[发明专利]一种基于GPGPU的天然气泄漏扩散的动态可视化方法

说明书

本发明提供一种基于GPGPU的天然气泄漏扩散的动态可视化方法，由CPU进行泄露扩散范围的顶点阵列生成处理，当CPU将t时刻泄露扩散范围的顶点阵列载入PBO后，针对下一扩散时刻执行顶点阵列生成处理并载入另一个PBO时，由GPU将顶点阵列从PBO传输到三维纹理对象并绘制处理，将浓度值体数据和顶点光照透射率体数据通过GPGPU计算写入三维纹理，通过采样三维纹理完成屏幕像素点颜色值计算，实现了天然气泄漏扩散条件下扩散浓度数据生成和基于球面的动态可视化一体化。本发明使用多尺度采样策略优化了纹理映射效率，利用CPU和GPU异步处理的特性提高了动态渲染性能，展示了天然气泄漏扩散过程中浓度分布的全貌和细节。

技术领域

本发明涉及GPGPU和三维地理信息可视化技术领域，特别是涉及一种针对天然气泄漏扩散条件下的扩散浓度数据生成和基于球面的动态可视化一体化的方法。

背景技术

天然气的泄露扩散事故危及国家能源的运输安全，往往带来不可估量的经济损失和人员伤亡。及时准确地预测天然气泄漏扩散后的浓度分布范围，对于事故后的应急决策十分必要。

对于天然气泄露扩散范围的可视化表达，有关文献提出的常用方法是结合GIS和大气扩散模型，张斌才,赵军.大气污染扩散的高斯烟羽模型及其GIS集成研究[J].环境监测管理与技术,2008,05:17-19+55；欧阳坤.基于三维和时态GIS的大气污染扩散模拟系统研究与实现[D].清华大学,2011；郑茂辉,金敏,郭飞.GIS支持下的街区毒气扩散过程建模与模拟[J].武汉大学学报(信息科学版),2013,08:935-939；简洪登,范湘涛,王金鑫.地铁站点有害气体扩散三维可视化研究[J].测绘科学,2013,01:136-138+141。在结合GIS和大气扩散模型来表达天然气泄漏扩散范围时，许多研究侧重于泄漏扩散范围在二维地图上的可视化；泄漏扩散范围在三维空间的扩散模拟主要是基于Marching Cubes算法绘制浓度等值面的三维可视化，存在的问题在于：(1)浓度等值面只能表示数据中部分等值面的结构和空间关系，不能反映天然气泄漏扩散过程中浓度分布的全貌和细节；(2)对于大规模的浓度数据，浓度等值点的确定和浓度等值面的构建影响了渲染效率，因此常常是将浓度等值点数据的生成作为预处理过程，难以实现浓度数据生成和可视化的一体化。

体绘制技术是科学可视化技术的一种，能够产生三维体数据的整体图像，包括体内的有用细节。因此，体绘制技术能够解决上述第一个问题。有关文献结合体绘制技术实现了三维数据场的可视化。侯美华,吴志红,陈楷民.基于OSG的实时烟雾模拟的研究与应用[J].计算机工程与设计,2011,06:2088-2091；胡自和,刘坡,龚建华,王群.基于虚拟地球的台风多维动态可视化系统的设计与实现[J].武汉大学学报(信息科学版),2015,10:1299-1305。文献中用于体绘制的三维数据场均为可以直接使用的规则体数据，不涉及体数据的生成过程。目前体绘制技术还没有应用到天然气泄露扩散模拟方面。

GPGPU是利用GPU进行的通用计算技术，经典GPGPU技术借助GPU图形流水线的大规模并行计算能力，通过纹理映射功能实现通用算法的并行计算，极大地加速了通用计算过程。GPGPU技术和体绘制技术的结合能够解决上述第二个问题，可以实现扩散浓度数据生成和动态可视化的一体化。卞燕山.三维数字化战场中的核扩散表现技术[D].国防科学技术大学,2010。文献中结合GPGPU技术和体绘制技术实现了三维数字化战场中核素的动态扩散过程。该方法的不足之处在于将GPGPU计算得到核素扩散体数据和基于核素扩散体数据实现体绘制分裂为了两个过程，没有实现体数据生成和动态可视化的一体化。在使用GPGPU计算得到核素扩散体数据时没有考虑三维球面的影响，并且使用固定的三维扩散范围，难以完整地展示动态过程中不同时刻扩散范围的全貌。

相关术语：

GPGPU 通用计算图形处理器

GIS 地理信息系统

GPU 图形处理器

CPU 中央处理器