[发明专利]基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法

说明书

本发明涉及一种基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法。本发明根据粒子的概率密度值及分布情况，调整流线的疏密程度，实现二维流线多分辨率可视化；将粒子分为视口内和视口外两部分，生成对应的概率密度图Local和Global；视口拉近瞬间，视口内流线较为稀疏，利用圆片法，粒子自动加密，同时流线加密；视口拉远瞬间，以年龄增长的方式杀死原视口内部分粒子，使新视口内所有粒子概率密度达到均匀分布的状态。本发明的优点在于能够有效地对已有二维流线实现多分辨率控制。

技术领域

本发明属于海洋信息技术可视化领域，主要涉及一种基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法。

背景技术

近年来，可编程GPU技术越来越多地应用于图形渲染和科学计算，随着观测手段以及计算机技术的发展，海洋数据的分辨率也越来越高。但是数据的分辨率并不等同于屏幕的像素分辨率，为了在保证渲染效率的前提下获得最佳渲染效果，有必要将多分辨率技术应用于二维流线的可视化中。

在流线可视化技术中，我们通常基于种子点构造二维流线，用流线的分布及运动方向、速度、颜色等来描述矢量场。因此，点的生成及死亡、点的数量及分布严重影响二维流线可视化的质量。

目前，在流线可视化领域，多分辨率流线处理技术主要应用了以下几种方法：

(1)点精灵法。点精灵法是将每个点作为一个精灵来处理，每个点精灵有其对应的纹理；点精灵有大小，即像素数值。

(2)距离计算法。在距离计算法中，主要通过点或线之间的距离来控制流线的疏密程度，从而实现多分辨率流线显示。距离主要包含以下五种：对应点对之间的“点-点”距离平均值；最近点距离平均值；平均阈值距离；最小距离的加权归一化数值和；在变换的特征空间的测量距离。

(3)几何特征法。在几何特征法中，需要计算流场的曲率、挠率等几何特征，一般曲率、挠率越大的区域，其对应的分辨率越高，反之，其对应分辨率越低。空间曲线的曲率表示曲线在某一点的弯曲程度；空间曲线的挠率表示曲线在某一点的扭曲程度，即曲线在这一点离开其密切平面的程度。

(4)模板法。在模板法中，依据给定的模板进行卷积运算等操作，实现流线多分辨率控制。

依据已有的研究成果，我们设计了一种简单、有效、快速的用于多分辨率判断的方法——圆片法。在圆片法中，将每个点看做一个有固定半径的圆片。流场粒子的运动，伴随着圆片的聚集、重叠、离散，通过控制圆片半径的大小以及重叠的程度来有效调节流线的多分辨率显示。

RKF45是五阶精度、四阶误差龙格-库塔-费尔伯格(Runge-Kutta-Fehlberg)方法的简称，它是对四阶龙格-库塔(RK4)方法的改进，主要采用变步长的方法获得有效的积分逼近数值。在本发明中，此方法用于计算一条流线上后续点的位置。

中心极限定理是概率论中描述随机变量的分布趋近于正态分布的一类定理，它指出大量随机变量积累分布函数逐点收敛于正态分布的积累分布函数的条件。

发明内容

本发明主要提供一种基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法，该方法能够有效地对已有的二维流线实现多分辨率控制。通过圆片法，调节粒子的密度分布，自适应调整流线的疏密程度，实现二维流线多分辨率可视化。

本发明采用的技术方案主要包括以下步骤：

(1)将粒子分为视口内和视口外两部分，生成对应的概率密度图Local和Global；

(2)视口拉近瞬间，视口内流线较为稀疏，利用圆片法，粒子自动加密，同时流线加密；

(3)视口拉远瞬间，以年龄增长的方式杀死原视口内部分粒子，使新视口内所有粒子概率密度达到均匀分布的状态；

(4)流线效果调整。