[发明专利]基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种曲面时空模拟方法，特别是一种基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，典型应用有地面沉降动态模拟、地下水变化过程等动态模拟。

背景技术

我们知道，世界上90%的信息是通过视觉系统感知的，为了使信息表达更加形象直观，易于理解，图形成为传递信息的最主要媒体之一，计算机图形学因此得到了很大的发展。尤其随着现代科学技术的发展，三维图形可视化技术逐步发展起来，并成功应用在各行各业。三维图形图像可以形象直观地表达客观世界，三维动态模拟技术可以实现对难以描述的一些动态过程进行直观形象的模拟。

例如，在对某一个区域历年的地面沉降情况进行模拟时，以往一般的做法是将历年的沉降值以二维图表的形式表达出来，这种表达形式只能给人一种数值上的变化感知，没有地面的形态表达，更没有沉降动态的模拟过程。目前利用三维技术，用曲面模型表达地面的高程情况，用多个曲面模型模拟历年的地面沉降的多个状态，加上时间维度，就可以模拟出地面沉降的过程，这种动态的表达方式不仅可以直观地感到数值上的变化趋势，还较逼真地模拟了地面沉降动态变化过程。

然而，目前在三维动态过程模拟技术中，常常由于模型变化的无规则性，以及模型样本观测值的稀缺等原因，要想做出较准确的、实时的时空动态过程模拟比较困难。我们知道，在3D动画中，一般实现的方法是通过关键帧，一帧一个画面来实现一个过程的模拟。因为人的肉眼的反应时间是1/24秒，所以当画面数一秒钟达到24帧以上时，人眼是分不出来具体的每个画面的，看到的是连续的流畅的变化过程。所以在三维动态过程模拟中，也需要将关键帧设置在24帧以上，才能达到流畅的显示效果。但是原始数据量一般没有那么多，另外模型较多对内存要求也更高。

发明内容

本发明目的在于解决上述现有技术的不足，尤其是模型样本观测值的稀缺的问题而提出一种基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，可以实现流畅平滑的时空模拟过程。本方法突破常规对观测信息以数据或二维图表的形式表达的方式，而采用曲面时空变化的画面表达观测信息。本方法是由原始的数据构建模拟的初始曲面，再通过插值计算，构建出每个插帧时刻的曲面空间模型并显示，从而实现曲面时空动态过程的模拟。

为了实现本发明目的所采用的技术方案是：提出一种基于动态插帧技术的曲面过程时空模拟方法，通过计算机实施，包括以下步骤：

步骤一，开始模拟，构建模拟初始曲面：根据初始的已有数据利用普通三维曲面构建的方法先构建模拟的初始曲面； 

步骤二，初始化曲面模拟的参数：初始化参数包括整个模拟演示的时间和每秒钟插入的帧数：

步骤三，动态插帧构面，包括以下几个步骤：（1）、计算时间值；（2）、插值计算所有点的Z值；（3）、将所有点的Z值更新；（4）、重新构面；

所述计算时间值是计算当前插帧时刻距离模拟初始时刻的时间值； 

所述的插值计算所有点的Z值是根据原始观测信息计算所有点的Z值；

所述的将所有点的Z值更新是将步骤（2）计算的所有点的Z值更新到构建曲面的程序中；

所述的重新构面是在所有点的Z值更新后，由更新后的Z值重新构建曲面；

步骤四，将插帧构建的曲面进行三维显示，曲面三维显示之后继续转向步骤三，即继续重复进行插帧构建曲面，直至完成最后一个曲面模型的显示，即模拟过程结束。

本发明在曲面模拟过程中，在模拟之前获取的原始数据可以是地面离散观测点以及每一年观测得到的地面高程数据，也可以是每一年地面的曲面模型。如果获取的数据是原始的采样信息，则由离散的观测点和观测最初期的地面高程信息构建一个初始的曲面模型，可以利用普通三维曲面构建的方法构建即可。如果获取的数据已经是曲面模型，则可以直接利用这个原始的曲面为初始曲面模型。本发明在曲面模拟过程中，是在刷帧的过程中完成曲面的构建与更新，这样做可以避免占用计算机内存，有效地解决了对计算机内存需求大的要求。

本发明所述的动态插帧构面的过程中，插值计算所有点Z值的方法步骤如下：

①、原始采样的离散点不变，根据时间间隔△T内空间上的变化值△S，计算这一时间间隔内的平均变化速度V=△S/△T；