[发明专利]一种基于GPU的大范围离散流场体绘制方法

说明书

本发明提出了一种基于GPU的大范围离散流场体绘制方法。本发明方法首先进行数据体变量拆分和多级数据索引；然后根据相机姿态和离散流场外包计算在视野内的数据体行列数，根据相机到数据体中心的距离进行数据抽稀或插值，将立方体形式的离散流场数据体转换为弧形数据体载入；接着在GPU上通过垂直于相机到地球中心的射线对弧形数据体进行切片，并计算射线切割特征点及切面采样点的几何坐标；最后在GPU上基于预积分分类操作查询切片之间数据体的颜色和透明度值，实现离散流场的精细化体渲染。与现有技术相比，本发明提高了渲染率，且图像可视化效果更加精细平滑。

技术领域

本发明涉及计算机可视化领域，特别是涉及一种基于GPU的大范围离散流场体绘制方法。

背景技术

近年来，全球极端气候事件导致重特大水文气象灾害频繁发生，严重威胁人民生命财产安全。水文气象离散数据构成一个动态变化的三维流场，具有覆盖范围广泛、数据量庞大、结构复杂和动态变化等特点。大范围离散流场数据通常是TB级的“空间维+时间维+要素维”的多维数据，时空上存在从全局到局部及不同时间跨度的多尺度特征。虚拟地球是海量三维数据的重要可视化平台，基于虚拟地球研究流场三维动态可视化方法是水文气象等灾害预报应用的重要组成部分，通过逼真的三维动态模拟和可视化，不仅可以让用户直观地了解流场的运动状态，更能展现流场的运动过程，分析流场的内部结构，从而为灾害预报提供支持，在防灾减灾过程中发挥着重要作用。

体绘制是计算机图形学和可视化领域中极为重要的一部分，它是在二维图像上展示空间体细节的技术。体绘制的优点是能从所产生的图像中观察到三维数据场的整体和全貌，而不是仅仅显示等值面。基于体绘制的离散流场可视化方法包括光线投射法、抛雪球法、错切—变形法和三维纹理映射法等。其中三维纹理映射法由于具备GPU加速硬件支持及对密集体数据的高效绘制能力而成为当今较实用的体绘制方法。

对于大范围离散流场，由于数据量庞大且数据体形状复杂，目前基于三维纹理体绘制的研究主要是通过剖分流场体数据，运用八叉树分层分块的组织方法将体数据划分成多块小的数据体，并在绘制的过程中根据相机姿态调度八叉树数据，运用LOD技术绘制每个小立方体。这种方法能够实现大范围离散流场数据体绘制，但具有以下缺点为立方体形式的流场不符合现实中流场的地理形态，与地表曲面不够贴合容易出现缝隙，影响可视化效果；离散流场被剖分为多个小的数据体分别进行绘制，增加了载入和渲染批次，降低了离散流场的渲染效率；基于八叉树调度和LOD技术渲染数据体，不同的数据块分辨率不同，导致了相邻数据块之间衔接较差，容易产生线状边界，影响了渲染效果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于GPU的大范围离散流场体绘制方法。

本发明的技术方案为一种基于GPU的大范围离散流场体绘制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将大范围离散流场体数据变量按时间拆分，并建立多级数据索引；

步骤2：将建立多级数据索引的大范围离散流场体数据进一步进行数据体筛选、数据体采样以及数据体转换得到数据处理后的大范围离散流场体数据；

步骤3：在GPU上根据相机的位置计算相机到地球中心的射线，根据射线以及数据处理后的大范围离散流场体数据计算切片范围，根据切片范围沿着该射线方向基于一定的步长垂直等间距切割弧形数据体得到特征点，以特征点为中心垂直于射线进行切片，以特征点为中心并以切片与数据处理后的大范围离散流场体数据构建二维局部坐标系，并计算切片特征点的球面坐标；

步骤4：在GPU上根据切片特征点球面坐标计算切片特征点纹理坐标，根据预积分分类方法计算相邻切片中间的颜色和透明度值，并进行纹理贴图；

作为优选，步骤1中所述将大范围离散流场体数据变量按时间拆分为：

{T₁,T₂,…,T_N}