[发明专利]基于GPU的三维海洋矢量场动态脉面可视化方法

说明书

基于GPU的三维海洋矢量场动态脉面可视化方法本发明涉及一种基于GPU的三维海洋矢量场动态脉面可视化方法。该算法针对海洋数据特点，将海洋三维矢量场数据以三维纹理方式存储在GPU中，利用ping‑pong fashion驱动矢量场中粒子流动，并结合GPU的geometry shader(几何元着色器)，进行三维脉面的粒子间粗化及细化。针对海洋Z坐标数据的特点，在GPU中采样成均匀的等深的三维矢量场数据，以此进行三维时变矢量场数据的可视化，辅助海洋科研人员进行科学研究与分析。

技术领域

本发明属于信息技术和海洋技术领域，尤其涉及基于GPU的三维海洋矢量场动态脉面可视化方法。

背景技术

流场可视化是可视化研究的一个重要方向,在科学计算和工程分析中占据着非常重要的地位，其对海洋的科学研究与分析也具有十分重要的意义和价值。

在交互性流场可视化中，对流线的积分以及可视化从开始就已经成为一种标准工具。在时变流场中，因为迹线和脉线能够反映出流场的重要特征已经成为了研究的关注点。迹线可以表现流体质点的运动轨迹，脉线可以表现某指定时刻所有那些曾经过某定点的流体质点所组成的曲线。

在流线可视化的基础上，积分曲面的可视化也已经证实了其有效性。流面以及轨迹面的的构建是易于理解的，主要思想就是对面最前的线进行积分，并且会在适当的时候进行对线的自适应的精细或粗化。随着线的生长，产生的面并不会产生变化。而脉面可视化却要复杂许多，每一个时间帧都要对流场所有数据进行重新计算绘制，这对于算法以及计算机性能有了很大要求。

在计算机辅助的流场可视化领域，几种不同的可视化方法也存在着类比，但是脉面可视化也因为它计算的复杂性，很少被海洋流场可视化所应用。脉面可视化可能会在任何地方改变形状，并且每个空间点，每个时刻都在进行着积分运算，脉面的每个部分在每个时间都在进行粗化或细分策略的执行。这在一方面可能会受计算机运算效率的限制，另一方面可能会对数据进行一定限制。

国内外在脉面的可视化方面也做了许多相关的研究，并且分别在CPU上或者GPU上进行脉面可视化的实现，但是针对海洋三维流场可视化的应用并没有相关实际使用及实现，并且也没有针对海洋数据的特点进行相关的实验及进展，而脉面可视化却有对海洋科研人员进行海洋数据的处理以及更深入了的理解有巨大的帮助。

发明内容

本发明提供一种基于GPU的三维海洋矢量场动态脉面可视化方法。其在海洋三维矢量场进行脉面可视化是完全基于GPU进行可视化架构的构建，并且针对海洋z坐标数据特点进行在GPU中的数据处理，本方案最终形成原型验证系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，其包括以下步骤：

（1）基于GPU的海洋三维矢量场动态脉面可视化架构构建；

（2）针对海洋矢量场Z坐标数据进行直接地可视化。

本发明旨在研究基于GPU的三维海洋矢量场动态脉面可视化方法。

本发明的设计思路是：建立基于GPU的海洋三维矢量场动态脉面可视化架构，将三维流场数据以纹理的方式存储在GPU中，并且在GPU中的Geometry Shader（几何元着色器）中进行细化或粗化策略的执行，在Vertex Shader（顶点着色器）中进行粒子的积分，通过GPU的ping-pong Fashion特性进行粒子的不断驱动。

所述步骤（1）中，针对海洋数据的特点，海洋三维矢量场数据以三维纹理的方式存储在GPU中，并提前存储t1，t2两个时间点的数据在GPU，CPU中用来进行多个时间点矢量场数据的保存并可以根据时间t进行与GPU之间数据的交换，同时，CPU中也可以通过文件读取的方式进行CPU中数据的交换。