[發明專利]一種基于改進的光線投射算法的海洋水聲場三維可視化方法

有效

• 申請號: 201810552272.0
• 申請日: 2018-05-31
• 公開（公告）號: CN108874932B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 高峰;程海濤;劉廠;趙玉新;何忠杰;郭健
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F16/904
• 分類號: G06F16/904;G06T15/04;G06T17/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 冀學軍

1.一種基于改進的光線投射算法的海洋水聲場三維可視化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、對三維拋物線方程模型求出的海洋水下聲波聲強傳播損失數據進行預處理；

步驟二、針對圖像平面像素，按既定方向發出的各條光線分別進行自適應間距采樣，計算各條光線上所有重采樣點的坐標；

具體步驟如下：

步驟201、將圖像平面像素轉換到水聲場所在的世界坐標系中，得到其在世界坐標系下的坐標；

針對平面中某一條光線L，某點像素的坐標分量為(x,y,z)，轉換到世界坐標系下的坐標為(x₀,y₀,z₀)；

光線數學表達式為：(m,n,l)為光線L的方向；

步驟202、通過求解光線L和水聲場圓柱包圍盒的數學關系的起止交點，得到該光線初始采樣點的坐標；

首先，通過任意常數c計算光線數學表達式，得到三個坐標分量；

然后，結合圓柱包圍盒的數學表達式，得到關于c的一元二次不等式：

圓柱包圍盒的數學表達式為：

式中，r max為圓柱半徑，z max為圓柱的高度；

關于c的一元二次不等式為：

繼續，當一元二次不等式中判別式Δ＞0時，得到光線L與沿z軸無限延伸的圓柱側面的兩個交點，求出c的兩個解：

判別式為：

c的兩個解如下：

進而得到光線L與圓柱側面的第一個交點p₁和第二個交點p₂的坐標；

坐標如下：

最后，將兩個交點p₁和p₂的z坐標帶入圓柱包圍盒的數學表達式中，得到不同情況下光線L與圓柱包圍盒的交點；

完成光線L與圓柱包圍盒起止交點的求解，起始交點即為光線L的初始采樣點坐標；

步驟203、由光線L的初始采樣點開始，根據奈奎斯特采樣定理設定的步長，計算下一個重采樣點坐標；

計算公式如下：

式中，(x₁,y₁,z₁)為當前采樣點的位置坐標，初始取值初始采樣點坐標值；(x₂,y₂,z₂)為下一采樣點的位置坐標；delt為設定的采樣步長，設定delt小于1；

步驟204、將求得的下一個重采樣點的坐標由直角坐標轉換為柱坐標；

步驟205、判斷轉換為柱坐標的該重采樣點所在的體素是否為無效體素，如果是，則改變采樣步長為1，否則，保持原有采樣步長；

步驟206、返回步驟203，重復計算下一個重采樣點坐標，直到對光線L采樣完畢；

步驟207、重復步驟201直到屏幕像素的所有光線全部遍歷完畢，完成所有重采樣點坐標計算；

步驟三、利用三維數組中的數據，采用三線性插值算法對所有的重采樣點進行插值；

步驟四、按照用戶需求對插值后的重采樣點數值設定不同的顏色值和不透明度，完成數據分類；

步驟五、將屏幕上所有像素按光線方向從初始采樣點開始，對各光線上的重采樣點的顏色值和不透明度進行合成，完成海洋水聲場的三維可視化圖像；

合成公式如下：

其中：s(u,v)為屏幕上像素(u,v)的顏色值，c(e_i)表示第i個采樣點的顏色值，n表示采樣點的數量；α(e_j)表示第個j采樣點的不透明度，c(e₀)表示水聲場包圍盒初始采樣點的顏色值。

2.如權利要求1所述的一種基于改進的光線投射算法的海洋水聲場三維可視化方法，其特征在于，步驟一中所述的預處理，具體處理過程如下：水聲場以聲源為中心，得到若干方位的二維水聲場原始數據，分別存儲在txt文件中，依次對每個txt文件進行數據提取并按方位順序匯總到一個txt文件中，最后存儲到三維數組中。