[发明专利]一种海洋流场数据的三维流线体绘制算法

说明书

技术领域

本发明属于海洋可视化领域，具体涉及一种海洋流场数据的三维流线体绘制算法。

背景技术

随着海洋探测手段的不断进步，人类获取海洋数据的能力不断提高，积累的海洋数据量也越来越庞大。准确的海洋数据可视化有助于提高海洋科学研究的效率。海洋特殊的地理环境，使得人们很难直接全面地观察到海洋各个层面现象及其内部特征。借助流场数据可视化技术，可以将海洋流场数据尽可能全面、直观地表达，来辅助海洋科研人员的解释工作。

针对二维三维流场数据可视化，目前已有多种矢量可视化绘制方法。基于纹理的方法在矢量场可视化中有极其重要的地位，基于纹理的方法中最常用的就是线积分卷积的方法，由于线积分卷积方法的巨大优势，其得到了长足的发展。Stalling等人介绍了一种快速的线积分卷积方法来减少传统方法的冗余计算，使得线卷积积分可以在实际中应用。Shen等人于1997年提出了一种对非稳定场进行可视化的方法，非稳定场也可以与稳定场一样展示Cao等人在2009年的ICBBE上将线积分卷积方法用在了超声医学的心肌运动可视化上。这些方法实现了二维矢量场的LIC绘制，没有针对海洋流场体数据，不能够全面的反映三维流体运动的特征。由于海洋流场数据量大并且随时间而变化，基于CPU生成三维流线的算法不能满足高效，实时的特点，可视化效率低下。

发明内容

本发明提出了一种基于GPU加速的算法，即基于海洋流场数据的三维线积分卷积(VolumeLIC)算法。该算法将基于纹理的线积分卷积方法拓展到三维矢量场可视化，通过设计稀疏线噪声纹理并配合卷积核提高生成三维流线纹理图象，显著增强空间深度感，并采用光线投射直接体绘制(Ray-Casting)方法生成VolumeLIC图象。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，具体步骤为：

(1)三维海洋流场数据预处理；

(2)三维LIC算法生成三维体纹理；

(3)Ray-Casting方法绘制体纹理。

上述步骤(1)将海洋原始数据格式进行处理，生成一个包含海洋流场信息的体数据。步骤(2)选择白噪声作为输入纹理，输出纹理的每个像素值均通过线积分卷积得到。步骤(3)从屏幕上每个像素点出发，发出一条射线，该射线穿过三维数据场的体素矩阵，沿该射线选择若干个等距采样点，对所有采样点的不透明度值及颜色值，采用由后到前或由前到后的方法将每一采样点的颜色及不透明度进行组合，从而计算出屏幕上该像素点处的颜色值。

本发明的有益效果在于：该算法以图象形式显示海洋流场的全貌，而且可以表现细节变化，由于纹理是连续的图像，基于纹理的方法可以克服箭标图和矢量线疏密造成的问题，具有更大的优越性。而且该算法在GPU中实现，对流线提取和进行可视化效率更高。

附图说明

图1LIC算法说明；

图2南海数据VolumeLIC可视化结果。

具体实施方式

本发明根据海洋流场数据的海量多维动态特征，将其处理为四维体数据(属性为经度，维度，深度和流场值)；并将LIC流线跟踪生成从二维平面扩展到三维空间，最后使用Ray-Casting方法进行绘制，显示在二维平面上。包括以下步骤：

1.三维海洋流场数据预处理

海洋数据组织形式是一个经纬度平面上均匀分布的四维数据体DataSet，表现形式为：

Value＝DataSet(Lat，Lon，Dep，Time)；Value∈{temp，salt，uvw}；

存储格式为科学数据格式NC文件。该数据体的维度包括经度，纬度，深度和时间，每个数据点上存储流场三方向上标量值(UVW)。垂向数据采集的规则决定越靠近海平面或者深度越浅，采集的数据越密，深度越大，采集的数据越小。而且海底地形起伏决定了数据体每一垂向上的最大深度也不同，所以该四维数据体垂向上是不均匀分布的。每一采集点上的深度被存储在一个查找表文件HSet中。H＝HSet(Lat，Lon，Num)，可以查找均匀分布经纬度上对应不同顺序的深度值。采用线性插值的方法，根据相邻点插值出每个深度层上的流速值。最终根据深度信息和NC文件生成一个三维流场体数据。

2.三维LIC算法生成三维体纹理