[发明专利]基于GPU的大规模自然河道水体渲染的方法、装置和设备

权利要求书

1.一种基于GPU的大规模自然河道水体渲染的方法，其特征在于，包括如下步骤：

沿河道流向提取河道边界数据信息；

通过Delaunay三角剖分算法剖分河道，构建三角化河道，以有限点表示整个河道内流场分布情况；

利用所述河道边界数据信息，引入反比例权重函数构建流函数ψ，通过所述流函数ψ计算出符合实际特征的流场信息U(P_i)；

基于所述三角化河道，并结合所述流场信息U(P_i)获取整个河道流场图；

基于河道流场图采用FlowMap方法对水流进行渲染绘制，获取实际河道渲染场景图；

其中，所述基于所述三角化河道，并结合所述流场信息U(P_i)获取整个河道流场图包括如下步骤：

基于所述三角化河道将流场信息U(Pi)导入GPU中，并将河道最大流速导入顶点着色器，对流场信息U(Pi)进行归一化处理后导出至片元着色器，经坐标转换为纹理坐标并输出，获取整个河道流场图；

所述基于河道流场图采用FlowMap方法对水流进行渲染绘制，获取实际河道渲染场景图包括如下步骤:

在顶点着色器中对纹理坐标进行缩放偏移处理；

对流场纹理进行采样，获取河道水流流场信息(u，v)；

对流场信息(u，v)进行坐标转换，使其从[0,1]映射到为[-1,1]；

构造两个相位波形函数，所述两个相位波形函数周期相同，互为反相；

计算两个相位波形函数对应的混合因子；

依据欧拉公式对纹理坐标进行偏移处理，使得纹理发生扭曲变形，并通过改变纹理透明度实现纹理渐入渐出；

用偏移后的纹理坐标对法线纹理进行采样，对两个相位波形函数分别进行采样，并将采样结果进行插值混合，实现一张纹理向另一张纹理转变；

将混合后的法线用于光照计算；

输出水体渲染结果，获取实际河道渲染场景图。

2.根据权利要求1所述的基于GPU的大规模自然河道水体渲染的方法，其特征在于，所述沿河道流向提取河道边界数据信息包括：

沿河道流向河岸包括左岸与右岸，分别提取左岸线与右岸线；

对不同岸线设定不同的流函数值，左岸流函数值与右岸流函数值之差为岸线间单位厚度的水流流量。

3.根据权利要求1所述的基于GPU的大规模自然河道水体渲染的方法，其特征在于，所述利用所述河道边界数据信息，引入反比例权重函数构建流函数ψ，通过所述流函数ψ计算出符合实际特征的流场信息U(P_i)包括：

获取河道边界数据信息，依据水流运动连续性方程，引入反比例权重函数构建河道内流函数ψ(x,y)，其全微分为：

河道内任意点的流场为(u,v)，u、v为流速在x，y方向上分量，可通过流函数的偏导数求得，公式如下：

则河道内任意点P的流函数值表达为:

其中，d_i为河道内任意点P到边界B_i的最短距离，ψ_i为边界B_i的流函数值，W为权重函数；

其中，s为搜索半径，p为正实数，f为光滑函数，

f(t)＝6t⁵-15t⁴+10t³ (5)

通过上述公式(1)-(5)得到所有河道剖分点的流函数值ψ，以及通过对流函数求导得到河道剖分点的流场值U(P_i)，其中U(P_i)＝(u_i,v_i)。

4.根据权利要求1所述的基于GPU的大规模自然河道水体渲染的方法，其特征在于，所述FlowMap方法通过纹理动态变换来表现水流的流动效果。

5.根据权利要求1所述的基于GPU的大规模自然河道水体渲染的方法，其特征在于，在插值混合过程中引入噪声因子。