一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法与流程

1.本发明涉及三维可视化领域，尤其涉及一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法。


背景技术：

2.三维可视化能够将计算机、信息网络等技术在一定范围内的三维空间以动画、图形、文字等形式，将数据转化成图形或使图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理。这种先进的数据显示技术，能够实现对数据的直观认识，是一种应用广泛和成熟的高级图像处理技术。
3.现有技术中的三维可视化方法无法实现大场景与多特效兼具的问题，即不仅能够对大场景进行高效高精度地渲染，又能够对物理世界中的细节进行描摹刻画的效果。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法。
5.根据本发明的一个方面，提供了一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，所述三维可视化方法包括：
6.构建可视化数据信息；
7.根据所述可视化数据信息建立三维可视化陆地场景及特效；
8.根据所述可视化数据信息建立三维可视化海洋场景及特效；
9.建立三维可视化气象及环境场景及特效；
10.构建声音特效；
11.对大场景和多特效的三维可视化在展示时利用进度控制。
12.可选的，所述构建可视化数据信息具体包括：
13.获取高程数据、影像数据、矢量地图；
14.构建大场景与多特效的可视化数据，用户可配置需要显示的地理信息数据。
15.可选的，所述根据所述可视化数据信息建立三维可视化陆地场景及特效具体包括：
16.所述陆地场景包括地表、建筑和地表植被；
17.陆地渲染，通过调整网格高度模拟地形的起伏，便能够表现出一幅精致的纹理，如山体、道路、河流、湖泊、建筑、植被；
18.使用卫星或航拍数据，获得地形高程图；
19.将高程图使用globalmapper、3dmax工具软件，转换为bmp、flt高度图格式或纹理；
20.在编辑器中将地形高度图导入文件；
21.渲染过程中根据高度与纹理信息，构建地形网格，根据当前的摄像机朝向，进行视锥剪裁和lod处理；
22.将地形网格模型提交给gpu进行渲染。
23.可选的，所述根据所述可视化数据信息建立三维可视化海洋场景及特效具体包括：
24.所述海洋场景包括海岸带、海面场景；
25.所述海岸带三维场景是由陆地地形数据和近岸水深数据融合而成的，基于不同高度的瞬间海面则构成了海水面三维场景；
26.海岸带三维场景和海水面三维场景一起构成了海岸带空间时态复合的三维海洋场景。
27.可选的，所述海岸带地形三维可视化的方法具体包括：
28.获取陆海地形数据；
29.将坐标框架统一，获得统一坐标框架；
30.根据所述统一坐标框架生成普通三角网；
31.进行等高(深)线约束；
32.优化所述普通三角网；
33.进行边界约束。
34.可选的，所述根据所述可视化数据信息建立三维可视化海洋场景及特效，还包括动态海面的三维可视化方法，包括：
35.制作波浪法线纹理图；
36.在海面区域创建海面网格；
37.根据所述海面网格和海底地形，生成海面坡度和深度纹理图；
38.根据海面的法线、坡度和深度纹理，使用fftnoise算法，建立扰动数学模型；
39.将扰动数学模型应用到海面网格，形成波浪扰动网格模型；
40.加入光照，形成海面波浪效果。
41.可选的，所述建立三维可视化气象及环境场景及特效，具体包括：
42.三维气象可视化应用于各种气象环境场景及特效条件，包括雨、雪、云、雾、闪电、海浪特征气象，还包括气压、温度、湿度、盐度等气象数据；
43.进行气象环境动态设置，根据需要制定任意时间的任意气象，可设置雨水大小、云的密集度和闪电、自定义雾的高度、范围、强度，可设置风力大小、方向、阵风、海浪大小；
44.气象场景及环境特效采用三维图形引擎，实现对三维场景的渲染与生成，同时提供视点设置、地形高度计算、通视计算、碰撞检测、指定点经纬度查询、指定点或区域环境信息查询、距离计算及区域计算辅助功能；
45.根据推演平台提供的天气条件、水文条件、海况建立典型气象与环境模型。
46.可选的，所述构建声音特效具体包括：
47.判断场景动作，录制场景实际声效；
48.声效关联场景的动作；
49.读取声效配置；
50.进行声效播放。
51.可选的，所述对大场景和多特效的三维可视化在展示时利用进度控制，具体包括：
52.通过记录器、回放器可视化过程的记录与回放，并按照一定时间倍率进行演示过
程的加速或减速运行，执行演示过程的冻结和解冻；
53.在演示过程中的进度控制包括启动、播放、暂停、倍速、终止，并同时进程控制、演示过程、演示状态、演示参数进行控制或设置，也与可视化系统进行数据交互，提供与可视化系统数据、事件的交互接口及标准结构；
54.支持接收其他系统推演过程中实体产生的轨迹、行为、状态、关键事件、回放数据，都能够进行可视化展示。
55.本发明提供的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，所述三维可视化方法包括：构建可视化数据信息；根据所述可视化数据信息建立三维可视化陆地场景及特效；根据所述可视化数据信息建立三维可视化海洋场景及特效；建立三维可视化气象及环境场景及特效；构建声音特效；对大场景和多特效的三维可视化在展示时利用进度控制。本发明解决了高效图形绘制与典型特效封装的问题，使得大场景与多特效的三维可视化能够演示宏大的场景，而且能够栩栩如生地渲染细节层面，从而更好地呈现真实的现实世界。
56.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显，更通俗易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
57.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
58.图1为本发明实施例提供的大场景与多特效的三维可视化演示流程图；
59.图2为本发明实施例提供的大场景地形绘制可视化流程图；
60.图3为本发明实施例提供的声效可视化流程图；
61.图4为本发明实施例提供的典型天气特效封装调用流程图；
62.图5为本发明实施例提供的燃烧、烟气、爆炸等特效封装调用流程图；
63.图6为本发明实施例提供的立体音效封装调用流程图；
64.图7为本发明实施例提供的陆地、建筑、植被等大场景三维可视化流程图；
65.图8为本发明实施例提供的海岸带三维可视化流程图；
66.图9为本发明实施例提供的动态海面三维可视化流程图；
67.图10为本发明实施例提供的典型气象及环境特效的三维可视化流程图；
68.图11为本发明实施例提供的声音特效实现流程图；
69.图12为本发明实施例提供的场景进度控制流程图。
具体实施方式
70.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
71.本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。
72.下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步地详细描述。
73.鉴于现有技术的上述不足，本发明所解决的技术问题是一种兼具大场景与多特效相结合的三维可视化技术。这种技术既能够对大场景进行高效高精度地渲染，又能够对物理世界中的细节进行描摹刻画，解决了大场景与多特效无法有效兼顾的难题。
74.本发明基于3dsmax、multigencreator等三维建模软件，创建具有宇宙、海洋、地貌、建筑等大场景的实时画面，又兼具如波纹等细节特性的高逼真多特效的三维模型，为三维场景的可视化演示提供方法支撑。
75.基于构建的三维模型数据库，采用三维图形引擎，实现对大场景的三维视图渲染与生成，同时提供视点设置、地形高度计算、通视计算、指定点经纬度查询、指定点或区域环境信息查询、距离计算及区域计算等多种辅助功能。
76.本发明重点解决了高效图形绘制与典型特效封装的问题，使得大场景与多特效的三维可视化能够演示宏大的场景，而且能够栩栩如生地渲染细节层面，从而更好地呈现真实的现实世界。
77.高效图形绘制采用高效的cpu、gpu、内存、磁盘等使用技术，能够侦测多核cpu中有效核心数量，并自动在处理器间分配任务负载，同时支持多gpu扩展、优化内存管理器与磁盘数据流，通过nvidiasli或amdcrossfire等技术，实现高达数倍图形绘制性能提升。图形绘制包括地形、气象、环境、声效等。地形绘制中包含了地图、网格、亮度等，并对地图图层设置了管理区域、海岸线、等高线、内陆水域、海洋、国界等，以便能够高效地展示大场景的地形特效，如图1所示。
78.基于大场景的气象则包括了雨、雪、云、雾、闪电、海浪等特征，还包括气压、温度、湿度、盐度等气象数据，能够较好地模拟元素。
79.基于大场景的环境，则包括了陆地地形、地面建筑、地表植被、海岸带、海面波浪等，更好地与现实环境相匹配，增强了渲染效果，如图2所示。
80.基于大场景的声效，通过合成与控制，能够增进不同场景的真实感观与空间特性，如身临其境般置身其中，如图3所示。
81.典型特效封装包括了气象特效、燃烧/烟气/爆炸、波浪、立体音效等。
82.通过对典型特效进行封装，将所呈现的对象属性构成一个独立的整体，既能够将对象的所属数据与公共数据分离开，减少了模块间可能产生的干扰，又能够提升所属对象的复用性，降低了对数据处理与操作维护的负担。
83.对典型天气特效封装，能够实现对阴、晴、雨、雪、雾等典型天气条件的快速绘制。通过对典型天气现象的绘制的封装，使得在程序调用接口函数或场景编辑器内只需对对进行雨、雪、雾、云等生成参数进行调整，从而提高调用效率，如图4所示。
84.对燃烧、烟气、爆炸等特效封装，能够对陆地建筑、岸港区域和海洋区域的船舰艇的要素在发生燃烧、烟气、爆炸等特殊情况时，对燃烧及其引起烟气的特效进行封装，提高绘制效率，如图5所示。
85.燃烧、烟气、爆炸等特效主要由粒子系统来模拟，将无数的单个粒子组合使其呈现出固定形态，借由控制器、脚本来控制其整体或单个的运动，模拟出现的真实效果。通过粒
子系统的发射器，根据一定的速率发射粒子。在粒子生命周期内，可以通过粒子影响器来影响粒子的速度、朝向、颜色、大小等属性，使之模拟出各种真实的效果。当粒子生命周期结束后，通过粒子系统的回收机制将其回收，以备下次发射使用。
86.纹理制作过程，通常先通过拍摄、下载等方式收集原始火焰、烟气、爆炸纹理素材，再通过photoshop等图像处理软件进行处理。燃烧、烟气、爆炸等粒子扩散模型通常根据实际效果进行可视化，达到视觉上的真实感。
87.立体音效能够实现对多种实体在飞行、运动、停止等不同活动或运动状态时的音效可视化。声音分三种声音：区域声音、背景声音、立体声音。立体音效可以模拟自然特效如爆炸、风雨、等的声音特效进行可视化处理，也可以根据距离远近或时间顺序等特定时空进行可视化处理，如图6所示。
88.立体声音受距离的影响最大，用如下经验公式进行计算：
89.volume＝(vec1-vec2).distance()/dis*100
90.式中：dis是经验值，经常dis＝10000。
91.本发明提供了一种兼顾大场景与多特效的高效高逼真三维可视化方法，包括以下步骤：
92.第一步，构建可视化数据信息。
93.根据高程数据、影像数据、矢量地图，构建大场景与多特效的可视化数据，用户可配置需要显示的地理信息数据。同时，由于采用高效高逼真的三维可视化技术，地理空间数据渲染的帧率可达到30fps，极端情况下也不低于25fps。通过建立快速的数据流，平台引擎能有效地从磁盘上执行数据读取操作，提高数据交换效率。
94.第二步，根据数据建立三维可视化陆地场景及特效，包括地表、建筑、地表植被等。
95.陆地渲染，通过调整网格高度模拟地形的起伏，一幅精致的纹理便可以表现如山体、道路、河流、湖泊、建筑、植被等自然面貌。其可视化流程如图7所示：一般使用卫星或航拍等数据，获得地形高程图；将高程图使用globalmapper、3dmax等工具软件，转换为bmp、flt等高度图格式或纹理；在编辑器中将地形高度图导入文件；渲染过程中根据高度与纹理信息，构建地形网格，根据当前的摄像机朝向，进行视锥剪裁和lod处理；最终将地形网格模型提交给gpu进行渲染。
96.第三步，根据数据建立三维可视化海洋场景及特效，包括海岸带、海面场景等。
97.海岸带三维场景是由陆地地形数据和近岸水深数据融合而成的，而基于不同高度的瞬间海面则构成了海水面三维场景。海岸带三维场景和海水面三维场景一起构成了海岸带空间时态复合的三维海洋场景。
98.海岸带场景能够综合水下和陆地地形，三维可视化的关键是海陆拼接区域的建模处理。本发明通过两种办法来构建海陆统一的海岸带地形模型，第一种办法是水下地形和陆地地形分别单独进行三维可视化建模，然后把提取出来的海岸线作为水下和陆地的分界线。第二种办法是把水下和陆地的地形作为一个整体，在统一的框架下进行三维可视化建模，用于建模的数据是经过投影变换和坐标系统的统一，这样就可以将整个海岸带区域纳入一体化的空间格局中，从而有利于海岸带一体化分析和管理。
99.在统一的坐标框架下，海岸带地形和一般地形的构建基本一致。但在海岸带区域，由于海岸线和沿岸岛屿等特殊地形的要求，必须要体现海岸线及其它地形特征，需要在三
角网生成后对这些特征地形进行约束。海岸带地形三维可视化构建的流程，如图8所示。
100.海面场景主要体现为波浪的三维可视化。波浪作为水域环境的重要标志特征，对其模拟效果的好坏直接影响水域的最终显示效果。波浪可视化是一项关键技术，既要满足实时性要求，又要使波浪能和真实世界的某一波浪等级相吻合。
101.动态海面的三维可视化过程，包括制作波浪法线纹理图；在海面区域创建海面网格；根据海面网格和海底地形，生成海面坡度和深度纹理图；根据海面的法线、坡度和深度纹理，使用fftnoise算法，建立扰动数学模型；将扰动数学模型应用到海面网格，形成波浪扰动网格模型；加入光照，形成海面波浪效果。动态海面绘制流程，如图9所示。
102.第四步，建立三维可视化气象及环境场景及特效，包括天气条件、水文条件。
103.三维气象可视化应用于各种气象环境场景及特效条件，包括雨、雪、云、雾、闪电、海浪等特征气象，还包括气压、温度、湿度、盐度等气象数据。本发明进行气象环境动态设置，根据需要制定任意时间的任意气象，可设置雨水大小、云的密集度和闪电、自定义雾的高度、范围、强度，可设置风力大小、方向、阵风、海浪大小。
104.在技术实现上，气象场景及环境特效采用三维图形引擎，实现对三维场景的渲染与生成，同时提供视点设置、地形高度计算、通视计算、碰撞检测、指定点经纬度查询、指定点或区域环境信息查询、距离计算及区域计算等辅助功能。
105.根据推演平台提供的天气条件、水文条件、海况建立典型气象与环境模型，实现过程如图10所示。
106.第五步，构建声音特效
107.声效合成与控制的特效能够实现对各类实体本身或干扰形成的声音，以及环境中的风、雨等声音的进行可视化。声音分三种声音：区域声音、背景声音、立体声音。区域声音、背景声音大体相同，声音大小不受位置的影响。但区域声音只有在某个特定的包围盒里才能被听见。实现三维可视化音效，需要对声效进行合成与控制，需要根据距离的远近表现地面车辆运行、建筑燃烧、可燃物爆炸等声音效果，实现流程如图11所示。
108.第六步，场景可视化进度控制
109.对大场景和多特效的三维可视化在展示时需要利用进度控制。为此，通过记录器、回放器等可以可视化过程的记录与回放，并按照一定时间倍率进行演示过程的加速或减速运行，执行演示过程的冻结和解冻等。在演示过程中的进度控制包括启动、播放、暂停、倍速(支持多倍速设置)、终止等，并同时进程控制、演示过程、演示状态、演示参数等进行控制或设置，也可与其他可视化系统进行数据交互，提供与其他可视化系统数据、事件的交互接口及标准结构，支持接收其他系统推演过程中实体产生的轨迹、行为、状态、关键事件、回放数据等，都能够进行可视化展示，如图12所示。
110.有益效果：本发明从高效图形绘制和典型特效封装两个视角，提供了一种兼顾大场景与多特效的高效高逼真的三维可视化方法。利用该方法，可以在大场景与多特效兼顾的基础上，提高了高效高逼真的三维可视化效果。本发明同时在智慧城市领域进行了初步应用，支持某单位进行了三维可视化现场演示，解决了大场景高效高逼真与局部特效实时渲染之间的矛盾。
111.以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范
围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，其特征在于，所述三维可视化方法包括：构建可视化数据信息；根据所述可视化数据信息建立三维可视化陆地场景及特效；根据所述可视化数据信息建立三维可视化海洋场景及特效；建立三维可视化气象及环境场景及特效；构建声音特效；对大场景和多特效的三维可视化在展示时利用进度控制。2.根据权利要求1所述的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，其特征在于，所述构建可视化数据信息具体包括：获取高程数据、影像数据、矢量地图；构建大场景与多特效的可视化数据，用户可配置需要显示的地理信息数据。3.根据权利要求1所述的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，其特征在于，所述根据所述可视化数据信息建立三维可视化陆地场景及特效具体包括：所述陆地场景包括地表、建筑和地表植被；陆地渲染，通过调整网格高度模拟地形的起伏，一幅精致的纹理便表现如山体、道路、河流、湖泊、建筑、植被；使用卫星或航拍数据，获得地形高程图；将高程图使用globalmapper、3dmax工具软件，转换为bmp、flt高度图格式或纹理；在编辑器中将地形高度图导入文件；渲染过程中根据高度与纹理信息，构建地形网格，根据当前的摄像机朝向，进行视锥剪裁和lod处理；将地形网格模型提交给gpu进行渲染。4.根据权利要求1所述的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，其特征在于，所述根据所述可视化数据信息建立三维可视化海洋场景及特效具体包括：所述海洋场景包括海岸带、海面场景；所述海岸带三维场景是由陆地地形数据和近岸水深数据融合而成的，基于不同高度的瞬间海面则构成了海水面三维场景；海岸带三维场景和海水面三维场景一起构成了海岸带空间时态复合的三维海洋场景。5.根据权利要求4所述的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，其特征在于，所述海岸带地形三维可视化的方法具体包括：获取陆海地形数据；将坐标框架统一，获得统一坐标框架；根据所述统一坐标框架生成普通三角网；进行等高线约束；优化所述普通三角网；进行边界约束。6.根据权利要求4所述的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，其特征在于，所述根据所述可视化数据信息建立三维可视化海洋场景及特效还包括：动态海面的三维可视
化方法具体包括：制作波浪法线纹理图；在海面区域创建海面网格；根据所述海面网格和海底地形，生成海面坡度和深度纹理图；根据海面的法线、坡度和深度纹理，使用fftnoise算法，建立扰动数学模型；将扰动数学模型应用到海面网格，形成波浪扰动网格模型；加入光照，形成海面波浪效果。7.根据权利要求1所述的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，其特征在于，所述建立三维可视化气象及环境场景及特效具体包括：三维气象可视化应用于各种气象环境场景及特效条件，包括雨、雪、云、雾、闪电、海浪特征气象，还包括气压、温度、湿度、盐度等气象数据；进行气象环境动态设置，根据需要制定任意时间的任意气象，可设置雨水大小、云的密集度和闪电、自定义雾的高度、范围、强度，可设置风力大小、方向、阵风、海浪大小；气象场景及环境特效采用三维图形引擎，实现对三维场景的渲染与生成，同时提供视点设置、地形高度计算、通视计算、碰撞检测、指定点经纬度查询、指定点或区域环境信息查询、距离计算及区域计算辅助功能；根据推演平台提供的天气条件、水文条件、海况建立典型气象与环境模型。8.根据权利要求1所述的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，其特征在于，所述构建声音特效具体包括：判断场景动作，录制场景实际声效；声效关联场景的动作；读取声效配置；进行声效播放。9.根据权利要求1所述的一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，其特征在于，所述对大场景和多特效的三维可视化在展示时利用进度控制具体包括：通过记录器、回放器可视化过程的记录与回放，并按照一定时间倍率进行演示过程的加速或减速运行，执行演示过程的冻结和解冻；在演示过程中的进度控制包括启动、播放、暂停、倍速、终止，并同时进程控制、演示过程、演示状态、演示参数进行控制或设置，也与可视化系统进行数据交互，提供与可视化系统数据、事件的交互接口及标准结构；支持接收其他系统推演过程中实体产生的轨迹、行为、状态、关键事件、回放数据，都能够进行可视化展示。

技术总结
本发明提供了一种大场景与多特效兼备的三维可视化方法，所述三维可视化方法包括：构建可视化数据信息；根据所述可视化数据信息建立三维可视化陆地场景及特效；根据所述可视化数据信息建立三维可视化海洋场景及特效；建立三维可视化气象及环境场景及特效；构建声音特效；对大场景和多特效的三维可视化在展示时利用进度控制。本发明解决了三维可视化方法中高效图形绘制与典型特效封装的问题，使得大场景与多特效的三维可视化能够演示宏大的场景，而且能够栩栩如生地渲染细节层面，从而更好地呈现真实的现实世界。现真实的现实世界。现真实的现实世界。


技术研发人员：胡丽芳 陈俐颖 张帆 董航
受保护的技术使用者：北京电子工程总体研究所
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/12