（计算机科学与技术专业论文）三维电子地图生成技术的研究与实现.pdf

国防科技大学研究生院硕十学位论文 摘要 海、陆、空、天、电一体化联合作战模拟，需要构建以地球为中心的虚拟空 间战场环境，三维电子地图是大范围表现虚拟空间战场要素的有效方法。本文根 据构建现代虚拟空间战场环境的需求，着重研究了以下几个方面的内容，包括虚 拟战场的技术发展、基于二维电子地图生成三维电子地图的相关技术发展、 s h a p e f i l e 文件格式和其内部数据组织、等距圆柱投影和墨卡托投影等的投影方式 等。并在此基础上深入研究了三维电子地图生成技术，取得了一定的成果。完成 的工作和取得的主要成果如下： 1 根据s h a p e f i l e 文件格式和数据组织方式为各个s h a p e 类型设置了相应的数 据类。在各s h a p e 类型类上面又设置了地图数据管理类和图层管理类。为 读入二维电子地图数据和绘制三维电子地图奠定了良好的基础。 2 提出了基于投影方程的逆映射方法。该方法把已知的二维电子地图信息映 射回球体上，可得n - 维电子地图内的点，在球体上的准确位置。根据投 影逆映射原理，设计了分割线段算法，实现了二维电子地图在三维球体上 的绘制。提出了裁剪优化、顶点合并、绘制效果改进和绘制效率改进等优 化措施，取得了良好的效果。 3 研究了电子地图的层次细节绘制技术，提出了地图分级、可见高度计算、 子块划分等三维电子地图层次细节绘制方法。该方法可快速裁剪掉不可见 子块，有效节省内存空间，提高绘制效率。 最后，依据上述各算法，实现了三维电子地图生成系统原型，取得了良好的 绘制效果和执行效率。 裁剪 主题词：分割线段，裁剪优化，顶点合并，可见高度，子块划分，可见子块 第i 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt os i m u l a t et h ec o m b a tw i t i ls e al a n ds p a c es k ye l e c t r o n i c ，i ti sn e c e s s a r y t ob u i l dv i r t u a ls p a c ec o m b a te n v i r o n m e n t t h e3dm a pi st h ee f f i c i e n tm e t h o dt o r e p r e s e n tl a r g ev i r t u a lc o m b a tf i e l di n g r e d i e n t t h i st h e s i sd e e p l yr e s e a r c h e ss e v e r a l t e c h n o l o g i e si n t h en e e d so fb u i l dv i r t u a ls p a c ec o m b a te n v i r o n m e n t ，s u c ha st h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a lc o m b a tf i e l d ，t h eg e n e r a t i n gt e c h n o l o g yo f3dm a p b a s e do n2 dm a p ，t h ef i l ef o r m a to fs h a p e f i l ea n dt h ei n s i d ed a t ao r g a n i z a t i o no fi t ，t h ed e t a i lo f t h ee q u i d i s t a n tc y l i n d r i c a lp r o j e c t i o na n dm e r c a t o rp r o j e c t i o n ，a n ds oo n ，a n do b t a i n s s e v e r a la c h i e v e m e n t s t h ew o r kf i n i s h e da n da c h i e v e m e n ti nt h i sa r t i c l ei sa sf o l l o w s ： 1 w r i t e sc o r r e s p o n d i n gc l a s sf o re v e r ys h a p ec l a s sb a s e do nt h ef i l ef o r m a to f s h a p e f i l ea n dt h ei n s i d ed a t ao r g a n i z a t i o no fi t a b o v et h ec l a s so ft h e s es h a p e c l a s s e sis e tm a pd a t am a n a g ec l a s sa n dm a pl e v e lm a n a g ec l a s s i ti st h eb a s e o fr e a d i n g2d m a pa n dr e n d e r i n g3dm a p 2 p o i n t so u tt h er e v e r s ep r o j e c t i o nm e t h o d t h i sm e t h o dm a p st h e2dm a p i n f o r m a t i o nt ot h es p h e r e ，a n do b t a i n st h ep r e c i s ep o s i t i o no ft h ep o i n to nt h e s p h e r e a c c o r d i n gt ot h er e v e r s ep r o j e c t i o n t h i sp a p e rd e v e l o p sm e t h o dw i m a d d e dv e r t e x r e a l i z e st h er e n d e r i n go f2de l e c t r o n i cm a po n3ds p h e r e a l s op o i n t so u ts e v e r a lo p t i m u mm e t h o do fc l i p p i n go p t i m u m ，v e r t e xu n i t e ， r e n d e r i n ge f f e c ti m p r o v e m e n ta n dr e n d e r i n ge f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t ，a n d a c h i e v e sq u i t eg o o de f f e c t 3 t h i st h e s i sp o i n t so u ta n dp r i m a r i l ye x p l o r e sl e v e lo fd e t a i lr e n d e r i n go f e l e c t r o n i cm a p ，p o i n t so u tt h e3dm a pl e v e lo fd e t a i lr e n d e r i n gt e c h n o l o g yo f m a pc l a s s i f i c a t i o n ，s e e a b l eh e i g h tc a l c u l a t i o n ，s u bb l o c kp a r t i t i o na n ds oo n t h i sm e t h o dc a nq u i c k l yd e l e t et h es u bb l o c k st h a ta r en o ts e e a b l e ，e f f e c t i v e l y s a v et h em e m o r y ，i m p r o v et h er e n d e r i n ge f f i c i e n c y f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ea b o v ea r i t h m e t i c ，t h i sp a p e re x p l o r e s3dm a pg e n e r a t i n g s y s t e m ，a c h i e v e sq u i t eg o o dr e n d e r i n ge f f e c ta n de x e c u t i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s ：a d d e dv e r t e x ，c l i p p i n go p t i m u m ，v e r t e xu n i t e ，s e e a b l eh e i g h t ， s u bb l o c kd i v i di n g ，s e e a b l es u bb l o c kc l i p p i n g 第i i 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 s h a p e 类型值9 表2 2 主文件记录头文件的描述1 0 表2 3 点记录内容l0 表2 4 多点记录内容1 l 表2 5 p o l y l i n e 记录内容1 l 表2 6 多边形记录内容1 1 表3 1 三维绘制效率3 4 第l i i 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图目录 二维电子海图5 三维电子海图6 二维地图的三维绘制6 对单个点对象的管理j 1 3 点集合对象的管理1 4 多线对象的管理1 5 对多边形对象的管理1 6 完成s h a p e f i l e 文件读取，实现对s h a p e f i l e 对象的管理及绘制工作1 7 地图映射的形变1 9 几何投影2 0 非几何投影2 l 等距圆柱投影( e q u i d i s t a n tc y l i n d r i c a lp r o j e c t i o n ) 2 2 墨卡托投影2 2 地球模型内部、地球模型表面线段2 5 与地球模型表面相交的线段、增加顶点后的线段2 5 增加顶点后的线段2 6 系统测试绘制流程图2 7 裁剪优化绘制流程图2 8 顶点合并2 9 绘制效果的不足、绘制效果的改进2 9 线段a b 对应的角度、临界长度对应的角度3 0 三维地球模型3l 矢量电子地图的二维绘制3 2 矢量电子地图的进行映射后的三维绘制3 2 将三维电子地图绘制在地球上3 3 绘制效果的改进3 3 线段a b 对应的角度、临界长度对应的角度3 5 第一级地图可见高度3 6 第二级地图可见高度3 7 第三级地图可见高度视图3 7 第三级地图可见高度计算3 8 第四级地图可见高度3 8 第1 v 页 国防科技大学研究生院硕七学位论文 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 11 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 地图块x 的子块3 9 南北两级不在绘制窗口中4 0 绘制窗口在地球表面的位置4 l 绘制窗口在地球表面的转动4 l 绘制窗口再次放大4 1 裁剪窗口映射n - 维地图上4 2 裁剪窗口的上下纬度。4 2 经度变化范围4 3 南北两极出现在裁剪窗口中4 4 裁剪窗口的放大4 4 极点和视点的相对关系4 5 子块选择流程图4 5 l o d 一中国沿海高层的地图4 6 l o d 一中国沿海低层的地图4 6 主程序框架4 8 系统模块的相互关系4 9 各种数据类和管理类之间的关系5 0 三维绘制框架5 3 子块选择框架5 4 在3 dm a x 中建立的战斗机模型5 6 战场中的战斗机模型5 7 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：三维垫王地图生盛垫苤鲍盟壅皇塞狸 摊做储鹤：j 特 嗍岫才c 年仁月知日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：三丝垫至些图生盛遮本鲍盟究曼塞趣 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 砂-禾p 争 刀二切旦 一一心6 u 日期：2 6 p7 年p - 月5 口日 日期：2 纫罗年t 二月歹d 日 国防科技大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 建立虚拟战场，并在虚拟战场中进行战略、战术、战役的模拟已经成为各国 检验武器装备及军队战斗力、提高一体化作战能力的重要手段。尤其是近十几年 来，虚拟战场在武装部队中已经发展的较为普遍。在国外，其应用领域已经覆盖 陆、海、空、空间、特种操作等军兵种，并且在较大规模上支持作战、指挥训练、 多兵种联合战术演练、作战任务预演以及军事教育等应用1 1j 。同时，实现多兵种联 合演习，建立虚拟战场，根据虚拟环境中的情况变化，实施调兵遣将，建立真正 的战法对抗也是军事仿真技术研究的重要内容。通过这一技术我们可以获得战法 的优缺点、武器装备的强点弱点等重要数据，这对军队的建设以及国防总体实力 的提高有着重要的意义。 1 1 课题研究背景 虚拟作战自然场景包括地形场景、海洋场景、气象场景以及空间场景等部分。 其特点是规模大、数据多、复杂性高，对图形硬件的实时绘制能力带来了严峻的 挑战。虽然近年来图形硬件发展迅速，性能得到了极大的提高，但单纯依赖硬件 性能( 如显存频率、显存位宽等) 的提升，面对日益膨胀的应用需求，始终要面临瓶 颈。过去十年中，针对特定场景( 如地形场景) 的实时绘制存在大量的研究工作，目 的是从算法层次上提高绘制效率，从而满足实时交互绘制和真实感要求。 但是，随着战争形态的发展变化，战争模式已经从单一作战模式发展成为陆、 海、空、天、电五位一体作战模式。而太空、磁场等参加战争以及战争远程化的 发展趋势要求从全球视景观察战争，从而使得传统的力求精细逼真表现综合战场 环境的虚拟现实技术暴露了其自身的局限性。传统的虚拟现实更多的是强调环境 的逼真模拟，而全球范围的表现战场态势以及太空形态对局部环境的逼真程度要 求并不是特别高。而且我们并不容易分辨模拟出的地表建筑以及各种地形，因为 我们要从整个地球视图来观察战场态势。同时，虚拟现实的方法复杂性较高，绘 制大规模场景时会占用较多的系统资源，绘制困难。因此，我们需要建立全局的 战争态势表现方式，而虚拟现实技术则可以在局部模式中发挥其作用。 1 1 1 虚拟战场的提出与发展 人类进入2 0 世纪以来，以信息技术为核心的技术革命推动着人类各个方面都 发生了深刻的变革，特别是计算机网络技术和虚拟现实技术的快速发展，从很大 程度上改变了人类的生存方式。虚拟战场币是在这种科技大潮中发展起来的一种 第1 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 训练军事人员，检验、评估武器性能和作战方案优劣的军事演习方式【3 j 。 美国最先开始进行虚拟训练和虚拟战场方面的研究。早在1 9 8 3 年，美国国防 部高级项目研究计划局( d a r p a ，现在的a r p a ) 和美国陆军就共同制定了 s i m n e t ( s i m u l a t i o nn e t w o r k i n g ) 研究计划，到9 0 年代初，已建成了分布于美 国本土及欧洲1 0 个地区的作战基地。其目的是将分散在不同地点的地面车辆( 坦 克、装甲车) 仿真器用计算机网络联系起来，形成一个整体战场环境，进行各种 复杂任务的训练和作战演习【3 】。s i m n e t 计划最终实现了2 6 0 台装甲车辆仿真器的 互联，开创了分布式交互仿真和分布是虚拟现实技术的研究和应用，它的一些成 功技术和经验对以后虚拟战场的发展都有重要影响【2 ，4 1 。 在s i m n e t 的基础上，美国军方和工业界共同倡导并建立了异构型网络互联 的分布式交互仿真系统d i s ( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ) 1 4 ，把它作为美国 面向2 l 世纪的一种信息基础设施，并着手在各军兵种中开展各种高级概念技术演 示项目a c t d 的研究开发，其中典型的有美国海军的b f t t 、s t r i c o m 的c a t t 等。b f t t ( b a t t l ef o r c et a c t i c a lt r a i n i n gs y s t e m ，作战兵力战术训练系统) 是由美 国海军开发的一个舰船内嵌式海战模拟训练系统，它直接把舰船的各种传感控制 设备与一个虚拟的战场环境相连接，用于训练从船员到舰长等各级参战人员的操 纵、作战及指挥能力【4 j 。c a t t ( c o m b i n e da r m st a c t i c a lt r a i n e r ，多兵种战术训练 系统) 是一组由美军t m a 投资，并由仿真、训练与装备司令部管理的训练系统。 其目的是应用逼真的虚拟战场环境进行对抗演练，以训练各兵种营以下级别的指 挥人员【2 ，4 1 。 从1 9 9 4 年开始，美国d a r p a 和美军大西洋司令部u s a c o m 联合开展了战 争综合演练场( s y n t h e t i ct h e a t e ro f w a r ，s t o w ) 1 5 】的研究。并在1 9 9 7 年1 0 月， 举行了s t o w 9 7 的联合演练，参演节点分布于美国和英国的5 个不同地点，通过 先进且安全的a t m 网络互联，共有3 7 0 0 多个参演实体，8 0 0 0 多个参演对象，使 用了5 0 0 k m 7 5 0 k m 的合成地形环境，演示了天气变化、球形地面、自动化合成 兵力指挥、动态目标、智能传感器等多项功能，在每次长达2 4 小时、共3 次的演 练中，没有发生一次网络崩溃，可见其性能和结构已经非常稳定合理【2 ，4 1 。 w a r s i m 2 0 0 0 ( w a rf i g h t e r ss i m u l a t i o n2 0 0 0 ) 1 6 j 是美国军方面向21 世纪建 立的下一代战争演练系统，由仿真、训练与装备司令部负责实施。它提供了一个 逼真的联合战争空间环境，包括军团战斗模拟训练、战术智能模拟和陆军部分的 战争综合演练场。另外，该系统还将采用聚合级仿真协议把构造性的模拟与创建 战场环境结合起来以支持军事训练和演练【4 】。 迄今为止，美军已兴建了3 0 多个大中型实验室和虚拟训练系统，各式各样的 军兵种训练基地8 0 余处1 2 】，其中著名的有陆军的欧文堡中心、波尔克堡战略中心， 第2 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 海军的人湖海军中心、高原作战中心，空军基地主要有内利斯空军战术作战中心、 空中机动作战中心等，每个作战实验室的年度战术级训练可达上百次l 引。在虚拟战 场环境中进行的仿真训练范围也非常广泛，小到飞行员的飞行模拟训练、地面战 斗车辆操作员的模拟训练，大到战斗、战术和战役的模拟演练。 我国自2 0 世纪9 0 年代中期以来开始大力加强对分布式虚拟战场环境及战争 综合演练研究的投入力度。在分布交互仿真平台方面，实现了从d i s 到h l a 的转 变，目前已经出现了多个自主研制的h l a r t i 版本，如国防科技大学计算机学院 研制的基于c o r b a 的r t i 。九五期间，北京航空航天大学、国防科学技术大学、 装甲兵工程学院、中科院软件所、浙江大学等单位联合承担“8 6 3 ”重点项目“分 布式虚拟战场环境”，建立了用于虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟环境基 础信息平台d v e n e t ( d i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o n m e n tn e t w o r k ) 1 4 j 。它是一个包 括1 1 0 15 0 平方公里的基于真实地形数据生成的虚拟陆战战场环境、与陆地接壤 的2 0 0 2 0 0 平方海里的逼真海战战场环境，以及飞机、坦克、舰艇、潜艇、高炮、 导弹和雷达等武器的虚拟仿真平台，用于多兵种、异地协同与对抗战术演练。其 中，国防科技大学计算机学院承担了分布式虚拟海战环境的研制，开发了“分布 式海战虚拟现实仿真环境d v s e 2 0 0 0 ”，实现了远程、多军兵种的联合渡海登岛作 战的分布式模拟演练。2 0 0 5 年，全军第一个作战模拟实验室建设工程在国防大学 通过鉴定，标志着我军有了能在战略、战役层次上进行战争分析、作战训练和武 器装备研究综合模拟仿真的战争模拟实验室担】。另外，国家“9 7 3 ”重点基础研究 发展计划项目“虚拟现实的基础理论、算法及实现 的子课题之一“分布式虚拟 环境技术”的一个重要目标就是建立海、陆、空、天、电多兵种联合作战的大规 模分布式虚拟空问战场环境演示系统1 7 j 。 1 1 2 大规模场景实时绘制 大规模地形场景是虚拟作战自然场景中的重要组成部分。地形场景一般通过 多边形网格( 三角面片) 进行绘制，根据网格类型，地形绘制模型可分为，非规则网 格模型( t i n ，t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ) 和规则网格模型( u n i f o r mg r i d ) t s j 。 无论是t i n 还是规则网格模型，当应用对地形的范围和精度要求较高时，地 形数据量将变得非常庞大，对存储和绘制带来极大的挑战。如果不采取适当的存 储结构和简化策略，帧速将无法满足实时、交互绘制的要求。为了解决这些问题， 出现了一系列相关的技术：视点相关层次细节技术( l o d ，l e v e lo f d e t a i l ) ! 、连续 层次细节模型o ，1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 ，- 6 1 、离散层次细节模型1 7 1 8 ，19 1 ，以及针对连续层次细 节模型的层次二叉树( b i n t r e eh i e r a r c h i e s ) 1 9 ，1 2 , 1 3 , 2 0 ，2 、二叉树块( b i n t r e er e g i o n s ) 1 2 2 ， 2 3 , 2 4 , 2 5 1 、瓦片地形块( t i l e db l o c k s ) 1 2 6 ，2 7 ，2 8 , 2 9 1 、几何裁剪映射( g e o m e t r yc l i p m a p ) 1 1 0 】 第3 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 等组织方式；针对离散层次细节模型的正方形瓦片组i l 、瓦片四叉树l l 引、瓦片金 字塔( t e r r a i nt i l ep y r a m i d ) l r 7 】等组织方式。虽然上述算法很大的改进了绘制性能， 但由于数据的庞大性，大规模地形场景绘制技术仍然存在其局限性。 大规模地形场景绘制技术所存在的局限性，限制了该技术在虚拟战场中的应 用范围。并且，战争形态的变化要求虚拟战场技术能够表现出地球上大范围战争 态势、太空状态、非可见战争要素状态可视化以及各种战争实体。 目前，能够表现大范围场景的软件有g o o g l ee a r t h 、3dw o r l dm a p 等。g o o g l e e a r t h 是以远程卫星遥感图像为基础，提供了覆盖全球、分辨率极高的大范围场景 绘制功能，能够表现地球上大部分地区的二维信息。如果在其中嵌入象征性战争 实体、以及各种可视化信息，我们就可以看到我们所希望的虚拟战场雏形。但是 由于其基于网络服务器，因而实时性很差。 3dw o r l dm a p 是一款表现地球上全部高程信息的软件，它在地球模型上绘制 地表各种地形，表现出山地、平原以及海洋等地形的高程信息。但其分辨率不高， 只在太空视景中才能观察到较好的效果，在近距离视景中效果比较差。而且，其 地形绘制所采用的高程信息很不完全，山脉等都是示意性的表示。 1 1 3 三维电子地图的出现与发展 近几年来，随着计算机技术，特别是计算机图形学、网络、多媒体、虚拟现 实( v r ) 、三维仿真技术的快速发展，给电子地图注入了新的活力，电子地图正 在向多媒体、网络、三维等方向发展。随之，出现了多媒体电子地图、网络电子 地图、三维电子地图和时态电子地图，其中基于三维虚拟场景的三维电子地图是 电子地图发展的一个重要方向，也是人们认识和表达空间地理信息的有力工具。 目前迅速发展起来的三维可视化技术和虚拟现实技术已经被广泛地用于进行 各种三维数据的可视化，例如地景仿真、城市景观重建等等，同时也为传统地图 学带来一次新的技术革命。三维电子地图是基于地图学的，因此它的研究重点不 是栩栩如生的景观绘制，而是真正意义上的三维空间的地图符号化。现代地图学 理论仍是三维电子地图的理论基础，而电子地图的研究为之提供了有力的技术支 持，同时已广泛建立的地图数据库又提供了丰富的数据来源，因此三维电子地图 必将成为地图应用的新领域，其研究与开发也将受到极大的关注。 三维地图模型可以被定义为对现实世界或其中的一部分的一个或多个方面的 三维、抽象的描述( 或综合) 。而这些方面主要是地形以及基于地形的其它专题 要素。它是基于三维地图模型的可视化产品，它强调的是三维空间的符号化。从 几何模型角度来讲三维电子地图的逻辑组织有点状目标、线状目标、面状目标以 及体状目标等。从地理要素的角度来讲三维电子地图的三维模型主要包括三维地 第4 页 国防科技大学研究生院硕十学位论文 形和三维地物。 由以上论述可知近几年来兴起的三维电子地图技术主要也是针对较小范围 场景的真实感绘制技术。 114 二维矢量电子地图及其三维绘制 将二维矢量电子地图进行三维绘制，不仅可以大量减少地图数据量，并能用 传统的地图表现大范围内场景的各种标识。 孙尧p o i 等针对采用二维电子海图表示海洋自然地理环境在三维可视化方面的 不足，介绍了从二维电子海图中提取海洋地理信息建立海洋地理信息数据库，而 后利用三维建模软件和视景驱动软件实现三维电子海图的可视化和大地形的数据 管理的方法和步骤最后实现实体模型的动态装载。实验结果表明该方法可以有 效地应用于海底及其他地貌物的生成和管理，并为最终建立大范围的虚拟战场海 洋环境提供基础。他们基于m u l t i g e nc r e a t o r 和v e g a 仿真软件开发平台，深入研 究了三维数字晦洋环境的重建问题，从二维电子海图中，提取数据，采用c r e a t o r 建模软件中的地形生成模块，自动生成三维地形，而后在地形的基础上，通过a p i 应用程序自动添加如灯塔等地理模型该系统实现了模型的自动添加，并且大大 减少了建模的工作量以及建模所用时间，同时由于采用了v e g a 中的克隆技术，提 高了内存的利用效率。仿真结果表明，该方法解决了基于海图数据库建立三维海 洋环境，模型的动态添加和地形数据库管理等技术问题。为) f 展更加复杂的虚拟 海洋环境视景仿真系统的研究和开发打下良好的基础口“。剀11 中为一幅二维适量 电子地图，图12 为应用该三维化算法得到的结果。 v xf 图l i 一维电子海圈 黪 l i专 第5 贞 国防科技人学研究生院硕士学位论文 圈12 三维电子海图 h a n s h i i g g s t r o m ”在g s o c ( g o o g l es u m m e r o f c o d e ) g o o g l e 编程之夏活动所资 助的项目中开发了3 dr e n d e r i n gp i p e l i n ef o rg e o t o o l s ，成功的把二维电子地图绘 制于一个无限的三维平面上。 其主要思想是： 通过普通- 二维矢量电子地图绘制器( r e n d e r e r ) 绘制出表面纹理。 采用瓦片四叉树结构获得不同的层次细节，距离视点近的采用高分辨率， 反之，采用f 氐分辨率。 使用纹理绘制接口绘制地面瓦片。 h a , a sh a g g s t r 6 m 初步实现了二维电子地图的三维绘制，但是仍然存在很多问 题，如大规模地图绘制的效率问题，虽然三维绘制器( r e n d e r e r ) 分别绘制每个瓦片， 但是绘制每块瓦片时g e o t o o l s 中的二维绘制器f f e n d e 陀n 都会重复绘制川；还有就 是此系统中并没有高程信息，地面视景是甲的。其效果如图13 ： 第6 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 1 2 课题研究内容 本课题的主要研究内容是实现一个能够表现大范围战场的虚拟现实系统，力 求从多个角度表现战场环境。 首先，我们要有地球视图，也就是从整个地球乃至太空观察整个战场。可以 表现太空、卫星在作战中的应用，以及针对卫星等太空作战要素的作战；可以表 现整体地球上在现代化作战条件下的大范围作战要素的部署，譬如装甲部队、舰队、 导弹部队以及空军编队等。在地球视图中，我们要实现虚拟现实技术于电子地图 的结合，既要用虚拟现实技术表现出地球的粗略地形，同时也需要将电子地图映 射在地球上，标出海洋、陆地、国界、重要战略要地等信息。各种战争符号( 空 军编队、舰船等) 可以显示在地球上，卫星、空间站等显示在太空中。直观的看 到其对战争的影响。 其次，实现电子地图的层次细节模型l o d ，在近距离视角时，地球上的地图 要细化。我们可以使用多层次的矢量电子地图实现层次细节模型，并且可以在视 点逐渐接近地表时通过改变矢量电子地图图层来细化战场环境。 1 3 本文主要工作 本文结合当前主流的矢量电子地图文件格式以及虚拟现实技术主要进行了以 下几点研究工作： 1 重点研究了s h a p e f i l e 文件格式机器内部数据组织架构，并根据该文件格式 完成了文件内数据读取类的架构，成功的将s h a p e f i l e 文件按照其内部数据 组织读入内存，以方便后续程序应用文件内地图数据。 2 重点研究了地图的映射算法，了解了地图的绘制过程，并找到了根据地图 映射规则将平面地图映射到球面上的算法，从而实现了二维矢量电子地图 在三维球体上的绘制。其后，又提出了提高绘制效率的优化算法，并取得 了较好的成果。 3 研究实现了矢量电子地图的层次细节l o d ( l e v e lo f d e t a i l ) 技术，找到了地 图分块规则、地图块可见高度计算以及可见块选择算法等关键技术。 1 4 本文内容安排 本文共由七部分组成。 第一章绪论。介绍了课题的研究背景，并阐述了课题的研究意义；讨论了课 题的主要研究内容；总结了本文的主要工作及组织结构。 第二章矢量电子地图的读取。详细介绍了s h a p e f i l e 文件格式和其内部数据组 第7 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 织方式，为每种s h a p e 类型设置了相应的类，并设置了管理类，为数据读耿提供了 基础。 第三章二维矢量电子地图的三维球体绘制。介绍了地图的投影方式，重点了 解了等距圆柱投影和墨卡托投影的基本原理，提出了该两种映射方法的逆映射， 然后根据该方法得出了二维矢量电子地图在三维球体上的绘制方法，并找到了若 干优化措施。 第四章电子地图的多层次细节技术。提出了一种矢量电子地图的层次细节显 示算法，其中包括如何对电子地图进行分级，重点是各级地图可见视点高度的计 算，还有子块划分技术，最后通过一系列的论证的到了可见子块的选择算法。 第五章绘制系统的设计与实现。详细介绍了本文以二维矢量电子地图的三维 球体绘制算法和电子地图多层次细节显示算法为基础，实现的大范围地形场景绘 制框架的开发环境、总体设计思路以及实现细节。 第六章总结与展望。对本文所做的工作进行了详细的总结，并对未来的工作 进行了展望。 最后是致谢和本文的参考文献。 第8 页 国防科技大学研究生院硕士学 寺论文 第二章矢量电子地图的读取 s h a p e f i l e 文件格式是目前较为流行的矢量电子地图文件格式。本章首先详细介 绍了s h a p e f i l e 文件格式的主要组织方式，然后详细讨论了如何对该文件进行读取， 并且给出了文件读取类的实现。 2 1 s h a p e f i l e 文件格式 一个e s r i 的s h a p e 文件包括一个主文件，一个索引文件，和一个d b a s e 表。 主文件是一个直接存取，变量记录长度文件，其中每个记录描述一个有它自己的 v e r t i c e s 列表的s h a p e 。在索引文件中，每个记录包含对应主文件记录离主文件头开 始的偏移，d b a s e 表包含一f e a t u r e 一个记录的f e a t u r e 的特征。几何和属性间的一 一对应关系是基于记录数目的。在d b a s e 文件中的属性记录必须和主文件中的记 录是相同顺序的【姐】。 2 1 1 主文件的组织 主文件( s h p ) 由固定长度的文件头和接着的变长度记录组成。其中变长度记 录中容包含一个s h a p e 类型和接着的该s h a p e 的几何数据，其结构如下： 文件头 记录头记录内容 记录头记录内容 记录头记录内容 s h a p e 文件中所有的内容可以被分为二类： 1 与数据相关的：主文件记录内容、主文件头的数据描述域( s h a p e 类型， 边界盒等) 2 与文件管理相关的：文件和记录长度、记录偏移等 主文件头1 0 0 字节长，记录了包括文件代码、文件长度、版本、s h a p e 类型、 边界盒等信息。 文件长度的值是在1 6 位字下文件的总长度( 包括组成文件头的5 0 个1 6 位字) 。 在s h a p e 文件中的所有非空s h a p e 值代表种s h a p e 类型，s h a p e 类型的值如表2 1 ： 表2 1s h a p e 类型值 值 s h a p e 类型i 第9 页 国防科技大学研究生院硕十学位论文 0 空s h a p e l 点 3 多线 5 多边形 8 多点 1 l 点z 1 3 多线z 1 5 多边形z 1 8 多点z 2 l 点m 2 3 多线m 2 5 多边形m 2 8 多点m 3 1 多斑块 主文件头的边界盒存储文件中s h a p e 的实际幅度，最小边界直交的长方形包含 了所有的s h a p e 。 每个记录的头存储了记录的数目和记录内容的长度。记录头有一个固定长度8 字节。文件记录头中域的字节位置、值、类型和字节顺序如表2 2 所示。在表中， 位置是相对于记录的开始的。 表2 2 主文件记录头文件的描述 位置 域 值类型字节顺序 0 字节记录数目记录数目整数大 4 字节内容长度 内容长度 整数 大 2 1 2 主文件记录内容 s h a p e 文件记录内容包含一个s h a p e 类型和接着的该s h a p e 的几何数据。记录 内容的长度依赖于在一个s h a p e 中部分和v e r t i c e s 的数目。下面介绍四种重要的 s h a p e 类型的组织方式，包括点、多点、p o l y l i n e 以及p o l y g o n 。 1 点：一个点包括一对以x ，y 顺序排列的双精度的坐标。如表2 3 所示： 表2 3 点记录内容 位置域值类型数目字节顺序 0 字节 s h a p e 类型 1 整数 1 小 4 字 i 了 xx 双精度 l 小 1 2 字节 yy 双精度 1 小 2 多点：一个多点代表一个点的集合，如表2 4 所示，其中边界盒b o x 以 x m i n ，y m i n ，x m a x ，y m a x 存储。 第1 0 页 国防科技大学研究生院硕十学位论文 表2 4 多点记录内容 位置域值类型数目字节顺序 0 字节 s h a p e 类型 8 整数 1 小 4 字节 b o xb o x 双精度 4 小 3 6 字节 n u m p o i n t sn u m p o i n t s 整数 l 小 4 0 字节 p o i n t sp o i n t s 点 n u m p o i n t s 小 3 p o l y l i n e ：一条p o l y l i n e 是指一条包含一个或多个部分的有序的v e r t i c e s 的集合。一个部分是指二个或多个点彼此连接的顺序。部分间彼此相连或 不连。部分间彼此可能相交或不相交。因为该定义没有禁止有确定坐标的 连续点，s h a p e 文件的读程序必须掌握这样的情况。在另外，退化( d e g e n e r a t e ) 和可能导致零长度的结果是不被允许的。 表2 5p o l y l i n e 记录内容 位置域值类型数目字：节顺序 0 字节 s h a p e 类型 3 整数 1 小 4 字节 b o xb o x 双精度 4 小 3 6 字节 n u m p a r t sn u m p a r t s 整数 l 小 4 0 字节 n u m p o i n t sn u m p o i n t s 整数 1 小 4 4 字节 p a r t sp a r t s 整数 n u m p a r t s 小 x 字节 p o i n t sp o i n t s 点 n u m p o i n t s 小 表2 5 中b o x 被存储的p o l y l i n e 的边界盒，以x m i n ，y m i n ，x n l a x ，y m a x 的顺序存储。n u m p a r t s 在p o l y l i n e 中部分的数目。n u m p o i n t s 所有部分的点 的总数目。p a r t s n u m p a r t s 长度的数列。为每条p o l y l i n e 存储它在点数列中的 第一个点的索引。数列索引是从0 开始的。p o i n t sn u m p o i n t s 长度的数列。在 p o l y l i n e 中的每一部分的点被尾到尾存储。部分2 的点跟在部分1 的点之后， 如此下去。部分数列对每一部分保持开始点的数列索引。在部分间点之间没 有界限。 4 p o l y g o n ： 表2 6 多边形记录内容 位置域值类型 数目字节顺序 0 字节 s h a p e 类型 5 整数