[发明专利]基于VR及手势交互技术的全球气候矢量场数据可视化方法

权利要求书

1.基于VR及手势交互技术的全球气候矢量场数据可视化方法，

其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1)搭建3D环境，设计一个场景并根据球面体绘制方法构造一个球形代理几何；

步骤2)获取由Natural Earth提供的地图数据，并对地图数据进行预处理，再绘制到步骤1)设计场景中的球体上；

步骤3)获取由美国国家气象局操作的全球预报系统生成的天气数据，并对天气数据进行预处理，预测每天生成四次，可从NOMADS下载，这些文件是GRIB2格式，包含超过300条记录；

步骤4)对步骤3)中的数据进行风向快速参考，用于转换向量风分量、风速和风向；

步骤5)对经步骤4)处理后获得转换后的向量风分量再进行地转风近似求解；

步骤6)将步骤5)处理后的数据投影到步骤2)的球体上；投影方法如下：

采用双线性内插先在x轴上执行线性插值，然后再在y轴上执行线性插值，尽管每个步骤在采样值和位置中是线性的，但是内插作为整体不是线性的，而是在采样位置的二次方，为了获取函数f在点(x，y)上的值，已知四个点Q₁₁＝(x₁，y₁)，Q₁₂＝(x₁，y₂)，Q₂₁＝(x₂，y₁)和Q₂₂＝(x₂，y₂)的f的值，首先在x方向进行线性插值，产生：

再通过在y方向上内插来获得期望的估计：

步骤7)有限差分近似用于在步骤6)插值过程期间估计失真，确保风粒子路径被正确渲染，得到可视化结果；

步骤8)交互设计，根据需求采用手势交互技术定义各种操作手势，实现全球气候矢量场数据可视化，操作手势包括水平竖直移动、旋转、放大及缩小。

2.根据权利要求1所述的基于VR及手势交互技术的全球气候矢量场数据可视化方法，其特征在于步骤1)的球面体绘制方法如下：球面体绘制方法基于传统的光线投射算法，采用球面坐标表达构造一个球形代理几何，并以球面坐标系的三个空间维度坐标作为纹理坐标，以归一化后的三维体数据作为纹理坐标，以所述球形代理几何作为载体构造三维体数据的三维体纹理，而在绘制过程前，又将球面坐标转换回直角坐标表达，通过求解二次方程计算投射光线与代理几何的交点，具体为：

设当前相机视点位置为(x₀,y₀,z₀),光线方位为单位向量(x_d,y_d,z_d)，则得到其参数化方程：

x＝x₀+x_d×t

y＝y₀+y_d×t

z＝z₀+z_d×t

由于球形代理几何中心点为(0,0,0)，可以由方程来表达，将投射光线参数化方程带入，得到：A×t²+B×t²+C＝0，其中，B＝2×(x₀x_d+y₀y_d+z₀z_d),

若二次方程无解，则相机视点在球体外且投射光线与代理几何不相交；若有解，则根据解得情况计算不同的光线积分的初始点和光线积分的终止点，获得当前光线位置转化为球面坐标。

3.根据权利要求1所述的基于VR及手势交互技术的全球气候矢量场数据可视化方法，其特征在于步骤2)中的地图数据预处理方法如下：将所获取的地图数据为GeoJSON格式转换为D3.js适用的TopoJSON格式，即首先在processing中安装GDAL和TopoJSON，然后将GeoJSON数据文件中边界线记录次数改为一次，且将浮点数据转换为整数形式。