CN101881830B - 重建雷达扫描数据生成三维可视地形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法，利用该方法，可实时的重建与显示三坐标雷达扫描得到的三维地形数据。本发明主要通过下述技术方案予以实现：根据三坐标雷达扫描区域的大小和分辨力构建三维网格模型，并根据雷达扫描数据初始化，生成预定高度面；进行区域统计滤噪，去除雷达***的噪声及坏点；使用有约束的自适应分形扩展方法进行空数据的插补，生成连续逼真的三维地形数据，并可在一定程度上控制生成地形的大致形状；利用六自由度体元方式计算地形数据，形成不同视角下的地形轮廓线；通过加载分形方式的混合纹理贴图完成地面纹理映射，并通过亮度-高度-梯度渐变的方式完成地形轮廓线的渲染，以生成最终的三维地形图像。

Description

重建雷达扫描数据生成三维可视地形的方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉领域中，三维数据场重建与可视化技术，更具体地说，本发明涉及利用三坐标雷达***数据进行三维地形重建，可视化显示三维地理图形的方法。

背景技术

利用三坐标雷达***的数据进行三维地形的重建与可视化，可获得对雷达扫描场景直观生动的描述与显示。利用该项技术，可有效支持军事和民用领域中的地形感知与告警***、障碍物检测***。

传统的雷达显示***只能向作战人员提供二维图像，很难直观的反应地形和目标的信息。在现代和未来作战需求中，各种侦察雷达将会产生大量的即时数据，如果缺乏对这些数据的实时处理能力和有效分析与表达、显示的手段，很有可能在竞争和对抗中处于被动地位。为了适应今后高技术战争中对雷达显示***的需求，应研究利用三维动态可视化仿真技术，场景建模技术和图形图象处理技术，开发出关于某一特定的战场地形区域的真实全面的虚拟战场地形环境***，以三维显示方式(距离、方位、高度或俯仰角)表达三坐标雷达***的数据，并结合三维雷达终端显示器，对作战环境进行仿真或重建，达到逼真的显示效果，使指挥人员有身临其境的体验。

近年来，地表模型在雷达***仿真中有着广泛而重要的应用，三维地形建模及其可视化技术是一个极富挑战性的课题。三维地形建模及其可视化技术是指在计算机上对采集到的地形数据进行逼真的三维显示、模拟仿真、简化、多分辨率表达和网络传输等内容的一种技术，它可用直观、可视、形象、多视角、多层次的方法，快速逼真的模拟出三维地形的二维图像，使地形模型和用户有很好的交互性。

在三维地形建模过程中，需要解决雷达探测模型和地理环境模型，排除雷达扫描过程中产生的噪声和坏点；需要建立雷达对地形离散捕获点的坐标，到对应的真实三维坐标的对应；需要完成地形滤波，生成光滑自然的地表；仿真过程必须用计算机图形学的知识进行二维到三维的转化。

目前主要使用二维点阵表达三坐标雷达***的数据，尚未见到对三坐标雷达***的数据进行三维地形的重建与可视化技术的公开报道。与二维方式相比，三维的表达方式更加直观与生动，更有利于对地形的感知和判断。

发明内容

本发明的任务是提出一种对***资源的要求较低，可排除雷达噪声和坏点，能够显著提高三坐标雷达***数据表达能力，能够将雷达离散数据生成连续逼真的三维地形场景，实时重建与显示雷达扫描得到的三维地形数据，并具有较高的显示效率和逼真的显示效果，能适合于性能较低机器上，实时渲染大型室外场景的三维重建与可视化三维地形的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。本发明提出一种重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法，包括如下步骤：

(1)根据三坐标雷达扫描区域的大小和分辨力构建三维网格模型，初始化雷达扫描数据，生成预定高度面；

(2)在进行三维地形数据生成之前，进行区域统计滤噪，去除雷达***的噪声及坏点，然后建立地面数据类型，分离非地面数据；

(3)用有约束的自适应分形扩展方法进行空数据的插补，生成连续的三维地形数据，并控制生成地形的大致形状；

(4)用六自由度体元方式计算三维地形数据，生成不同视角下的地形轮廓线；通过加载分形方式的混合纹理贴图完成地面纹理映射，并通过亮度-高度-梯度渐变的方式完成地形轮廓线的渲染，生成三维可视化地形图像。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明构建的三维网格模型，将雷达离散数据在计算机中用真实的空间位置和三维地形环境实体，客观地还原显示出来，实现了地形空间实体与属性数据的一一对应。可以对其进行任意的变换，放大，缩小，旋转，变形，移位，叠加等，并保持图形的空间拓扑关系不变。

本发明采用的雷达三维数据重建与体元技术，充分利用了计算机图形学与图像处理在三维数据底层显示的优势，能实时的重建与显示障碍物探测雷达扫描得到的三维地形数据。由于体元技术的优势在于渲染的时候与场景大小没有关系，并且自带裁剪功能，不会渲染多余的东西，因此，算法复杂度只和视野与显示分辨率有关，并且可以在不使用硬件加速的情况下达到比较理想的显示速度。可应用于低性能的计算机，具有良好的用户界面和形象逼真的动态地形显示效果。

本发明通过区域统计特征过滤噪声，可排除雷达扫描过程中产生的噪声和坏点；采用有约束的自适应分形扩展方法进行空数据的插补，可针对雷达的离散数据产生连续逼真的三维地形；使用六自由度体元方式、地表蒙皮和亮度-高度-梯度渐变的方式可完成地形数据的实时渲染，且对***资源的要求较低，从而生成连续逼真的三维地形场景。实验结果表明，本发明具有较高的重建精度和较强的场景适应能力。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施方式，同时参照附图，来描述本发明，其中：

图1是利用三坐标雷达***的数据进行三维地形的重建与可视化流程图。

图2是本发明的三维网格模型初始化流程图。

图3是用于生成连续的三维地形网格的三维地形数据生成流程图。

图4是本发明计算地形轮廓线的流程图。

图5是使用双线性插值的方法求取地面轮廓线上采样点的地面高度示意图。

图6是本发明的地面纹理映射流程图。

具体实施方式

参阅图1。在图1描述的对三坐标雷达***的数据进行三维地形的重建与可视化流程中，在输入三坐标雷达扫描数据时，由步骤S1将三坐标雷达***扫描的待处理数据读入计算机内存，计算机根据三坐标雷达扫描区域的大小和分辨力构建三维网格模型，即以雷达扫描区域在方位角上的扫描单元个数为行维数，以距离单元的个数为列维数建立矩阵，初始化矩阵中的网格节点为零，并根据三坐标雷达扫描数据初始化三维网格模型，生成预定高度面。在S2步骤计算机统计每个雷达回波点的五个像素范围的区域内雷达回波点的个数，若该雷达回波点周围没有其他回波点，则认为该回波点为噪声，把该点的数据删除。在对三维地形数据生成之前，首先应当对数据进行检验，根据回波点周围点的统计特征判断该回波点是否雷达噪声，并剔除错误的点和高程异常的点，如特别低的点或特别高的点。然后建立地面数据类型，分离非地面数据。三维地形数据的生成可以用步骤S3中有约束的自适应分形扩展方法进行空数据的插补，生成连续逼真的三维地形数据，并在一定程度上控制生成地形的大致形状。有约束的自适应分形扩展方法是利用已有的雷达回波点作为控制点，采用分形的教科书中介绍的随机中点位移的方法生成控制点间其他数据的插值方法。在计算地形轮廓线时，可以利用步骤S4中采用的六自由度体元方式计算地形数据，形成不同视角下的地形轮廓线。在生成地表蒙皮时，可以通过步骤S5加载自定义的混合纹理贴图方式完成地表纹理映射，生成地形的三维纹理。并通过亮度-高度-梯度渐变的方式完成地形轮廓线的渲染，以生成最终的三维地形图像，输出地形重建结果。最后通过计算机模拟实验对整个算法的过程予以验证，并在模型的基础上进行计算机可视化仿真。整个流程用计算机软件方式自动实现。具体实现步骤可以由图2～图6所示的流程图来达到。

图1所示的整个流程完成了利用三坐标雷达***的数据进行三维地形重建与可视化的过程。

在图2描述的初始化三维网格模型中，步骤S11将雷达***扫描的离散数据读入计算机，建立雷达数据链表的数据结构，每个链表单元包括每个雷达回波的方位角、俯仰角、距离。在步骤S12中，根据雷达的最大扫描距离和距离分辨力，算出三维网格模型的高度，即行数。在步骤S13中，根据雷达扫描空域的最大方位角范围和角度分辨力，算出三维网格模型的宽度和列数。在步骤S14中，根据上述行列数初始化三维网格模型，把每个网格单元的值赋为零。在步骤S15中，根据雷达数据链表节点中的雷达数据，分别根据下述公式(1)(2)(3)式算出每个雷达回波点的行数、列数和高度。在步骤S16中，将每个雷达回波点，根据上述行数和列数依次填入三维网格模型，填入的值为在步骤S15中计算出的回波点的高度，生成预定高度面。

column＝ceil(distance*cos(pitch)*sin(azimuth))(1)

row＝ceil(distance*cos(pitch)cos(azimuth))(2)

height＝ceil(distance*sin(pitch))(3)

其中，distance为雷达回波点的距离，pitch为雷达回波点的俯仰角，azimuth为雷达回波点的方位角。

区域统计滤噪

区域统计滤噪可以通过图1所示的步骤S2，对每个回波数据进行检验，根据回波点周围点的统计特征判断该回波点是否雷达噪声：定义10像素为检测宽度，在该检测宽度内，若回波点的八邻域范围内没有其他回波点，则认为该点是雷达产生的噪声。随后剔除错误的点和高程异常的点，包括特别低的点或特别高的点，判断方法为最高点和次高点的比值不大于高度比门限，高度比门限取3。然后建立地面数据类型，分离非地面数据；

三维地形数据生成

在图3所示的三维地形数据生成的流程中，可以将在步骤S31生成伪随机数序列，作为分形算法的参数。在步骤S32中对于完成滤噪后的三维数据场中的每个非雷达回波的网格点，利用五像素区域内的雷达回波点作为控制点，使用分形的相关教科书中介绍的随机中点位移法生成分形高度。在步骤S33中对地形数据进行三维采样处理，将三维数据场降样到显示***所能处理的合适大小。合适大小的定义为三维场景的渲染速度为25帧/秒以上。在步骤S34中对采样后的三维数据场进行地形平滑处理，平滑的模板选择

$\frac{1}{10}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& 2& 1\\ 1& 1& 1\end{array}\right].$

平滑过程以不改变回波点数据为准则。在步骤S35中对地形进行消峰处理，降低分形扩展中产生的尖峰。削尖峰的方法为：对每个网格点，判断其与周围八邻域像素的均值的比值，若比值大于1.5，则将其值修改为1.2倍的值。

计算地形轮廓线

在图4所示的计算地形轮廓线的流程图中，在步骤S41将地形高度映射到[0，255]之间；映射方法为：

$S_T=\frac{S_R*255}{S_{\max }}---\left(4\right)$

其中，S_R为待映射点的高度值，S_max为雷达所能扫描到的最大高度值，S_T为映射后点的高度值。

在步骤S42中，可以根据视点位置、观察方向和观察视角以及目标距离，依据三角公式计算出每条地形轮廓线的两个端点位置，可以最多计算250条；

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，x₁和y₁表示当前地形轮廓线左端点的坐标；x₂和y₂表示当前地形轮廓线右端点的坐标；x₀和y₀表示视点的当前坐标；d表示当前轮廓线的距离；a表示当前的观察方向；Fov表示单侧的观察视角，取值为45度。

在步骤S43中对于每条计算出的地形轮廓线的两个端点位置，可以开始计算地形轮廓线上其余点的坐标。首先从离视点最近的地形轮廓线开始，设实际的屏幕显示像素宽度为W_screen，接下来把这条地形轮廓线按等分取W个点，这些点就是绘制时用的采样点。然后依次求取出每个采样点的地面高度。在求这些采样点上的地面高度时，可使用如图5所示的双线性插值方法。

在图5中，对于轮廓线上的每一个点N的插值结果N(x，y)，由四个位于相邻整数值坐标点的原始值来得到。如，按照图中所示双线性插值，此处的地面高度应该是：

H(x，y)＝(H(x_a，y_a)×(1-x_b)+H(x_a+1，y_a)×x_b)×(1-y_b)+

(H(x_a，y_a+1)×(1-x_b)+H(x_a+1，y_a+1)×x_b)×y_b    (9)

其中x＝x_a+x_b，y＝y_a+y_b，x_a和y_a是x和y的整数部分，x_b和y_b是x和y的小数部分。

在步骤S44中，可以对于不同的目标距离，重复步骤S42、步骤S43，直到生成所有可视范围内的地形轮廓线。

在步骤S45，可以将求出的地面高度按轮廓线到视点的距离依次进行坐标投影变换，最后得到该点对屏幕投影产生的纵坐标值；

y＝((H(x，y)-H_y)×250×W_screen/line_index)

+line_index×(H_screen/2)/250(10)

上式中，H_y是视点的高度，W_screen是屏幕的水平方向分辨率，H_screen是屏幕的垂直方向分辨率，line_index是轮廓线的序号。

在步骤S46，采用六自由度体素描述方法，使用光线跟踪方法来求出每一个点的高度在屏幕上的投影位置。其中，X，Y，Z是三自由度分别为在三维地形数据场中移动得到；第四个自由度为绕Z轴旋转的自由度，可以通过修改步骤S42中的观察方向得到。俯仰方向上的自由度可以通过对离视点方向的三维数据的抬升/降低得到。离视点越远，则抬升/下降的值越小，如式(10)所示。横滚方向上的自由度可以通过对地形数据整体的旋转得到。

地面纹理映射

在图6所示的地面纹理映射的流程图中，首先可以在步骤S51中，进行混合纹理计算，通过随机中点位移法来产生初步的分形纹理图像并，依照地形高度的的差异分配不同比例的纹理；

在步骤S52中，可以根据地形坡度进行纹理层的叠加，如果该点的坡度值大于门限，一般可以取20-50，则将纹理贴图重复贴至地形场景上。

在步骤S53，加入光照效果，生成最终的混合纹理贴图，并转换为二进制文件；

在步骤S54，加载生成的纹理图像，并将纹理坐标映射到对应三维地形坐标，完成纹理映射。

渲染地形轮廓线

在步骤S61，依照地形高度的的差异，给地形轮廓线分配不同的颜色；

在步骤S62，地形轮廓线间采用颜色插值的方式产生亮度过渡色。具体方法为：在显示一条地形轮廓线时，除了会记录该列的最高纵坐标值外，还要记录产生最高纵坐标值的那一点的亮度值。这样当绘制从第二条开始的地形轮廓线时，一旦发现当前采样点的纵坐标值超过了该列的最高纵坐标值，就按照从记录中最高纵坐标值对应的亮度值到当前采样点的亮度的顺序画一条亮度渐变的短竖线。这条竖线的起点就是记录中的最高纵坐标值，终点是当前采样点的纵坐标值。然后把该列的最高纵坐标值置为当前采样点的纵坐标值，并记录下最后的亮度值，即当前采样点的亮度值。全部过程完成后，将图像输出至显示设备，即完成了三维地形的可视化过程。

Claims (8)

1.一种重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法，包括如下步骤：

(1)根据三坐标雷达扫描区域的大小和分辨力构建三维网格模型，初始化雷达扫描数据，生成预定高度面；

(2)在进行三维地形数据生成之前，进行区域统计滤噪，去除雷达***的噪声及坏点，然后建立地面数据类型，分离非地面数据；

(3)用有约束的自适应分形扩展方法进行空数据的插补，生成连续的三维地形数据，并控制生成地形的大致形状；

(4)用六自由度体元方式计算三维地形数据，生成不同视角下的地形轮廓线；通过加载分形方式的混合纹理贴图完成地面纹理映射，并通过亮度-高度-梯度渐变的方式完成地形轮廓线的渲染，生成三维可视化地形图像。

2.如权利要求1所述的重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法，其特征在于，对采样后的三维网格模型进行地形平滑处理，平滑过程以不改变回波点数据为准则；对地形进行消峰处理，降低分形扩展中产生的尖峰。

3.如权利要求1所述的重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法，其特征在于，所述的三维地形数据生成，是将生成伪随机数序列，作为分形算法的参数；对于完成滤噪后的三维网格模型中的每个非雷达回波的网格点，利用五像素区域内的雷达回波点作为控制点，使用中点位移法生成分形高度；对地形数据进行三维采样处理，将三维网格模型采样到显示***所能处理的合适大小，合适大小的定义为三维场景的渲染速度为25帧/秒以上。

4.如权利要求1所述的重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法，其特征在于，所述的地形轮廓线，其计算是将地形高度映射到[0，255]之间；根据视点位置、观察方向和观察夹角以及目标距离，依据三角公式计算出每条地形轮廓线的两个端点位置；使用双线性插值的方法求取出轮廓线每个采样点上的地面高度。

5.如权利要求1所述的重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法，其特征在于，对于不同的目标距离，生成所有可视范围内的地形轮廓线；将求出的地面高度按线段到视点的距离进行坐标变换，最后得到地形轮廓线上的点对屏幕投影产生的纵坐标值。

6.如权利要求1所述的重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法其特征在于，所述的六自由度体元方式，是用光线跟踪方法来求出每一个点的高度在屏幕上的投影位置，其中，(X，Y，Z)三自由度分别为在三维地形数据场中移动得到；第四个自由度为绕Z轴旋转的自由度，俯仰方向上的自由度通过对视点方向的三维数据的抬升/降低得到，离视点越远，则抬升/下降的值越小；横滚方向上的自由度通过对地形数据的投影旋转得到。

7.如权利要求1所述的重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法，其特征在于，所述的地面纹理映射是在进行混合纹理计算时，依照地形高度的的差异，而分配不同比例的纹理；根据地形坡度进行纹理层的叠加；加入光照效果，生成最终的混合纹理贴图，并转换为二进制文件；加载生成的纹理图像，并将纹理坐标映射到对应三维地形坐标，完成纹理映射。

8.如权利要求1所述的重建雷达扫描数据生成可视化三维地形的方法，其特征在于，所述的渲染地形轮廓线是依照地形高度的差异，给地形轮廓线分配不同的颜色；地形轮廓线间采用颜色插值的方式产生灰度过渡色。

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