[发明专利]多视点多视角视场显示条件下的大场景虚拟天空建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种视景仿真中的天空建模方法，特别是一种大场景、复杂视点条件下的虚拟天空建模方法。

背景技术

在视景仿真应用中，天空仿真是必不可少的要素。天空背景的真实感对用户来说能大大提高视觉享受和沉浸感。传统的天空建模方法有背景图法、天空盒法以及天空球法。背景图法使用天空图片作为纹理图像充当天空背景，放置在视点的前方，这种方法在相机视点单一，视角固定不变或变化角度很小时（即不超过纹理图像建模可以覆盖的范围）是一种可行的高效方法，经过一定的技术处理还可以实现具有一定动态效果的天空背景。但其对视点角度的严格要求，使应用范围受到很大限制；天空盒法用一个立方体模拟虚拟空间，罩住虚拟场景，在立方体前、后、左、右和顶面共五个面的内侧贴以天空纹理图像。这种方法虽然可以实现视点的多视角观察，但是在立方体面与面交接的棱柱处会不可避免地出现接缝，影响真实感显示。另外，当场景很大时需要的立方体尺寸也很大，此时天空纹理图像将被拉伸到巨大的平面上，图像的马赛克现象严重，往往很难达到真实感的效果；天空球法用一个半球体模拟虚拟空间，罩住虚拟场景，在半球内侧贴以天空纹理图像，这种方式消除了天空盒法的接缝缺陷，但在大场景显示时，除了存在天空盒法同样的问题外，还会因为大的球面面积数据量过大，使场景实时性变差。除此之外，以上三种方法也没有涉及大气垂直分布的视景变化。

在视景仿真中，当需要多个视点以完全不同的视角，在一个大范围内同时观察动态虚拟场景时，天空必须在任意时刻都要罩住所有视点向各自不同方向观察出去的视野背景，这时天空的建模难度将大大提高，现有的天空建模方法无法满足这样的要求。

发明内容

为了克服现有技术仅可以满足基本固定视点和小范围视景仿真需求的不足，本发明提供一种虚拟天空的建模方法，在有限的空间内模拟出各个飞行器的飞行环境场景，有效地实现了多视点、多视角观察以及观测视场的实时三维真实感显示，在水平方向和垂直方向均实现了连贯、平滑的天空背景变换效果，可以满足大场景视景仿真中多视点、多视角观察和视场三维真实感显示的虚拟天空建模要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、复合式天空柱及其他个体对象的三维真实感建模，包括以下内容：

1.对两个飞行器、三个观测设备和两个飞行器停放场进行建模；

2.对复合式天空柱进行建模，建模方法如下：

（1）采用半径为R，高度为H的圆柱体结构模拟飞行器起飞升空阶段飞过的空间环境，柱体底面的圆心位于物体坐标系原点处，纵轴与物体坐标系y轴重合，复合式天空柱的物体坐标系遵循右手螺旋法则，x轴水平向右，y轴垂直向上，z轴垂直向屏幕外；其中，半径R取为飞行器停放场边长的一半，圆柱体的高度等于飞行器距地面最大飞行高度减去R，圆柱体上端使用球半径为R、开口向下的半球体模拟飞行器平稳飞行阶段的空间环境，半球体的开口与圆柱口无缝衔接；圆柱体的纵轴也是复合式天空柱的纵轴，与复合式天空柱的物体坐标系y轴重合；

（2）圆柱体下部H/3处采用淡蓝色背景图像，圆柱体上部H/3处和半球体内采用深蓝色背景图像，圆柱体中部H/3处图像背景颜色在上述两个背景颜色之间过渡；对三个贴图接缝区域的色彩进行融合处理；

步骤二、基于复合式天空柱的虚拟大场景集成，包括以下内容：

将步骤一中构建的两个飞行器、三个观测设备、两个飞行器停放场和两个复合式天空柱的模型放置在世界坐标系中，其中，第一和第二观测设备的位置位于两个飞行器停放场之间的地表，且在两个复合式天空柱包围范围之外；第三观测设备安装于第二飞行器的前端，位于第二复合式天空柱的内部；

步骤三、复合式天空柱及其他运动模型运动规则设置，包括以下内容：

1.两个飞行器的运动轨迹和运动姿态由数字仿真系统生成的数据文件驱动；

2.复合式天空柱按照下述规则运动：

（1）复合式天空柱在X和Z方向的位移由其内部飞行器的位置坐标数据x，z驱动；

（2）复合式天空柱在随其内部飞行器移动的过程中，同时绕自身的纵轴旋转，旋转的速度应保证复合式天空柱的圆柱体边缘上任一点转过的弧线段长度与飞行器的位移相等，旋转方向趋势与飞行器速度方向相反；

步骤四、基于复合式天空柱的各视点设置，包括以下内容：