[發明專利]一種基于GPGPU的天然氣泄漏擴散的動態可視化方法

有效

• 申請號: 201710237761.2
• 申請日: 2017-04-12
• 公開（公告）號: CN107093207B
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 程若楨;陳靜
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T15/04
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

本發明提供一種基于GPGPU的天然氣泄漏擴散的動態可視化方法，由CPU進行泄露擴散范圍的頂點陣列生成處理，當CPU將t時刻泄露擴散范圍的頂點陣列載入PBO后，針對下一擴散時刻執行頂點陣列生成處理并載入另一個PBO時，由GPU將頂點陣列從PBO傳輸到三維紋理對象并繪制處理，將濃度值體數據和頂點光照透射率體數據通過GPGPU計算寫入三維紋理，通過采樣三維紋理完成屏幕像素點顏色值計算，實現了天然氣泄漏擴散條件下擴散濃度數據生成和基于球面的動態可視化一體化。本發明使用多尺度采樣策略優化了紋理映射效率，利用CPU和GPU異步處理的特性提高了動態渲染性能，展示了天然氣泄漏擴散過程中濃度分布的全貌和細節。

技術領域

本發明涉及GPGPU和三維地理信息可視化技術領域，特別是涉及一種針對天然氣泄漏擴散條件下的擴散濃度數據生成和基于球面的動態可視化一體化的方法。

背景技術

天然氣的泄露擴散事故危及國家能源的運輸安全，往往帶來不可估量的經濟損失和人員傷亡。及時準確地預測天然氣泄漏擴散后的濃度分布范圍，對于事故后的應急決策十分必要。

對于天然氣泄露擴散范圍的可視化表達，有關文獻提出的常用方法是結合GIS和大氣擴散模型，張斌才,趙軍.大氣污染擴散的高斯煙羽模型及其GIS集成研究[J].環境監測管理與技術,2008,05:17-19+55；歐陽坤.基于三維和時態GIS的大氣污染擴散模擬系統研究與實現[D].清華大學,2011；鄭茂輝,金敏,郭飛.GIS支持下的街區毒氣擴散過程建模與模擬[J].武漢大學學報(信息科學版),2013,08:935-939；簡洪登,范湘濤,王金鑫.地鐵站點有害氣體擴散三維可視化研究[J].測繪科學,2013,01:136-138+141。在結合GIS和大氣擴散模型來表達天然氣泄漏擴散范圍時，許多研究側重于泄漏擴散范圍在二維地圖上的可視化；泄漏擴散范圍在三維空間的擴散模擬主要是基于Marching Cubes算法繪制濃度等值面的三維可視化，存在的問題在于：(1)濃度等值面只能表示數據中部分等值面的結構和空間關系，不能反映天然氣泄漏擴散過程中濃度分布的全貌和細節；(2)對于大規模的濃度數據，濃度等值點的確定和濃度等值面的構建影響了渲染效率，因此常常是將濃度等值點數據的生成作為預處理過程，難以實現濃度數據生成和可視化的一體化。

體繪制技術是科學可視化技術的一種，能夠產生三維體數據的整體圖像，包括體內的有用細節。因此，體繪制技術能夠解決上述第一個問題。有關文獻結合體繪制技術實現了三維數據場的可視化。侯美華,吳志紅,陳楷民.基于OSG的實時煙霧模擬的研究與應用[J].計算機工程與設計,2011,06:2088-2091；胡自和,劉坡,龔建華,王群.基于虛擬地球的臺風多維動態可視化系統的設計與實現[J].武漢大學學報(信息科學版),2015,10:1299-1305。文獻中用于體繪制的三維數據場均為可以直接使用的規則體數據，不涉及體數據的生成過程。目前體繪制技術還沒有應用到天然氣泄露擴散模擬方面。

GPGPU是利用GPU進行的通用計算技術，經典GPGPU技術借助GPU圖形流水線的大規模并行計算能力，通過紋理映射功能實現通用算法的并行計算，極大地加速了通用計算過程。GPGPU技術和體繪制技術的結合能夠解決上述第二個問題，可以實現擴散濃度數據生成和動態可視化的一體化。卞燕山.三維數字化戰場中的核擴散表現技術[D].國防科學技術大學,2010。文獻中結合GPGPU技術和體繪制技術實現了三維數字化戰場中核素的動態擴散過程。該方法的不足之處在于將GPGPU計算得到核素擴散體數據和基于核素擴散體數據實現體繪制分裂為了兩個過程，沒有實現體數據生成和動態可視化的一體化。在使用GPGPU計算得到核素擴散體數據時沒有考慮三維球面的影響，并且使用固定的三維擴散范圍，難以完整地展示動態過程中不同時刻擴散范圍的全貌。

相關術語：

GPGPU 通用計算圖形處理器

GIS 地理信息系統

GPU 圖形處理器

CPU 中央處理器