[发明专利]基于GPU的可交互海洋三维流场动态可视化算法

摘要

本发明属于科学可视化领域，具体涉及一种基于GPU的可交互海洋三维流场动态可视化算法。该算法基于规则网格的模式数据，采用在三维流场空间中均匀放置种子点算法，并把利用高斯函数设计的密度球映射到多层纹理来控制种子点的均匀分布，最后采用GPU加速渲染技术生成流线，然后利用Tessellation细分曲面技术将流线扩展为管线，实现海洋三维流场的动态可视化绘制。为了提高三维流线的空间感知，我们采用Phong/Blinn光照模型对流线进行光照处理。而且该算法基于GPU实现，流线生成和控制的效率更高。

主权项

一种基于GPU的可交互海洋三维流场动态可视化方法，具体包括以下基本步骤：（1）通过GPU的transform feedback机制实现粒子在三维流场中的运动，并利用径向基函数设计密度球来控制粒子在三维流场中的分布密度，其特征在于：在海洋三维流场中随机均匀的分布粒子，粒子的属性包括位置和年龄，初始化粒子的年龄均为0，粒子位置根据粒子在VBO中索引计算保证其在流场中的均匀分布，根据粒子位置采样速度场获得粒子所在位置的速度，通过四阶Runge‑Kutta积分和transform feedback机制更新粒子的位置，同时增加粒子的年龄；通过径向基函数设计密度球来表达粒子的影响范围，然后采用Multiple Render Target技术创建三维纹理存储能够表达粒子分布的密度图，对每一个活跃粒子计算其所在位置的粒子密度，如果超过某一上限值时，有概率的随机剔除该粒子；被剔除的粒子将被赋予一个随机新位置，若新位置对应的粒子密度小于某一阈值，则将其置为活跃粒子，否则置为死亡粒子；对死亡粒子也赋予一个随机的新位置，进行同样的处理； （2）通过GPU的Tessellation细分曲面技术基于粒子位置生成流线，其特征在于：在GPU的Tessellation Control Shader中，以粒子的位置作为流线的起始点，将坐标归一化到0~1采样三维流场，通过四阶Runge‑Kutta向后积分得到一个新位置，再以该位置为起点重复上述步骤，一步一步将流线上的关键点计算出来，其余点作为起始点的属性参数传递给Tessellation Evaluation Shader；然后利用Tessellation Evaluation Shader把传入的点作为骨干点细分出包围这些点的管线，作为最终的流线表达形式；生成流线时在Tessellation Control Shader设置细分参数来控制流线上点的最大数目，当流线生长到三维流场边缘时停止积分；另外，将不同粒子年龄对应流线不同的透明度，粒子的新生和死亡对应流线的淡入和淡出，来增强流线空间感知；（3）采用Phong / Blinn 光照模型对流线进行光照处理，使得流线在三维空间中具有高光、明暗和阴影的变化，以此来提高三维流线的空间感知。