[發(fā)明專利]基于VR及手勢交互技術(shù)的全球氣候矢量場數(shù)據(jù)可視化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710208600.0
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN107168516B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧書芳;蔡歷;王晨;高飛
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06F3/0481;G06T17/05
• 代理公司: 杭州浙科專利事務(wù)所(普通合伙) 33213
• 代理人: 周紅芳

1.基于VR及手勢交互技術(shù)的全球氣候矢量場數(shù)據(jù)可視化方法，

其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟1)搭建3D環(huán)境，設(shè)計(jì)一個(gè)場景并根據(jù)球面體繪制方法構(gòu)造一個(gè)球形代理幾何；

步驟2)獲取由Natural Earth提供的地圖數(shù)據(jù)，并對地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再繪制到步驟1)設(shè)計(jì)場景中的球體上；

步驟3)獲取由美國國家氣象局操作的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)生成的天氣數(shù)據(jù)，并對天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)測每天生成四次，可從NOMADS下載，這些文件是GRIB2格式，包含超過300條記錄；

步驟4)對步驟3)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)向快速參考，用于轉(zhuǎn)換向量風(fēng)分量、風(fēng)速和風(fēng)向；

步驟5)對經(jīng)步驟4)處理后獲得轉(zhuǎn)換后的向量風(fēng)分量再進(jìn)行地轉(zhuǎn)風(fēng)近似求解；

步驟6)將步驟5)處理后的數(shù)據(jù)投影到步驟2)的球體上；投影方法如下：

采用雙線性內(nèi)插先在x軸上執(zhí)行線性插值，然后再在y軸上執(zhí)行線性插值，盡管每個(gè)步驟在采樣值和位置中是線性的，但是內(nèi)插作為整體不是線性的，而是在采樣位置的二次方，為了獲取函數(shù)f在點(diǎn)(x，y)上的值，已知四個(gè)點(diǎn)Q₁₁＝(x₁，y₁)，Q₁₂＝(x₁，y₂)，Q₂₁＝(x₂，y₁)和Q₂₂＝(x₂，y₂)的f的值，首先在x方向進(jìn)行線性插值，產(chǎn)生：

再通過在y方向上內(nèi)插來獲得期望的估計(jì)：

步驟7)有限差分近似用于在步驟6)插值過程期間估計(jì)失真，確保風(fēng)粒子路徑被正確渲染，得到可視化結(jié)果；

步驟8)交互設(shè)計(jì)，根據(jù)需求采用手勢交互技術(shù)定義各種操作手勢，實(shí)現(xiàn)全球氣候矢量場數(shù)據(jù)可視化，操作手勢包括水平豎直移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大及縮小。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于VR及手勢交互技術(shù)的全球氣候矢量場數(shù)據(jù)可視化方法，其特征在于步驟1)的球面體繪制方法如下：球面體繪制方法基于傳統(tǒng)的光線投射算法，采用球面坐標(biāo)表達(dá)構(gòu)造一個(gè)球形代理幾何，并以球面坐標(biāo)系的三個(gè)空間維度坐標(biāo)作為紋理坐標(biāo)，以歸一化后的三維體數(shù)據(jù)作為紋理坐標(biāo)，以所述球形代理幾何作為載體構(gòu)造三維體數(shù)據(jù)的三維體紋理，而在繪制過程前，又將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換回直角坐標(biāo)表達(dá)，通過求解二次方程計(jì)算投射光線與代理幾何的交點(diǎn)，具體為：

設(shè)當(dāng)前相機(jī)視點(diǎn)位置為(x₀,y₀,z₀),光線方位為單位向量(x_d,y_d,z_d)，則得到其參數(shù)化方程：

x＝x₀+x_d×t

y＝y(tǒng)₀+y_d×t

z＝z₀+z_d×t

由于球形代理幾何中心點(diǎn)為(0,0,0)，可以由方程來表達(dá)，將投射光線參數(shù)化方程帶入，得到：A×t²+B×t²+C＝0，其中，B＝2×(x₀x_d+y₀y_d+z₀z_d),

若二次方程無解，則相機(jī)視點(diǎn)在球體外且投射光線與代理幾何不相交；若有解，則根據(jù)解得情況計(jì)算不同的光線積分的初始點(diǎn)和光線積分的終止點(diǎn)，獲得當(dāng)前光線位置轉(zhuǎn)化為球面坐標(biāo)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于VR及手勢交互技術(shù)的全球氣候矢量場數(shù)據(jù)可視化方法，其特征在于步驟2)中的地圖數(shù)據(jù)預(yù)處理方法如下：將所獲取的地圖數(shù)據(jù)為GeoJSON格式轉(zhuǎn)換為D3.js適用的TopoJSON格式，即首先在processing中安裝GDAL和TopoJSON，然后將GeoJSON數(shù)據(jù)文件中邊界線記錄次數(shù)改為一次，且將浮點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)形式。