行三維地形的重建與可視化技術的公開報道。與二維方式相比，三維的表達方式 更加直觀與生動，更有利于對地形的感知和判斷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是提出一種對系統(tǒng)資源的要求較低，可排除雷達噪聲和壞點，能夠 顯著提高三坐標雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)表達能力，能夠將雷達離散數(shù)據(jù)生成連續(xù)逼真的三維地形場 景，實時重建與顯示雷達掃描得到的三維地形數(shù)據(jù)，并具有較高的顯示效率和逼真的顯示 效果，能適合于性能較低機器上，實時渲染大型室外場景的三維重建與可視化三維地形的 方法。本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到。本發(fā)明提出一種重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法，包括如下步驟(1)根據(jù)三坐標雷達掃描區(qū)域的大小和分辨力構建三維網(wǎng)格模型，初始化雷達掃 描數(shù)據(jù)，生成預定高度面；(2)在對三維地形數(shù)據(jù)生成之前，進行區(qū)域統(tǒng)計濾噪，去除雷達系統(tǒng)的噪聲及壞 點，然后建立地面數(shù)據(jù)類型，分離非地面數(shù)據(jù)；(3)用有約束的自適應分形擴展方法進行空數(shù)據(jù)的插補，生成連續(xù)的三維地形數(shù) 據(jù)，并控制生成地形的大致形狀；(4)用六自由度體元方式計算三維地形數(shù)據(jù)，生成不同視角下的地形輪廓線；通 過加載分形方式的混合紋理貼圖完成地面紋理映射，并通過亮度_高度-梯度漸變的方式 完成地形輪廓線的渲染，生成三維可視化地形圖像。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術具有如下有益效果。本發(fā)明構建的三維網(wǎng)格模型，將雷達離散數(shù)據(jù)在計算機中用真實的空間位置和三 維地形環(huán)境實體，客觀地還原顯示出來，實現(xiàn)了地形空間實體與屬性數(shù)據(jù)的一一對應?？梢?對其進行任意的變換，放大，縮小，旋轉，變形，移位，疊加等，并保持圖形的空間拓撲關系不變。本發(fā)明采用的雷達三維數(shù)據(jù)重建與體元技術，充分利用了計算機圖形學與圖像處 理在三維數(shù)據(jù)底層顯示的優(yōu)勢，能實時的重建與顯示障礙物探測雷達掃描得到的三維地形 數(shù)據(jù)。由于體元技術的優(yōu)勢在于渲染的時候與場景大小沒有關系，并且自帶裁剪功能，不會 渲染多余的東西，因此，算法復雜度只和視野與顯示分辨率有關，并且可以在不使用硬件加 速的情況下達到比較理想的顯示速度。可應用于低性能的計算機，具有良好的用戶界面和 形象逼真的動態(tài)地形顯示效果。本發(fā)明通過區(qū)域統(tǒng)計特征過濾噪聲，可排除雷達掃描過程中產生的噪聲和壞點； 采用有約束的自適應分形擴展方法進行空數(shù)據(jù)的插補，可針對雷達的離散數(shù)據(jù)產生連續(xù)逼 真的三維地形；使用六自由度體元方式、地表蒙皮和亮度-高度-梯度漸變的方式可完成地 形數(shù)據(jù)的實時渲染，且對系統(tǒng)資源的要求較低，從而生成連續(xù)逼真的三維地形場景。實驗結 果表明，本發(fā)明具有較高的重建精度和較強的場景適應能力。


為了更清楚地理解本發(fā)明，現(xiàn)將通過本發(fā)明實施方式，同時參照附圖，來描述本發(fā) 明，其中圖1是利用三坐標雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行三維地形的重建與可視化流程圖。圖2是本發(fā)明的三維網(wǎng)格模型初始化流程圖。圖3是用于生成連續(xù)的三維地形網(wǎng)格的三維地形數(shù)據(jù)生成流程圖。圖4是本發(fā)明計算地形輪廓線的流程圖。圖5是使用雙線性插值的方法求取地面輪廓線上采樣點的地面高度示意圖。圖6是本發(fā)明的地面紋理映射流程圖。
具體實施例方式參閱圖1。在圖1描述的對三坐標雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行三維地形的重建與可視化流程中，在輸入三坐標雷達掃描數(shù)據(jù)時，由步驟Sl將三坐標雷達系統(tǒng)掃描的待處理數(shù)據(jù) 讀入計算機內存，計算機根據(jù)三坐標雷達掃描區(qū)域的大小和分辨力構建三維網(wǎng)格模型，即 以雷達掃描區(qū)域在方位角上的掃描單元個數(shù)為行維數(shù)，以距離單元的個數(shù)為列維數(shù)建立矩 陣，初始化矩陣中的網(wǎng)格節(jié)點為零，并根據(jù)三坐標雷達掃描數(shù)據(jù)初始化三維網(wǎng)格模型，生成 預定高度面。在S2步驟計算機統(tǒng)計每個雷達回波點的五個像素范圍的區(qū)域內雷達回波點 的個數(shù)，若該雷達回波點周圍沒有其他回波點，則認為該回波點為噪聲，把該點的數(shù)據(jù)刪 除。在對三維地形數(shù)據(jù)生成之前，首先應當對數(shù)據(jù)進行檢驗，根據(jù)回波點周圍點的統(tǒng)計特征 判斷該回波點是否雷達噪聲，并剔除錯誤的點和高程異常的點，如特別低的點或特別高的 點。然后建立地面數(shù)據(jù)類型，分離非地面數(shù)據(jù)。三維地形數(shù)據(jù)的生成可以用步驟S3中有約 束的自適應分形擴展方法進行空數(shù)據(jù)的插補，生成連續(xù)逼真的三維地形數(shù)據(jù)，并在一定程 度上控制生成地形的大致形狀。有約束的自適應分形擴展方法是利用已有的雷達回波點作 為控制點，采用分形的教科書中介紹的隨機中點位移的方法生成控制點間其他數(shù)據(jù)的插值 方法。在計算地形輪廓線時，可以利用步驟S4中采用的六自由度體元方式計算地形數(shù)據(jù)， 形成不同視角下的地形輪廓線。在生成地表蒙皮時，可以通過步驟S5加載自定義的混合紋 理貼圖方式完成地表紋理映射，生成地形的三維紋理。并通過亮度_高度-梯度漸變的方 式完成地形輪廓線的渲染，以生成最終的三維地形圖像，輸出地形重建結果。最后通過計算 機模擬實驗對整個算法的過程予以驗證，并在模型的基礎上進行計算機可視化仿真。整個 流程用計算機軟件方式自動實現(xiàn)。具體實現(xiàn)步驟可以由圖2 圖6所示的流程圖來達到。圖1所示的整個流程完成了利用三坐標雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行三維地形重建與可 視化的過程。在圖2描述的初始化三維網(wǎng)格模型中，步驟Sll將雷達系統(tǒng)掃描的離散數(shù)據(jù)讀入 計算機，建立雷達數(shù)據(jù)鏈表的數(shù)據(jù)結構，每個鏈表單元包括每個雷達回波的方位角、俯仰 角、距離。在步驟S12中，根據(jù)雷達的最大掃描距離和距離分辨力，算出三維網(wǎng)格模型的高 度，即行數(shù)。在步驟S13中，根據(jù)雷達掃描空域的最大方位角范圍和角度分辨力，算出三維 網(wǎng)格模型的寬度和列數(shù)。在步驟S14中，根據(jù)上述行列數(shù)初始化三維網(wǎng)格模型，把每個網(wǎng)格 單元的值賦為零。在步驟S15中，根據(jù)雷達數(shù)據(jù)鏈表節(jié)點中的雷達數(shù)據(jù)，分別根據(jù)下述公式 ⑴(2) (3)式算出每個雷達回波點的行數(shù)、列數(shù)和高度。在步驟S16中，將每個雷達回波點， 根據(jù)上述行數(shù)和列數(shù)依次填入三維網(wǎng)格模型，填入的值為在步驟S15中計算出的回波點的 高度，生成預定高度面。column = ceil(distance^cos(pitch)*sin(azimuth)) (1)row = ceil (distance*cos(pitch)*cos(azimuth))(2)height = ceil (distance*sin(pitch))(3)其中，dis tan ce為雷達回波點的距離，pitch為雷達回波點的俯仰角，azimuth 為雷達回波點的方位角。區(qū)域統(tǒng)計濾噪?yún)^(qū)域統(tǒng)計濾噪可以通過圖1所示的步驟S2，對每個回波數(shù)據(jù)進行檢驗，根據(jù)回波 點周圍點的統(tǒng)計特征判斷該回波點是否雷達噪聲定義10像素為檢測寬度，在該檢測寬度 內，若回波點的八鄰域范圍內沒有其他回波點，則認為該點是雷達產生的噪聲。隨后剔除錯 誤的點和高程異常的點，包括特別低的點或特別高的點，判斷方法為最高點和次高點的比值不大于高度比門限，高度比門限取3。然后建立地面數(shù)據(jù)類型，分離非地面數(shù)據(jù)；三維地形數(shù)據(jù)生成在圖3所示的三維地形數(shù)據(jù)生成的流程中，可以將在步驟S31生成偽隨機數(shù)序列， 作為分形算法的參數(shù)。在步驟S32中對于完成濾噪后的三維數(shù)據(jù)場中的每個非雷達回波的 網(wǎng)格點，利用五像素區(qū)域內的雷達回波點作為控制點，使用分形的相關教科書中介紹的隨 機中點位移法生成分形高度。在步驟S33中對地形數(shù)據(jù)進行三維采樣處理，將三維數(shù)據(jù)場 降樣到顯示系統(tǒng)所能處理的合適大小。合適大小的定義為三維場景的渲染速度為25幀/ 秒以上。在步驟S34中對采樣后的三維數(shù)據(jù)場進行地形平滑處理，平滑的模板選擇

平滑過程以不改變回波點數(shù)據(jù)為準則。在步驟S35中對地形進行消峰處理，降低 分形擴展中產生的尖峰。削尖峰的方法為對每個網(wǎng)格點，判斷其與周圍八鄰域像素的均值 的比值，若比值大于1. 5，則將其值修改為1. 2倍的值。計算地形輪廓線在圖4所示的計算地形輪廓線的流程圖中，在步驟S41將地形高度映射到
之間；映射方法為
⑷ 其中，Sk為待映射點的高度值，Sfflax為雷達所能掃描到的最大高度值，St為映射后 點的高度值。 在步驟S42中，可以根據(jù)視點位置、觀察方向和觀察視角以及目標距離，依據(jù)三角 公式計算出每條地形輪廓線的兩個端點位置，可以最多計算250條；X1 = x0+d*cos (a-Fov)(5)Y1 = y0+d*sin (a-Fov)(6)x2 = x0+d*cos (a+Fov)(7)y2 = y0+d*sin (a+Fov)(8)上式中，Xl和yi表示當前地形輪廓線左端點的坐標；x2和y2表示當前地形輪廓線 右端點的坐標；Xtl和％表示視點的當前坐標；d表示當前輪廓線的距離；&表示當前的觀察 方向；Fov表示單側的觀察視角，取值為45度。在步驟S43中對于每條計算出的地形輪廓線的兩個端點位置，可以開始計算地形 輪廓線上其余點的坐標。首先從離視點最近的地形輪廓線開始，設實際的屏幕顯示像素寬 度為Ws。rem，接下來把這條地形輪廓線按等分取W個點，這些點就是繪制時用的采樣點。然 后依次求取出每個采樣點的地面高度。在求這些采樣點上的地面高度時，可使用如圖5所 示的雙線性插值方法。在圖5中，對于輪廓線上的每一個點N的插值結果N(X，y)，由四個位于相鄰整數(shù) 值坐標點的原始值來得到。如，按照圖中所示雙線性插值，此處的地面高度應該是H(x,y) = (H(xa, ya) X (1 -xb) +H(xa+ l,ya)Xxb)X(l-yb) +(H(xa, ya+l) X (l_xb) +H(xa+l，ya+l) X xb) X yb(9)
其中χ = xa+xb, y = ya+yb, xa和ya是χ和y的整數(shù)部分，xb和yb是χ和y的小數(shù) 部分。在步驟S44中，可以對于不同的目標距離，重復步驟S42、步驟S43，直到生成所有 可視范圍內的地形輪廓線。在步驟S45，可以將求出的地面高度按輪廓線到視點的距離依次進行坐標投影變 換，最后得到該點對屏幕投影產生的縱坐標值；y = ((H(x，y)_Hy) X250XWscreen/line_index)+line_indexX (Hscreen/2)/250(10)上式中，Hy是視點的高度，Wscreen是屏幕的水平方向分辨率，Hscreen是屏幕的垂直方 向分辨率，line_index是輪廓線的序號。在步驟S46，采用六自由度體素描述方法，使用光線跟蹤方法來求出每一個點的高 度在屏幕上的投影位置。其中，X，Y，Z是三自由度分別為在三維地形數(shù)據(jù)場中移動得到； 第四個自由度為繞Z軸旋轉的自由度，可以通過修改步驟S42中的觀察方向得到。俯仰方 向上的自由度可以通過對離視點方向的三維數(shù)據(jù)的抬升/降低得到。離視點越遠，則抬升 /下降的值越小，如式(10)所示。橫滾方向上的自由度可以通過對地形數(shù)據(jù)整體的旋轉得 到。地面紋理映射在圖6所示的地面紋理映射的流程圖中，首先可以在步驟S51中，進行混合紋理計 算，通過隨機中點位移法來產生初步的分形紋理圖像并，依照地形高度的的差異分配不同 比例的紋理；在步驟S52中，可以根據(jù)地形坡度進行紋理層的疊加，如果該點的坡度值大于門 限，一般可以取20-50，則將紋理貼圖重復貼至地形場景上。在步驟S53，加入光照效果，生成最終的混合紋理貼圖，并轉換為二進制文件；在步驟S54，加載生成的紋理圖像，并將紋理坐標映射到對應三維地形坐標，完成 紋理映射。渲染地形輪廓線在步驟S61，依照地形高度的的差異，給地形輪廓線分配不同的顏色；在步驟S62，地形輪廓線間采用顏色插值的方式產生亮度過渡色。具體方法為在 顯示一條地形輪廓線時，除了會記錄該列的最高縱坐標值外，還要記錄產生最高縱坐標值 的那一點的亮度值。這樣當繪制從第二條開始的地形輪廓線時，一旦發(fā)現(xiàn)當前采樣點的縱 坐標值超過了該列的最高縱坐標值，就按照從記錄中最高縱坐標值對應的亮度值到當前采 樣點的亮度的順序畫一條亮度漸變的短豎線。這條豎線的起點就是記錄中的最高縱坐標 值，終點是當前采樣點的縱坐標值。然后把該列的最高縱坐標值置為當前采樣點的縱坐標 值，并記錄下最后的亮度值，即當前采樣點的亮度值。全部過程完成后，將圖像輸出至顯示 設備，即完成了三維地形的可視化過程。
權利要求
一種重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法，包括如下步驟(1)根據(jù)三坐標雷達掃描區(qū)域的大小和分辨力構建三維網(wǎng)格模型，初始化雷達掃描數(shù)據(jù)，生成預定高度面；(2)在對三維地形數(shù)據(jù)生成之前，進行區(qū)域統(tǒng)計濾噪，去除雷達系統(tǒng)的噪聲及壞點，然后建立地面數(shù)據(jù)類型，分離非地面數(shù)據(jù)；(3)用有約束的自適應分形擴展方法進行空數(shù)據(jù)的插補，生成連續(xù)的三維地形數(shù)據(jù)，并控制生成地形的大致形狀；(4)用六自由度體元方式計算三維地形數(shù)據(jù)，生成不同視角下的地形輪廓線；通過加載分形方式的混合紋理貼圖完成地面紋理映射，并通過亮度-高度-梯度漸變的方式完成地形輪廓線的渲染，生成三維可視化地形圖像。
2.如權利要求1所述的重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法，其特征在于， 對采樣后的三維網(wǎng)格模型進行地形平滑處理，平滑過程以不改變回波點數(shù)據(jù)為準則；對地 形進行消峰處理，降低分形擴展中產生的尖峰。
3.如權利要求1所述的重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法，其特征在于， 所述的三維地形數(shù)據(jù)生成，是將生成偽隨機數(shù)序列，作為分形算法的參數(shù)；對于完成濾噪后 的三維網(wǎng)格模型中的每個非雷達回波的網(wǎng)格點，利用五像素區(qū)域內的雷達回波點作為控制 點，使用中點位移法生成分形高度；對地形數(shù)據(jù)進行三維采樣處理，將三維網(wǎng)格模型降樣到 顯示系統(tǒng)所能處理的合適大小，合適大小的定義為三維場景的渲染速度為25幀/秒以上。
4.如權利要求1所述的重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法，其特征在于， 所述的地形輪廓線，其計算是將地形高度映射到
之間；根據(jù)視點位置、觀察方向和 觀察夾角以及目標距離，依據(jù)三角公式計算出每條地形輪廓線的兩個端點位置；使用雙線 性插值的方法求取出輪廓線每個采樣點上的地面高度。
5.如權利要求1所述的重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法，其特征在于， 對于不同的目標距離，直到生成所有可視范圍內的地形輪廓線；將求出的地面高度按線段 到視點的距離進行坐標變換，最后得到該點對屏幕投影產生的縱坐標值。
6.如權利要求1所述的重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法其特征在于，所 述的六自由度體元方式，是用光線跟蹤方法來求出每一個點的高度在屏幕上的投影位置， 其中，(X，Y，Z)三自由度分別為在三維地形數(shù)據(jù)場中移動得到；第四個自由度為繞Z軸旋轉 的自由度，俯仰方向上的自由度通過對離視點方向的三維數(shù)據(jù)的抬升/降低得到，離視點 越遠，則抬升/下降的值越??；橫滾方向上的自由度通過對地形數(shù)據(jù)的投影旋轉得到。
7.如權利要求1所述的重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法，其特征在于， 所述的地表紋理映射是在進行混合紋理計算時，依照地形高度的的差異，而分配不同比例 的紋理；根據(jù)地形坡度進行紋理層的疊加；加入光照效果，生成最終的混合紋理貼圖，并轉 換為二進制文件；加載生成的紋理圖像，并將紋理坐標映射到對應三維地形坐標，完成紋理 映射。
8.如權利要求1所述的重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法，其特征在于， 所述的渲染地形輪廓線是依照地形高度的差異，給地形輪廓線分配不同的顏色；地形輪廓 線間采用顏色插值的方式產生灰度過渡色。
全文摘要
本發(fā)明提出一種重建雷達掃描數(shù)據(jù)生成可視化三維地形的方法，利用該方法，可實時的重建與顯示三坐標雷達掃描得到的三維地形數(shù)據(jù)。本發(fā)明主要通過下述技術方案予以實現(xiàn)根據(jù)三坐標雷達掃描區(qū)域的大小和分辨力構建三維網(wǎng)格模型，并根據(jù)雷達掃描數(shù)據(jù)初始化，生成預定高度面；進行區(qū)域統(tǒng)計濾噪，去除雷達系統(tǒng)的噪聲及壞點；使用有約束的自適應分形擴展方法進行空數(shù)據(jù)的插補，生成連續(xù)逼真的三維地形數(shù)據(jù)，并可在一定程度上控制生成地形的大致形狀；利用六自由度體元方式計算地形數(shù)據(jù)，形成不同視角下的地形輪廓線；通過加載分形方式的混合紋理貼圖完成地面紋理映射，并通過亮度-高度-梯度漸變的方式完成地形輪廓線的渲染，以生成最終的三維地形圖像。
文檔編號G01S13/89GK101881830SQ20101012403
公開日2010年11月10日 申請日期2010年3月15日 優(yōu)先權日2010年3月15日
發(fā)明者俞鴻波 申請人:中國電子科技集團公司第十研究所