[發明專利]基于GPU的可交互三維流場自適應分辨率動態可視化方法

有效

• 申請號: 201710827686.5
• 申請日: 2017-09-14
• 公開（公告）號: CN107633546B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 田豐林;程領騎;陳戈
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00;G06T15/04;G06T17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于科學計算可視化領域，具體涉及一種基于GPU的可交互三維流場自適應分辨率動態可視化方法。本發明提出了一種基于GPU的可交互三維流場自適應分辨率動態可視化方法。該方法在視截體中均勻放置種子點，根據預渲染數據體的近平面和遠平面紋理，將撒在數據范圍外的部分種子點移動到數據范圍內。生成概率密度球并渲染成概率密度體，以保證粒子在運動中的均勻分布。最后采用GPU加速渲染技術生成流線，然后利用Tessellation細分曲面技術將流線擴展為管線，實現三維流場的自適應分辨率動態可視化繪制。

技術領域

本發明屬于科學計算可視化領域，具體涉及一種基于GPU的可交互三維流場自適應分辨率動態可視化方法。

背景技術

流場可視化是科學可視化領域中重要的一支，隨著計算機運算能力的提高尤其是GPU并行處理能力的提升和觀測數據、模式數據資料的豐富，針對三維海洋流場的動態可視化成為可能，海洋流場三維可視化對于研究海流的產生、發展、消亡具有非常重要的意義。因此，三維流場可視化得到越來越多的關注，然而，三維流場固有的數據量大、變量多、隨時間變化等特點對我們可視化三維流場提出了極大的挑戰。人們提出了很多方法來解決這個問題，常見的方法有圖標法、基于3D紋理方法、基于特征提取的流線放置方法和基于粒子追蹤的幾何方法。圖標法一般采用矢量箭頭，箭頭的方向表示流場速度方向，并將速度大小映射到顏色空間，圖標法存在嚴重的遮擋問題，且難以做到實時交互；紋理法采用紋理圖像的方式表達流場特征，其特點是能夠表達流場的較多細節如：渦旋、源點、鞍點，但是紋理法仍解決不了遮擋問題，無法表達三維流場內部結構，所以該方法更適用于表達二維流場；基于特征提取的流線放置方法側重于表達流場的某一特征如渦旋等流場拓撲信息而不是表達全部的流場信息，而且該方法需要再可視化之前進行大量的預處理，所以不適用于實時可交互的三維流場可視化。

本發明提出的基于GPU的可交互三維流場自適應分辨率動態可視化方法，屬于基于粒子追蹤的幾何方法一類，本方法在視截體中均勻放置粒子，在數據范圍內的粒子基于其位置生成流線。相機的移動不改變撒點的密度，高效、精細地展現三維流場的各種特征。

發明內容

本發明提出了一種基于GPU的可交互三維流場自適應分辨率動態可視化方法。該方法在視截體中均勻放置種子點，根據預渲染數據體的近平面和遠平面紋理，將撒在數據范圍外的部分種子點移動到數據范圍內。生成概率密度球并渲染成概率密度體，以保證粒子在運動中的均勻分布。最后采用GPU加速渲染技術生成流線，然后利用Tessellation細分曲面技術將流線擴展為管線，顏色和透明度由傳輸函數控制，實現三維流場的自適應分辨率動態可視化繪制。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案，具體步驟為：

(1)將數據體的近平面和遠平面渲染成紋理，顏色表示在視截體中的深度；

(2)在視截體中撒點，通過(1)中生成的紋理矯正粒子位置。

(3)通過GPU的transform feedback機制實現粒子在三維流場中的運動，并利用徑向基函數設計密度球來控制粒子在三維流場中的分布密度，通過GPU的Tessellation細分曲面技術基于粒子位置生成流管。

(4)通過傳輸函數對流線的顏色和透明度進行控制。

上述步驟(1)分別繪制數據體(凸面體)的近平面和遠平面，將其在視截體中的深度歸一化作為顏色。步驟(2)在視截體中撒點，將點的深度值與數據體的遠、近平面比較，將落在數據體前或后的點重新撒在數據體中。步驟(3)以粒子的位置作為流線的起始位置，采樣數據體獲得速度，使用四階Runge-Kutta后向積分得到下一個位置，在TessellationShader中將粒子擴展為流管。

本發明的有益效果在于：該方法以流線的形式動態展示大型三維流場，自適應分辨率使視口中流線的密度不變，流場局部特征在放大后可顯示出更多細節。可以實時交互改變流線的長短、運動快慢和光滑程度，可通過傳輸函數改變流線顏色和透明度，方便觀察和理解復雜流場中的各種現象。