[发明专利]基于GPU的可交互海洋三维流场动态可视化算法

说明书

技术领域

本发明属于科学计算可视化领域，具体涉及一种基于GPU的可交互海洋三维流场动态可视化算法。

背景技术

流场可视化是科学可视化领域中重要的一支，随着计算机运算能力的提高尤其是GPU并行处理能力的提升和观测数据、模式数据资料的丰富，针对三维海洋流场的动态可视化成为可能，海洋流场三维可视化对于研究海流的产生、发展、消亡具有非常重要的意义。因此，三维流场可视化得到越来越多的关注，然而，三维流场固有的数据量大、变量多、随时间变化等特点对我们可视化三维流场提出了极大的挑战。人们提出了很多方法来解决这个问题，常见的方法有图标法、基于3D纹理算法、基于特征提取的流线放置算法和基于粒子追踪的几何算法。图标法一般采用矢量箭头，箭头的方向表示流场速度方向，并将速度大小映射到颜色空间，图标法存在严重的遮挡问题，且难以做到实时交互；纹理法采用纹理图像的方式表达流场特征，其特点是能够表达流场的较多细节如：涡旋、源点、鞍点，但是纹理法仍解决不了遮挡问题，无法表达三维流场内部结构，所以该方法更适用于表达二维流场；基于特征提取的流线放置算法侧重于表达流场的某一特征如涡旋等流场拓扑信息而不是表达全部的流场信息，而且该方法需要再可视化之前进行大量的预处理，所以不适用于实时可交互的三维流场可视化。

本发明提出的基于GPU的可交互海洋三维流场动态可视化算法属于基于粒子追踪的几何算法一类，本算法在三维流场中均匀放置粒子，并基于粒子位置生成流线，以流线的形式表现三维流场在三维空间上的瞬时特征，以迹线（粒子运动轨迹）的形式表现三维流场的时间连续特征，并且能对流线进行流线长短、运动快慢的实时控制，直观、高效地展现三维流场的各种特征。

发明内容

本发明提出了一种基于GPU的可交互海洋三维流场动态可视化算法。该算法采用在三维流场空间中均匀放置种子点算法，并把利用高斯函数设计的密度球映射到多层纹理来控制种子点的均匀分布，最后采用GPU加速渲染技术生成流线，然后利用Tessellation细分曲面技术将流线扩展为管线，实现海洋三维流场的动态可视化绘制，采用Phong / Blinn 光照模型对流线进行光照处理，提高三维流线的空间感知。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，具体步骤为：

(1)通过GPU的transform feedback机制实现粒子在三维流场中的运动，并利用径向基函数设计密度球来控制粒子在三维流场中的分布密度；

(2)通过GPU的Tessellation细分曲面技术基于粒子位置生成流线；

(3)采用Phong / Blinn 光照模型对流线进行光照处理，使得流线在三维空间中具有高光、明暗和阴影的变化，以此来提高三维流线的空间感知。

上述步骤(1)采样三维流场获得速度驱动粒子运动并实时生成表达粒子分布疏密概率密度图，根据粒子所在位置的疏密程度及粒子年龄随机剔除和产生粒子达到实时控制粒子均匀分布的目的。步骤(2)以粒子的位置作为流线的起始位置，使用四阶Runge-Kutta后向积分得到下一个位置，在Tessellation Shader中将粒子扩展为管线。步骤(3) 采用Phong / Blinn 光照模型对流线进行光照处理，提高三维流线的空间感知。

本发明的有益效果在于：该算法以流线的形式展示海洋三维流场的全貌，并且可是实时交互改变流线的长短、运动快慢和光滑程度，方便理解复杂的海洋中洋流的运动路线、涡旋的生成、演化和消亡。

附图说明

图1为基于GPU的可交互海洋三维流场动态可视化算法流程图。

具体实施方式

本发明在三维流场中均匀、密集的分布粒子，采样速度场驱动粒子运动，创建概率密度图来控制粒子分布；通过在Tessellation Shader中积分基于粒子位置扩展出流线；最后采用Phong / Blinn 光照模型对流线进行光照处理，提高三维流线的空间感知。包括以下步骤：

1. 通过GPU的transform feedback机制实现粒子在三维流场中的运动，并利用径向基函数设计密度球来控制粒子在三维流场中的分布密度。