[发明专利]基于GPU的可交互三维流场自适应分辨率动态可视化方法

说明书

本发明属于科学计算可视化领域，具体涉及一种基于GPU的可交互三维流场自适应分辨率动态可视化方法。本发明提出了一种基于GPU的可交互三维流场自适应分辨率动态可视化方法。该方法在视截体中均匀放置种子点，根据预渲染数据体的近平面和远平面纹理，将撒在数据范围外的部分种子点移动到数据范围内。生成概率密度球并渲染成概率密度体，以保证粒子在运动中的均匀分布。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，实现三维流场的自适应分辨率动态可视化绘制。

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的可交互三维流场自适应分辨率动态可视化方法。

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纹理方法、基于特征提取的流线放置方法和基于粒子追踪的几何方法。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方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的可交互三维流场自适应分辨率动态可视化方法，属于基于粒子追踪的几何方法一类，本方法在视截体中均匀放置粒子，在数据范围内的粒子基于其位置生成流线。相机的移动不改变撒点的密度，高效、精细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的可交互三维流场自适应分辨率动态可视化方法。该方法在视截体中均匀放置种子点，根据预渲染数据体的近平面和远平面纹理，将撒在数据范围外的部分种子点移动到数据范围内。生成概率密度球并渲染成概率密度体，以保证粒子在运动中的均匀分布。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，颜色和透明度由传输函数控制，实现三维流场的自适应分辨率动态可视化绘制。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，具体步骤为：

(1)将数据体的近平面和远平面渲染成纹理，颜色表示在视截体中的深度；

(2)在视截体中撒点，通过(1)中生成的纹理矫正粒子位置。

(3)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，通过GPU的Tessellation细分曲面技术基于粒子位置生成流管。

(4)通过传输函数对流线的颜色和透明度进行控制。

上述步骤(1)分别绘制数据体(凸面体)的近平面和远平面，将其在视截体中的深度归一化作为颜色。步骤(2)在视截体中撒点，将点的深度值与数据体的远、近平面比较，将落在数据体前或后的点重新撒在数据体中。步骤(3)以粒子的位置作为流线的起始位置，采样数据体获得速度，使用四阶Runge-Kutta后向积分得到下一个位置，在TessellationShader中将粒子扩展为流管。

本发明的有益效果在于：该方法以流线的形式动态展示大型三维流场，自适应分辨率使视口中流线的密度不变，流场局部特征在放大后可显示出更多细节。可以实时交互改变流线的长短、运动快慢和光滑程度，可通过传输函数改变流线颜色和透明度，方便观察和理解复杂流场中的各种现象。