CN104764937A - 一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁环境的可视化技术领域，公开一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，包含：将散点按x坐标的升序或降序排列及构建第一个三角形，使得这个三角形足够大，以包纳所有的边界点和散点；还包含下列顺序的步骤：采用“向量外积”的方法对采样数据进行Delaunay三角形定位；采用“向量的夹角公式”进行三角形的更新；对三角网进行等值边的搜索、等值点的确定和等值线的追踪，得到等值线图；进行电磁云图渲染，得到电磁环境等级显示图，并采用三次B样条算法进行平滑处理；本发明能够更加准确地把握电磁复杂度变化趋势。具有计算量小、可满足电磁环境实时动态绘制的三角网格剖分及电磁云图的渲染，利于快速分析区域电磁环境。

Description

一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法

技术领域

本发明涉及电磁环境的可视化技术领域，具体涉及一种基于电子地图的电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法。

背景技术

基于电子地图的电磁环境反映一定区域内电磁活动情况，广泛应用于各社会领域，实现电磁环境准确、动态、快速绘制具有重要意义。

等值线常用的绘制方法有矩形网格法和三角形网格法。矩形网格法适用于分布均匀或具有一定规律性的采样数据，有两个主要缺点：一是在网格构建过程中需要通过插值计算出网格点，因此不能保持原始数据精度；二是规则矩形网格模型存在数据冗余，对分布不均匀的采样数据搜索效率低，从而影响了等值线生成的效率。

三角形网格法是用计算几何的方法剖分离散数据点，进行等值点的判断和等值线的追踪，并按照一定原则连成一系列三角形的过程。Delaunay三角网是常用的三角形网格生成方法。具有两个非常重要的性质空外接圆性质和最大最小角性质：空外接圆性质是指在由离散点集形成的Delaunay三角网中，其每个三角形的外接圆均不包含点集中的其他任意点；最大最小角性质是指在由离散点集形成的所有三角网中，Delaunay三角网的最小角度是最大的。这两个性质决定了Delaunay三角网的唯一性和保凸性，是二维平面三角网中性能最好的，具有极大的应用价值。

传统的Delaunay三角网格的逐点***生成算法，基本步骤如下：

1、将散点按x坐标的升序或降序排列；

2、构建第一个三角形，使得这个三角形足够大，以包纳所有的边界点和散点；

3、逐个添加边界点到三角网中，按照逐点***法并结合优化算法进行优化；

4、边界点全部加入后，由于此时三角形还没有跨越边界的现象，只要判断三角形的重心是否落在计算区域之内，删除落在计算区域之外的三角形；

5、逐个添加散点到三角网中。如果散点不在任何一个三角形中，则表明点落在了计算区域之外，应删除此点而不添加到三角网中，每添加一点都要按照优化算法进行优化；

6、按照步骤5实施直到添加完所有的散点，就得到Delaunay三角网格。

上述常规Delaunay三角网生成算法包括两个基本步骤：一是定位，即找到包含新点的三角形；二是更新，即形成新的三角形。传统Delaunay算法要遍历整个三角网，计算每个三角形的外接圆和半径，需要多次执行三角函数、开方、平方、除法等运算，特别是在电磁环境采样数据量大的情况下，计算量非常大。

发明内容

鉴于现有等值线绘制方法的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于电子地图的电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，具有计算量小、可满足电磁环境实时动态绘制的三角网格剖分及电磁云图的渲染。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于电子地图的电磁环境复杂度快速网格剖分显示装置，包括电采集器、处理器和显示器，采集器通过无线或有线网络与处理器相连，处理器输出端通过电缆与显示器相连；所述采集器为电磁环境数据采集器，包括若干个电磁频谱监测固定台站，每个电磁频谱监测固定台站由侦测设备、频谱仪、监测仪、传感器设备组成；所述处理器由电磁频谱数据处理中心和数据库组成，所述显示器为用于将电磁环境数据直观地显示出来的快速网格剖分显示器。

一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，包含：将散点按x坐标的升序或降序排列及构建第一个三角形，使得这个三角形足够大，以包纳所有的边界点和散点；还包含下列顺序的步骤：

(1)采用“向量外积”的方法对采样数据进行Delaunay三角形定位；

(2)采用“向量的夹角公式”进行三角形的更新；

(3)对三角网进行等值边的搜索、等值点的确定和等值线的追踪，得到等值线图；

(4)进行电磁云图渲染，得到电磁环境等级显示图，并采用三次B样条算法进行平滑处理。

一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，所述三角形定位，是采用判断向量外积正负的方法，三角形的三个顶点依次首尾相接构成向量和待添加边界点P与三个顶点依次相连构成向量和计算三个向量外积，若都为正，则点P在三角形内部；否则，点P在向量外积为负的一边外侧。

一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，所述三角形的更新，是采用向量夹角公式判断点与三角形外接圆的位置关系，从而决定是否需要进行三角形的更新。若三角形外接圆内不包含其它顶点，则说明其是一个Delaunay三角网否则，此三角形需要优化更新。

一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，所述等值边的搜索包括：闭合等值线对应等值边系列的搜索和非闭合等值线对应等值边系列的搜索，所有等值边的搜索完毕后，用线性插值方法寻找等值边上的等值点，将等值点有序连接即完成等值线的追踪。

一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，所述平滑处理是对电磁环境等值线进行光滑处理，采用的B样条算法具有保凸性和局部修改性的特点，计算量小，易于实现。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下实施的优越性：

(1)三角剖分中定位和更新时分别采用“向量外积”方法和“向量的夹角公式”方法，与传统Delaunay算法遍历整个三角网相比，大大减少了三角网格绘制的计算量。

(2)电磁环境等级显示图的各级电磁环境分布范围明确，利于快速分析区域电磁环境。

(3)电磁环境插值显示图更加贴合实际，能够更加准确地把握电磁复杂度变化趋势。

附图说明

图1为本发明采集、处理和显示过程原理的方框图；

图2为三角形向量外积和的向量示意图；

图3(a)为点P在△DEF内部三角形中点的定位向量示意图；

图3(b)为点P在△DEF外部三角形中点的定位向量示意图；

图4为本发明三角网的更新的向量示意图；

图5为本发明电磁环境等级显示图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实例对本发明作进一步的说明，附图仅用于示例目的，而不是限制本发明的使用范围。

如图1所示，一种基于电子地图的电磁环境复杂度快速网格剖分显示装置，包括电采集器、处理器和显示器，采集器通过无线或有线网络与处理器相连，处理器输出端通过电缆与显示器相连；所述采集器为电磁环境数据采集器，包括若干个电磁频谱监测固定台站，每个电磁频谱监测固定台站由侦测设备、频谱仪、监测仪、传感器设备组成；所述处理器由电磁频谱数据处理中心和数据库组成，所述显示器为用于将电磁环境数据直观地显示出来的快速网格剖分显示器。

其采集、处理和显示过程的原理框图见图1，首先，由多个电磁频谱监测固定台站对关注区域电磁环境数据进行采集，采集数据应是时间、空间、频率、幅度的多维结构，反应了信号的中心频率、场强、占用带宽、频谱图等，并可初步判断信号的调制方式、业务类型等属性；采集到的数据经由无线或有线网络传输至电磁频谱数据中心(U2)，由于不同监测设备获得的数据格式不尽相同，需要电磁频谱数据中心对异构设备、异时、异地的电磁频谱信息进行融合与交叉分析，并从中分离出信号，同时通过识别、评估、捕获、筛选等方法得到信号的大部分属性，形成一致的、精确的态势信息；电磁频谱数据中心处理之后的数据存储于可靠、稳定的底层数据库(U3)中，并能够综合运用数据仓库管理模式，对整个体系提供数据支撑；最后，采用我们的快速网格剖分显示***(U4)将电磁环境数据直观地显示出来。

一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，包含：将散点按x坐标的升序或降序排列及构建第一个三角形，使得这个三角形足够大，以包纳所有的边界点和散点；还包含下列顺序的步骤：

(1)采用“向量外积”的方法对采样数据进行Delaunay三角形定位。

(2)采用“向量的夹角公式”进行三角网格的更新。

(3)对三角网进行等值点的确定和等值线的追踪，得到等值线图。

(4)得到电磁环境等级显示图，并采用三次B样条算法进行平滑。

改进算法的第1、2步骤与常规算法的1、2步骤相同，从第3步骤进行改进。

一、采用“向量外积”的方法对采样数据进行Delaunay三角网格定位。

对常规算法第3步骤进行改进。

如图2所示，△ABC的三个顶点依次首尾相接，构成向量和点P是需要添加的边界点，三个顶点A、B、C依次和点P相连，构成向量和计算 和的向量外积，如果三个值都为正，则说明点P在△ABC的内部；否则，哪条边计算得到的向量外积为负，则说明点P在该边的外侧。

向量外积为负的方向指明了再次定位的方向，在建立了三角形拓扑关系的三角网中，采用此方法可将点P快速定位到其所在的三角形中。实例如附图3所示，已加入三角网的六个节点A、B、C、D、E、F形成了四个三角形，现需对新节点P进行定位，最多需要四次定位即可确定P点位置(图(a)为在△DEF内部，图(b)为在△DEF外部)。

二、采用“向量的夹角公式”进行三角形的更新。

若步骤一中点P定位于三角形内部，则重新剖分三角形。若点P定位于三角形外部，即位于某一条边外侧，则需要进行三角形的更新。

若三角形外接圆内不包含其它顶点，则说明此三角形是一个Delaunay三角网，否则，需要对其进行优化更新。如附图4所示，点P在△DEF外部，边DF外侧，采用向量的夹角公式来判断待添加点P与△DEF外接圆的位置关系，易见：

其中，β为向量与的夹角，γ为向量与的夹角。

根据圆内接四边形的性质，内对角互补：

γ+α＝180°

从而：

cosγ＝-cosα           (2)

点D、E、F、P的坐标均已知，从而可以用向量的夹角公式来计算cosα和cosβ。

则问题转化为比较与的大小来判断是否进行三角形更新，大大减小了算法的计算量。

三、对三角网进行等值边的搜索、等值点的确定和等值线的追踪，得到等值线图。

等值线与三角网格的交点就是等值点，具体操作时判断该等值线的值是否介于三角形的某一边的两个顶点的电磁强度值之间，据此可以求出等值点点集。

采用相关算法进行闭合等值线对应等值边系列的搜索和非闭合等值线对应等值边系列的搜索，所有等值边搜索完毕后，用线性插值方法求出等值边上对应等值点的坐标，将这些等值点有序地连起来即实现了等值线的追踪。

四、得到电磁环境等级显示图，并采用三次B样条算法进行平滑。

得到电磁环境等级显示图，如附图5所示。图中，1、2、3、4分别表示1、2、3、4级电磁环境强度。

Claims (7)

1.一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，包含：将散点按x坐标的升序或降序排列及构建第一个三角形，使得这个三角形足够大，以包纳所有的边界点和散点；其特征在于：还包含下列顺序的步骤：

(1)采用“向量外积”的方法对采样数据进行Delaunay三角形网格定位；

(2)采用“向量的夹角公式”进行三角形网格的更新；

(3)对三角网进行等值边的搜索、等值点的确定和等值线的追踪，得到等值线图；

(4)进行电磁云图渲染，得到电磁环境等级显示图，并采用三次B样条算法进行平滑处理。

2.根据权利要求1所述的一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，其特征在于：所述三角形网格定位，是采用判断向量外积正负的方法，三角形的三个顶点依次首尾相接构成向量和待添加边界点P与三个顶点依次相连构成向量和计算三个向量外积，若都为正，则点P在三角形内部；否则，点P在向量外积为负的一边外侧。

3.根据权利要求1所述的一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，其特征在于：所述三角形网格的更新，是采用向量夹角公式判断点与三角形外接圆的位置关系，从而决定是否需要进行三角形网格的更新。若三角形外接圆内不包含其它顶点，则说明其是一个Delaunay三角网，否则，此三角形需要优化更新。

4.根据权利要求1所述的一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，其特征在于：所述等值边的搜索，包括：闭合等值线对应等值边系列的搜索和非闭合等值线对应等值边系列的搜索，所有等值边的搜索完毕后，用线性插值方法寻找等值边上的等值点，将等值点有序连接即完成等值线的追踪。

5.根据权利要求1所述的一种电磁环境复杂度快速网格剖分显示方法，其特征在于：所述平滑处理是对电磁环境等值线进行光滑处理，采用的B样条算法进行平滑具有保凸性和局部修改性的特点，计算量小，易于实现。

6.如权利要求1所述的一种基于电子地图的电磁环境复杂度快速网格剖分显示装置，其特征在于：包括电采集器、处理器和显示器，采集器通过无线或有线网络与处理器相连，处理器输出端通过电缆与显示器相连；所述处理器由电磁频谱数据处理中心和数据库(U₃)组成，所述显示器为用于将电磁环境数据直观地显示出来的快速网格剖分显示器。

7.根据权利要求6所述的一种基于电子地图的电磁环境复杂度快速网格剖分显示装置，其特征在于：所述采集器为电磁环境数据采集器，包括若干个电磁频谱监测固定台站，每个电磁频谱监测固定台站由侦测设备、频谱仪、监测仪、传感器设备组成。