專利名稱：一種海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維流線體繪制算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋可視化領(lǐng)域，具體涉及一種海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維流線體繪制算法。
背景技術(shù)：
隨著海洋探測(cè)手段的不斷進(jìn)步，人類獲取海洋數(shù)據(jù)的能力不斷提高，積累的海洋數(shù)據(jù)量也越來(lái)越龐大。準(zhǔn)確的海洋數(shù)據(jù)可視化有助于提高海洋科學(xué)研究的效率。海洋特殊的地理環(huán)境，使得人們很難直接全面地觀察到海洋各個(gè)層面現(xiàn)象及其內(nèi)部特征。借助流場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，可以將海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)盡可能全面、直觀地表達(dá)，來(lái)輔助海洋科研人員的解釋工作。針對(duì)二維三維流場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化，目前已有多種矢量可視化繪制方法?；诩y理的方法在矢量場(chǎng)可視化中有極其重要的地位，基于紋理的方法中最常用的就是線積分卷積的方法，由于線積分卷積方法的巨大優(yōu)勢(shì)，其得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。Stalling等人介紹了一種快速的線積分卷積方法來(lái)減少傳統(tǒng)方法的冗余計(jì)算，使得線卷積積分可以在實(shí)際中應(yīng)用。Shen等人于1997年提出了一種對(duì)非穩(wěn)定場(chǎng)進(jìn)行可視化的方法,非穩(wěn)定場(chǎng)也可以與穩(wěn)定場(chǎng)一樣展示Cao等人在2009年的ICBBE上將線積分卷積方法用在了超聲醫(yī)學(xué)的心肌運(yùn)動(dòng)可視化上。這些方法實(shí)現(xiàn)了二維矢量場(chǎng)的LIC繪制，沒(méi)有針對(duì)海洋流場(chǎng)體數(shù)據(jù)，不能夠全面的反映三維流體運(yùn)動(dòng)的特征。由于海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)量大并且隨時(shí)間而變化，基于CPU生成三維流線的算法不能滿足高效，實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，可視化效率低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于GPU加速的算法，即基于海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維線積分卷積(VolumeLIC)算法。該算法將基于紋理的線積分卷積方法拓展到三維矢量場(chǎng)可視化，通過(guò)設(shè)計(jì)稀疏線噪聲紋理并配合卷積核提高生成三維流線紋理圖象，顯著增強(qiáng)空間深度感，并采用光線投射直接體繪制(Ray-Casting)方法生成VolumeLIC圖象。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，具體步驟為(I)三維海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理；(2)三維LIC算法生成三維體紋理；(3) Ray-Casting方法繪制體紋理。上述步驟(I)將海洋原始數(shù)據(jù)格式進(jìn)行處理，生成一個(gè)包含海洋流場(chǎng)信息的體數(shù)據(jù)。步驟(2)選擇白噪聲作為輸入紋理，輸出紋理的每個(gè)像素值均通過(guò)線積分卷積得到。步驟(3)從屏幕上每個(gè)像素點(diǎn)出發(fā)，發(fā)出一條射線，該射線穿過(guò)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的體素矩陣，沿該射線選擇若干個(gè)等距采樣點(diǎn)，對(duì)所有采樣點(diǎn)的不透明度值及顏色值，采用由后到前或由前到后的方法將每一采樣點(diǎn)的顏色及不透明度進(jìn)行組合，從而計(jì)算出屏幕上該像素點(diǎn)處的顏色值。本發(fā)明的有益效果在于該算法以圖象形式顯示海洋流場(chǎng)的全貌，而且可以表現(xiàn)細(xì)節(jié)變化，由于紋理是連續(xù)的圖像，基于紋理的方法可以克服箭標(biāo)圖和矢量線疏密造成的問(wèn)題，具有更大的優(yōu)越性。而且該算法在GPU中實(shí)現(xiàn)，對(duì)流線提取和進(jìn)行可視化效率更高。


圖1LIC算法說(shuō)明；圖2南海數(shù)據(jù)VolumeLIC可 視化結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明根據(jù)海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)的海量多維動(dòng)態(tài)特征，將其處理為四維體數(shù)據(jù)(屬性為經(jīng)度，維度，深度和流場(chǎng)值)；并將LIC流線跟蹤生成從二維平面擴(kuò)展到三維空間，最后使用Ray-Casting方法進(jìn)行繪制，顯示在二維平面上。包括以下步驟1.三維海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理海洋數(shù)據(jù)組織形式是一個(gè)經(jīng)緯度平面上均勻分布的四維數(shù)據(jù)體DataSet，表現(xiàn)形式為Value = DataSet (Lat，Lon, Dep, Time) ；Value G {temp, salt, uvw}；存儲(chǔ)格式為科學(xué)數(shù)據(jù)格式NC文件。該數(shù)據(jù)體的維度包括經(jīng)度，緯度，深度和時(shí)間，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上存儲(chǔ)流場(chǎng)三方向上標(biāo)量值(UVW)。垂向數(shù)據(jù)采集的規(guī)則決定越靠近海平面或者深度越淺，采集的數(shù)據(jù)越密，深度越大，采集的數(shù)據(jù)越小。而且海底地形起伏決定了數(shù)據(jù)體每一垂向上的最大深度也不同，所以該四維數(shù)據(jù)體垂向上是不均勻分布的。每一采集點(diǎn)上的深度被存儲(chǔ)在一個(gè)查找表文件HSet中。H = HSet (Lat, Lon, Num)，可以查找均勻分布經(jīng)緯度上對(duì)應(yīng)不同順序的深度值。采用線性插值的方法，根據(jù)相鄰點(diǎn)插值出每個(gè)深度層上的流速值。最終根據(jù)深度信息和NC文件生成一個(gè)三維流場(chǎng)體數(shù)據(jù)。2.三維LIC算法生成三維體紋理LIC基于矢量方向的相關(guān)性對(duì)噪聲紋理低通濾波，最終表現(xiàn)(顯示)相關(guān)性。具體地，LIC選擇噪聲(一般為白噪聲White Noise)作為輸入紋理，輸出紋理的每個(gè)像素值均通過(guò)線積分卷積得到。首先基于該像素沿矢量正、反方向?qū)ΨQ積分得到流線，流線上所有像素對(duì)應(yīng)的輸入噪聲值按卷積核(Convolution Kernel)參與卷積,結(jié)果作為輸出紋理的像素值(圖1)。對(duì)于輸出紋理(圖象)的某像素P，以P為中心沿正、反方向?qū)ΨQ線積分得到流線P ( T )，其中-L < T < L，L為正(反)向流線長(zhǎng)度。正反流線長(zhǎng)度相等可保持對(duì)稱相關(guān)性；特別地，當(dāng)T取0時(shí)對(duì)應(yīng)像素P。P的像素值T’(P (0))是流線各點(diǎn)噪聲紋理值的卷積
jk(T)T(p(T))dr T'(p(0)) = -
^k{r)dT
-L 離散形式為
權(quán)利要求
1.一種海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維流線體繪制算法，具體包括以下基本步驟 (1)三維海洋流流場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理； (2)通過(guò)三維LlC算法生成三維體紋理； (3)對(duì)體紋理采用RayCasting方法繪制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維流線體繪制算法，其特征在于根據(jù)海洋流場(chǎng)數(shù)據(jù)的海量多維動(dòng)態(tài)特征，將其處理為四維體數(shù)據(jù)(屬性為經(jīng)度，維度，深度和流場(chǎng)值)；并將LIC流線跟蹤生成從二維平面擴(kuò)展到三維空間，最后使用Ray Casting方法進(jìn)行繪制，顯示在二維平面上。
全文摘要
本發(fā)明屬于海洋可視化領(lǐng)域，具體涉及一種基于真實(shí)海洋流場(chǎng)體數(shù)據(jù)(Volume)的三維流線繪制算法。該發(fā)明本文將基于紋理的線積分卷積(LIC)方法拓展到三維矢量場(chǎng)可視化，通過(guò)設(shè)計(jì)稀疏線噪聲紋理并配合LIC卷積核提高生成三維流線紋理圖象，顯著增強(qiáng)空間深度感，并采用光線投射直接體繪制(RayCast)方法生成VolumeLIC圖象。該算法以圖象形式顯示海洋流場(chǎng)的全貌，而且可以表現(xiàn)細(xì)節(jié)變化，由于紋理是連續(xù)的圖像，基于紋理的方法可以克服箭標(biāo)圖和矢量線疏密造成的問(wèn)題，具有更大的優(yōu)越性。
文檔編號(hào)G06T15/08GK102999936SQ20121046519
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者田豐林, 馬純永, 于方杰, 韓勇, 陳戈, 吳合義, 李勃 申請(qǐng)人:北京中海新圖科技有限公司, 青島經(jīng)緯藍(lán)圖信息技術(shù)有限公司