專利名稱：基于圖像集的大規(guī)模數(shù)字化高程數(shù)據(jù)模型自動生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開一種利用系列半色調(diào)圖像自動生成大規(guī)模數(shù)字化虛擬地形高程數(shù)據(jù)模型DEM(Digital Elevation Model)的方法，內(nèi)容涉及圖像半色調(diào)處理與數(shù)據(jù)加權(quán)混合技術(shù)，尤其涉及一種數(shù)字化虛擬地形的自動制備方法。

背景技術(shù)：
數(shù)字化地形通常以高程數(shù)據(jù)模型DEM(Digital Elevation Model)作為表示形式，現(xiàn)有技術(shù)公開了多種數(shù)字化地形的生成方法。
一類通過測量技術(shù)直接由現(xiàn)實世界獲得相關(guān)地域數(shù)字化DEM的生成技術(shù)。該類技術(shù)由地形測量數(shù)據(jù)，如由遙測衛(wèi)星采集到的GIS(Geographic InformationSystem)數(shù)據(jù)等，直接生成地形的數(shù)字化DEM。這類方法的不足是，獲取符合特定需要的地形模型相對困難，且獲取成本較高，難以適應(yīng)諸如虛擬駕駛訓練以及電子游戲等應(yīng)用的需求。
一種稱為Sculpting的數(shù)字化地形生成技術(shù)。該技術(shù)通過手工塑造微型的物理地形模型，再用三維采集設(shè)備對其進行數(shù)字化處理來產(chǎn)生所需的DEM。使用該技術(shù)構(gòu)造地形DEM的時間周期相對較長。
一類基于分形過程的數(shù)字化虛擬地形DEM生成技術(shù)(參見Lewis J P.Generalized Stochastic Subdivision.ACM Transactions on Graphics，1987，6(3)167-190)。該類技術(shù)通過迭代的隨機分形過程，產(chǎn)生具有多尺度自相似性的分形地形外觀。該類技術(shù)的不足是，很難對地形的生成過程進行有效的控制。后來，人機交互手段被引入到此類技術(shù)中，使人們能夠通過鼠標等交互設(shè)備對地形生成過程進行編輯和修改，但對于大規(guī)模數(shù)字化地形的生成過程來說，人機交互工作過于繁重。
一種應(yīng)用于三維游戲的大型地形生成方法(參見王建民等.專利“一種基于PC平臺的三維游戲中大型地形生成方法”，申請?zhí)朇N200610122654.7)和一種基于視點的地形網(wǎng)格生成方法(參見華煒等.專利“一種與視點相關(guān)的基于四隊列優(yōu)化的地形網(wǎng)格生成方法”，專利號ZL200310108882.5)。這兩種方法都提出了如何由地形文件數(shù)據(jù)來生成用于顯示的大型數(shù)字化虛擬地形模型，但二者都需要用已經(jīng)制備好的地形DEM文件作為方法的輸入，其方法的核心在于解決地形繪制過程中的網(wǎng)格動態(tài)管理問題，而非解決地形DEM模型的合成與制備問題。
一種基于圖像徑向權(quán)混合的大規(guī)模虛擬地形合成技術(shù)(龐明勇等.大規(guī)模虛擬地形的圖像徑向權(quán)混合生成算法。南理工大學報(自然科學版)，2009，33(4)438-443)。該技術(shù)以一組圖像作為輸入，在對圖像進行濾波去噪等處理的基礎(chǔ)上，將圖像像素的灰度值作為地形高程值，再通過有限支撐函數(shù)的混合操作把不同圖像沿邊界處融合，產(chǎn)生大規(guī)模數(shù)字化虛擬地形。該技術(shù)的不足之處在于，由于混合操作中對地形子塊進行了對稱翻轉(zhuǎn)疊加等處理，使相鄰地形塊在拼接處附近產(chǎn)生了對稱性明顯的特征，從而在生成的地形中留下人工加工的痕跡。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于圖像集的大規(guī)模數(shù)字化高程數(shù)據(jù)模型自動生成方法，是一種基于圖像半色調(diào)處理與數(shù)據(jù)加權(quán)混合技術(shù)、利用圖像信息自動生成DEM的方法。生成的大規(guī)模DEM由一塊塊地形塊拼合而成，各個地形塊可以獨立存儲，相鄰地形塊之間的過渡自然平順，且無人工加工痕跡。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 1、對系列位像進行標準化預(yù)處理對尺寸大小不同的數(shù)字位像進行縮放處理，將所有用于生成數(shù)字化地形的位像都縮放為長寬一致的正方形標準圖像(稱為標準化圖像)。標準圖像占據(jù)的平面區(qū)域稱為圖像區(qū)域。
2、對標準化圖像進行半色調(diào)處理采用半色調(diào)處理技術(shù)將標準化圖像轉(zhuǎn)化為黑白二值點表示的半色調(diào)圖像，即將具有連續(xù)色調(diào)的標準化圖像轉(zhuǎn)化為圖像區(qū)域內(nèi)由黑色點構(gòu)成的、疏密度隨空間位置變化而變化的平面點集。
3、簡化平面點集根據(jù)設(shè)定的點集簡化控制參數(shù)，運用點集簡化方法對平面點集進行簡化處理，將平面點集簡化為指定密度的新點集(稱為簡化點集)，并為簡化點集中的每個點(稱為控制點)賦予一個隨機高度值，使該高度值的取值在輸入?yún)?shù)所確定的范圍內(nèi)。
4、分解標準化圖像并確定子塊間的相鄰關(guān)系將相關(guān)圖像區(qū)域拼接在一起，使之在平面上鋪嵌出一塊連續(xù)區(qū)域。接著，將每塊圖像區(qū)域一分為四，得到4塊大小相等、形狀相同的子塊，分別記為LU、LD、RU、RD(參見附圖14)。每個子塊的相鄰子塊共有8個，其中3個位于其自身所屬的圖像區(qū)域內(nèi)，其它5個位于其所屬圖像區(qū)域的相鄰圖像區(qū)域內(nèi)。如附圖15所示，共有A、B、C、D四個相鄰的圖像區(qū)域，其中A 中子塊ARD的8個相鄰子塊分別為ALD，ALU，ARU，BLU，BLD，DLU，CRU和CLU。對于其它子塊，類似地確定它們的相鄰子塊。
5、確定控制點的控制域和控制函數(shù)控制點vi的控制域是以控制點vi為圓心、以控制域半徑Ri為半徑的圓形區(qū)域，其中Ri由輸入的參數(shù)確定。簡化點集中各控制點的控制域半徑Ri可以相等，也可以不同，但其最大值不能超過圖像區(qū)域邊長的一半?？刂坪瘮?shù)是一個定義在控制域上的徑向單調(diào)減函數(shù)，其在圓心處取到最大值，隨著與圓心距離的不斷增加，其值不斷衰減，并在到達控制域邊界時衰減為0。附圖10中，半徑為R的圓為控制點v的控制域；附圖11示出了一個控制函數(shù)的圖像。
6、構(gòu)造地形柵格在每塊圖像區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生正交地形網(wǎng)格，使該網(wǎng)格恰好覆蓋整個圖像區(qū)域；以用戶輸入的參數(shù)確定網(wǎng)格的密度(即網(wǎng)格中小正邊形的數(shù)目)。再根據(jù)網(wǎng)格點(即小正邊形的頂點)在圖像區(qū)域內(nèi)的位置，確定其坐標。不同圖像區(qū)域上的網(wǎng)格具有相同的結(jié)構(gòu)和密度。附圖12為圖像區(qū)域上構(gòu)造出的地形網(wǎng)格的示例。
7、確定地形網(wǎng)格點(簡稱網(wǎng)格點)的高程值對于任一網(wǎng)格點p，首先確定它所屬于的圖像區(qū)域子塊，記為B0，并令圖像區(qū)域子塊B0的相鄰子塊為Bi(i＝1，2，…，8)。從這9個子塊B0，B1，B2，…，B8中尋找控制域覆蓋網(wǎng)格點p的所有控制點，并把它們記為vi(i＝1，2，…，k)，然后根據(jù)控制點vi的高程值hi、vi的權(quán)wi(p)、以及用戶輸入的全局控制參數(shù)η等計算p的高程值H(p)，如 計算出所有網(wǎng)格點的高程值后，即得到相應(yīng)圖像區(qū)域的地形塊DEM。
8、建立大規(guī)模地形的DEM模型每塊圖像區(qū)域上定義的DEM稱為地形塊DEM，上述得到的每個地形塊DEM中的網(wǎng)格點的坐標都是局部定義的。本步驟分別為每個地形塊DEM各設(shè)定一個偏移坐標，用以確定該地形塊DEM在全局地形坐標系中的位置。各偏移坐標分別為相應(yīng)圖像區(qū)域最左下網(wǎng)格點的全局坐標。如附圖13所示，對于整塊圖像區(qū)域的地形塊DEM(i，j)的偏移坐標為(i×d，j×d)，其中d為正方形地形塊DEM的邊長。將地形塊DEM的偏移坐標與塊內(nèi)網(wǎng)格點的局部坐標相加，便可得到該網(wǎng)格點的全局坐標。因此，將每個地形塊DEM的塊編號(i，j)、邊長d、網(wǎng)格點的局部坐標等存儲在磁盤上，并讓相鄰地形塊DEM的邊界網(wǎng)格點重合，便可構(gòu)成大規(guī)模DEM地形模型數(shù)據(jù)集。
本發(fā)明方法相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)點 1.提供多種參數(shù)對地形的生成過程進行控制，既能控制地形中局部細節(jié)的分辨率，又能控制地形塊DEM的大小以及全局地形的規(guī)模。
2.生成大規(guī)模地形DEM模型數(shù)據(jù)的過程具有局部性，即1)每個地形塊DEM的產(chǎn)生過程僅涉及局部少量的標準化圖像，有利于通過并行方法實現(xiàn)；2)單個地形塊的產(chǎn)生過程與將要產(chǎn)生的全局地形的總規(guī)模無關(guān)。
3.可以生成任意規(guī)模的數(shù)字化虛擬地形DEM數(shù)據(jù)；能夠通過在當前全局地形的邊界處添加新地形塊DEM的方式，對現(xiàn)存大型地形模型進行進一步擴充。
4.運用控制函數(shù)自然地實現(xiàn)了相鄰地形塊之間的無縫拼接，使相鄰地形塊之間的過渡更加自然，沒有人工加工的痕跡。
5.對作為數(shù)據(jù)源的圖像的選擇要求不高，可以通過不同的組合方式由相同的圖象集產(chǎn)生外觀不同的多態(tài)地形。



圖1是本發(fā)明方法的流程圖及相關(guān)數(shù)據(jù)的變換情況； 圖2是經(jīng)標準化處理后得到的正方形Lena圖標準圖像； 圖3是對Lena標準圖像進行半色調(diào)處理后得到的平面點集(臉部局部放大)； 圖4是取K＝8時的平面點集四叉樹層次剖分示意圖； 圖5是對圖3中四叉樹的葉結(jié)點進行點合并操作后的結(jié)果； 圖6是由圖3中的平面點集得到的1級簡化點集； 圖7是對1級簡化點集再次進行四叉樹層次剖分得到的結(jié)果(K＝8)； 圖8是對圖6中四叉樹的葉結(jié)點進行點合并操作后的結(jié)果； 圖9是由圖5中的1級簡化點集經(jīng)再次簡化得到的2級簡化點集； 圖10是控制點v的控制域，是以v為圓心、以R為半徑的圓； 圖11是一個控制函數(shù)的示例； 圖12是在圖像區(qū)域上構(gòu)造地形網(wǎng)格的示意圖； 圖13確定圖像區(qū)域的相鄰關(guān)系，其中每個小四邊形形表示一塊圖像區(qū)域； 圖14是將每塊圖像區(qū)域一分為四，得到4塊大小相等、形狀相同的子塊； 圖15是由A，B，C，D四個圖像區(qū)域構(gòu)造的相鄰區(qū)域； 圖16是子塊ARD及其鄰接的8個子塊的示意圖； 圖17是相鄰四塊圖像區(qū)域決定位于其中心的4個子塊的相鄰子塊； 圖18是圖像區(qū)域的層次分割示意圖及其四叉樹表示。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明做詳細說明。
如圖1所示，基于圖像集的大規(guī)模數(shù)字化虛擬地形自動生成方法，其具體實施步驟如下 根據(jù)用戶輸入的系列圖像∑＝{Ii，j}以及地形制備控制參數(shù)(包括標準化圖像的大小size、點集簡化的層級level與點集分割控制參數(shù)K、地形網(wǎng)格的密度density、控制域控制域參數(shù)radius或num、地形起伏度控制參數(shù)η等)，構(gòu)造大規(guī)模數(shù)字化虛擬地形。
1.對系列圖像進行標準化處理本實施例采用雙線性插值法對大小為length×width像素的圖像I進行縮放處理，將其轉(zhuǎn)化為大小為size×size像素的正方形標準圖像首先以圖像的左下角像素為原點建立直角坐標系，設(shè)標準化后的圖像中任一像素為p(x，y)(x∈
，y∈
)，通過變換得到其在原圖像中的對應(yīng)位置為q(x′，y′)，其中x′＝x·length/size，y′＝y(tǒng)·width/size，即有q(i+u，j+v)(i，j為正整數(shù)，u，v∈
。
4.確定相鄰子塊并分解標準化圖像假定用戶輸入系列圖像集∑＝{Ii，j}時，已經(jīng)指定了各Ii，j之間的上下和左右相鄰關(guān)系，例如圖像Ii，j與Ii±1，j、Ii，j±1以及Ii±1，j±1的相鄰關(guān)系如附圖13所示；若用戶未指定上述上述相鄰關(guān)系，則由計算機隨機確定相關(guān)圖像之間的相鄰關(guān)系。附圖13示出了一個平面四邊形區(qū)域的圖像區(qū)域鋪嵌方式，其中每個Ii，j表示一塊圖像區(qū)域，而(i，j)表示Ii，j在鋪嵌區(qū)域內(nèi)的位置坐標。
將每塊圖像區(qū)域Ii，j分解為如附圖14所示的4個均等子塊，并確定每個子塊的相鄰區(qū)域，Ii，j的各子塊的相鄰子塊在Ii，j、Ii±1，j、Ii，j±1以及Ii±1，j±1中。如附圖15所示，有A、B、C、D四個相鄰的圖像區(qū)域，其中A中子塊ARD的8個相鄰子塊分別為ALD，ALU，ARU，BLU，BLD，DLU，CRU和CLU(附圖16)。對于其它子塊，可以類似地確定它們的相鄰子塊。在附圖17中，相鄰四塊圖像區(qū)域完全確定了位于其中心的4個子塊的相鄰子塊，本實施例通過這種模式快速確定所有子塊間的相鄰關(guān)系。
5.確定控制點的控制域和控制函數(shù)有兩種方法來確定簡化點集內(nèi)每個點vi的控制域 1)如果輸入的控制域參數(shù)為num，則通過尋找距離控制點vi最近的其它num個控制點vji(j＝1，2，…，num)來自適應(yīng)地決定vi的控制域半徑。搜索各個vji的過程需要遍歷vi所在圖像區(qū)域及其相鄰圖像區(qū)域內(nèi)的所有控制點。這樣，便可取vi的控制域為以vi為中心、且恰好覆蓋上述num個點的面積最小的圓形區(qū)域。即，控制域半徑為 2)如果輸入的控制域參數(shù)為radius，則以數(shù)值radius作為簡化點集內(nèi)各點的控制域半徑R，使所有控制點都具有大小相同的圓形控制域，即Ri＝radius。
本實施例采用有限支撐徑向函數(shù)作為控制點的控制函數(shù)，即 其中 它決定了點vi的控制域中任意一點v相對于vi的權(quán)重wi(v)。
6.構(gòu)造地形柵格將圖像區(qū)域的四條邊均分為density等份，并稱每份為段元；連接垂直和水平邊上相應(yīng)的分割點，可以得到如附圖12所示的柵格網(wǎng)。設(shè)p(i，j)為柵格網(wǎng)中的任意網(wǎng)格點，則平面坐標(i，j)為p在X和Y軸方向上相對于最左下網(wǎng)格點所偏離的段元數(shù)目。如此，得到所有網(wǎng)格點的坐標。
7.確定地形網(wǎng)格點高程值對于網(wǎng)格點p(i，j)，它必屬于圖像區(qū)域Ω的4個子塊之一ΩLU，ΩLD，ΩRU或ΩRD。不失一般性，令該子塊為Ω0，通過第4步所確立的相鄰關(guān)系，可得它的8個相鄰子塊為Ωi(i＝1，2，…，8)。遍歷Ωi(i＝0，1，…，8)中所有控制點，尋找那些控制域覆蓋p的控制點，并把它們記為vi(i＝1，2，…，N)，則可按如下公式計算網(wǎng)格點p的高程值H(p) 其中，hi和wi(·)分別為控制點vi的高程值和控制函數(shù)；η為用戶輸入的地形起伏控制參數(shù)，用于控制地形的起伏高度； 8.建立大規(guī)模地形DEM由于每塊地形的邊長為size，所以圖像區(qū)域Ii，j所對應(yīng)的地形塊DEM的偏移坐標為(i×size，j×size) 將地形塊DEM的偏移坐標與塊內(nèi)各網(wǎng)格點的局部坐標相加，便可得到各網(wǎng)格點的全局坐標。讓相鄰地形塊DEM的邊界網(wǎng)格點重合，便可構(gòu)成一個整體的大規(guī)模DEM數(shù)據(jù)集。
權(quán)利要求
1.基于圖像集的大規(guī)模數(shù)字化高程數(shù)據(jù)模型自動生成方法，其步驟是
a、對系列位像進行標準化預(yù)處理將所有用于生成數(shù)字化地形的位像都縮放為長寬一致的標準化圖像；
b、對標準化圖像進行半色調(diào)處理將具有連續(xù)色調(diào)的標準化圖像轉(zhuǎn)化為圖像區(qū)域內(nèi)由黑色點構(gòu)成的、疏密度隨空間位置變化而變化的平面點集；
c、簡化平面點集根據(jù)設(shè)定的點集簡化控制參數(shù)，運用點集簡化方法對平面點集進行簡化處理，將平面點集簡化為指定密度的簡化點集，并為簡化點集中的每個控制點賦予一個隨機高度值，使該高度值的取值在輸入?yún)?shù)所確定的范圍內(nèi)；
d、分解標準化圖像并確定子塊間的相鄰關(guān)系將相關(guān)圖像區(qū)域拼接在一起，使之在平面上鋪嵌出一塊連續(xù)區(qū)域；接著，將每塊圖像區(qū)域一分為四，得到4塊大小相等、形狀相同的子塊(LU、LD、RU、RD)；每個子塊的相鄰子塊共有8個，其中3個位于其自身所屬的圖像區(qū)域內(nèi)，其它5個位于其所屬圖像區(qū)域的相鄰圖像區(qū)域內(nèi)；
e、確定控制點的控制域和控制函數(shù)控制點(vi)的控制域是以控制點(vi)為圓心、以控制域半徑(Ri)為半徑的圓形區(qū)域，其中控制域半徑(Ri)由輸入的參數(shù)確定；簡化點集中各控制點的控制域半徑(Ri)的最大值不超過圖像區(qū)域邊長的一半；控制函數(shù)是一個定義在控制域上的徑向單調(diào)減函數(shù)，其在圓心處取到最大值，隨著與圓心距離的不斷增加，其值不斷衰減，并在到達控制域邊界時衰減為0；
f、構(gòu)造地形柵格在每塊圖像區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生正交地形網(wǎng)格，使該網(wǎng)格恰好覆蓋整個圖像區(qū)域；以用戶輸入的參數(shù)確定網(wǎng)格的密度，再根據(jù)網(wǎng)格點在圖像區(qū)域內(nèi)的位置，確定其坐標；不同圖像區(qū)域上的網(wǎng)格具有相同的結(jié)構(gòu)和密度。
g、確定地形網(wǎng)格點的高程值對于任一網(wǎng)格點(p)，首先確定它所屬于的圖像區(qū)域子塊(B0)，從圖像區(qū)域子塊(B0)的9個相鄰子塊(B0，B1，B2，…，B8)中尋找控制域覆蓋網(wǎng)格點(p)的所有控制點(vi(i＝1，2，…，k))，然后根據(jù)控制點(vi)的高程值(hi)、控制點(vi)的權(quán)(wi(p))、以及用戶輸入的全局控制參數(shù)(η)計算網(wǎng)格點(p)的高程值
計算出所有網(wǎng)格點的高程值后，即得到相應(yīng)圖像區(qū)域的地形塊DEM；
h、建立大規(guī)模地形的DEM模型分別為每個地形塊DEM各設(shè)定一個偏移坐標，用以確定該地形塊DEM在全局地形坐標系中的位置；各偏移坐標分別為相應(yīng)圖像區(qū)域最左下網(wǎng)格點的全局坐標；將地形塊DEM的偏移坐標與塊內(nèi)各網(wǎng)格點的局部坐標相加，便可得到各網(wǎng)格點的全局坐標，并讓相鄰地形塊DEM的邊界網(wǎng)格點重合，便可構(gòu)成大規(guī)模DEM地形模型數(shù)據(jù)集。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于圖像集的大規(guī)模數(shù)字化高程數(shù)據(jù)模型自動生成方法，首先將各個數(shù)字位像縮放為標準化圖像，并對其進行半色調(diào)處理；再根據(jù)輸入?yún)?shù)對平面點集進行簡化處理，并為簡化點集中的每個點設(shè)定一個隨機高度值及一個圓形控制區(qū)域，并在每個控制區(qū)域上定義一個控制函數(shù)；在每塊標準化圖像上構(gòu)造地形網(wǎng)格，并確定網(wǎng)格點的控制點；用控制函數(shù)確定的權(quán)值將這些控制點的高度值混合在一起，作為虛擬地形塊網(wǎng)格點的高度值；最后通過拼合相鄰地形塊DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)生大規(guī)模DEM數(shù)據(jù)集。本發(fā)明實現(xiàn)了不同分辨率的大規(guī)模數(shù)字化DEM的自動化合成，其原理簡單、易于實現(xiàn)，并提供了多種參數(shù)對地形合成過程進行控制，能夠保證相鄰地形塊間的自然順滑過渡。
文檔編號G06T17/05GK101763659SQ20101001727
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者龐明勇, 樊春玲 申請人:南京師范大學