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《燕山大学》 2016年
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多维战场环境态势可视化关键技术研究

张继凯  
【摘要】:随着计算机软硬件技术的飞速发展,数据与信息可视化技术已经融入到社会的方方面面,数字战场中多维战场态势可视化就是其中一个非常重要的应用。可视化技术是战场环境表达的最重要形式,也是指挥人员认识战场环境的最主要手段。而多维战场环境态势可视化就是利用战场环境态势信息,基于一致的空间基准,以空间地理信息为可视化载体,叠加显示战场环境各要素,以计算机图形学、制图学和地理信息学等为手段,借助多种交互工具实现战场环境态势的可视化表达。由于现代战争正趋于多元化和全球化,战场环境态势包含范围也越来越广,而随着战场规模的逐渐扩大和信息获取技术如传感技术等的快速发展,各类信息资源的数据量呈爆炸式增长,导致数字战场中各类环境态势可视化出现诸多问题,如数据规模增大和显示精度要求变高导致的绘制效率低下、空间信息网格全球化导致的极点问题、战场实体复杂化导致的可视混乱等,严重影响指挥人员对战场的理解和决策的制定,为解决此类问题,本文从以下若干方面展开研究:首先,针对数字战场可视化的基础—大规模地形可视化中地形块过多导致调度时间长的问题,提出一种枚举四叉树算法,将四叉树中的相邻节点按类型进行合并,以若干复合类型地形块代替传统单一类型地形块,在不改变最终渲染效果的前提下有效减少地形块数量,加快视点变化过程中的调度效率;为解决不同分辨率地形块间的裂缝问题,提出基于正切函数的顶点偏移算法,在不用做额外判断的情况下实现T连接处的顶点偏移,有效解决裂缝。其次,针对将地形可视化扩展至全球规模时所产生的网格分布不均和两极的狭长三角形等问题,设计一种改进的六边形离散网格系统,以实现全球网格密度的统一;以孔径为4的六边形划分方式为基础,设计一种基于菱形块的六边形网格四叉树算法,与单分辨率网格相比,能在不影响视觉感知精度的情况下实现视点相关的多分辨率六边形可视化,有效提高绘制效率;对于三角化后各菱形块间的裂缝问题,设计四类基础三角形条带,在绘制过程中根据相邻关系进行实时调度组合,实现裂缝修补。然后,在战场自然环境数据场的可视化方面,主要从大规模三维标量场和球面流场这两个方面展开研究。在大规模体数据场的光线投射算法中,用球壳弧形六面体代替传统六面体作为代理几何体。为解决按经纬度存储体数据时冗余度高、极点地区可视化效果畸变等问题,采用单分辨率六边形网格作为数据存储拓扑,借助六边形单元快速查找表和三棱柱插值算法,实现光线在球面空间中的快速采样;根据应用场景不同,将最终渲染模式分为三类,在可视化过程中根据视参进行实时模式确定,利用该方法可最大限度提升体绘制效率。而针对大规模矢量场可视化中流线积分时间长的问题,引入几何着色器并行生成流线,只需向图形管线传输少量种子点,大幅节省图形管线带宽;同时,将视点相关的四叉树算法应用于种子点分布过程,使流线分布密度随视点的变化而不同,在提高绘制帧率的同时还可优化视觉效果,防止线条混乱。最后,本文还对战场实体轨迹图的可视化及其优化展开研究,为解决点线图的边混乱问题,将陆地交通信息融入其中,以若干贝塞尔曲线组成的光滑曲线代替原图边,在实现相关轨迹有效绑定的同时还能体现出大致路径信息,提高了图的清晰度与信息含量。上述战场环境态势可视化算法最终均集合进同一可视化平台,并且其中多数研究已经在相关863课题中得到验证,能帮助指挥员快速准确了解战场态势,起到有效辅助决策的作用。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP391.41;E211

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