[发明专利]一种Web端实时交互洪水演进仿真可视化方法

说明书

本发明提供了一种运算速度快、消耗计算资源少并且能达到Web端实时交互洪的水演进仿真可视化方法。本发明将浅水方程数学模型，在Shader中完成了编程，实现GPU的并行计算，计算完成后可直接将结果从帧缓存传输渲染到屏幕上，以GPU‑GPU方式进行数据传输，较传统调用以文本形式存储的计算结果再进行展示更加高效。本发明可应用于实时交互领域。

技术领域

本发明涉及计算机图形学及水动力学领域，尤其涉及一种Web端实时交互洪水演进仿真可视化方法。

背景技术

随着WebGL、虚拟仿真技术飞速发展，虚拟仿真技术广泛地应用于三维交互式洪水演进仿真可视化中，洪水演进仿真大多集成在C/S(client Server)平台。但C/S平台存在用户数受限、异地软件应用安装麻烦、数据同步困难等不足。相比于C/S平台，B/S(browserServer)平台在安装部署、可用性、升级维护、设备带宽、软件学习推广等方面都具有更加明显的优势。

由于洪水演进本身计算的复杂性，洪水演进模拟目前大多停留在非实时应用领域，满足不了支持用户交互的实时应用，所谓实时即是“感觉不到延迟”,回应时间不能超过33ms，才能保证实时的性能。如何设计出一个运算速度快、消耗计算资源少，并且能达到实时可交互的洪水演进系统是当前学术界和工业界非常关心的一个问题。所幸，伴随着图形硬件（GPU）的快速发展，以上问题也可得到更加高效的解决。

关于洪水演进，国内外一些研究机构及高校通过商用软件（MIKE、EFDC、HEC-RAS等）或自主研发程序计算的流体动力学结果，并将计算结果借助其他可视化展示软件（如ArcEngine、OpenGL、OSGEarth等）进行展现。但从输入条件、模型计算到结果存储整个过程大部分依赖CPU进行，没有很好利用GPU优势特性，计算结果从文本文件到显存的传输，受带宽影响，运行效率较低，无法满足实时交互操作。

随着GPU的快速发展，GPU由图形渲染向通用计算发展，研究基于GPU上实现洪水演进实时交互仿真模拟，基于浅水方程，充分利用GPU的并行性，对流体加速计算并可视化，有效地提升数字流域仿真效果与计算速度，为实现实时交互洪水模拟提供可能。

综上所述，国内外洪水演进模拟多数集中在CS平台，大多未实现实时交互动态模拟，因此研制一种结合WebGL技术，实现带交互性能、实时渲染、多平台兼容的Web端的洪水演进仿真可视化方法有较高的实用价值和重要的研究意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种运算速度快、消耗计算资源少并且能达到Web端实时交互的洪水演进仿真可视化方法。

本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

（1）洪水演进数学模型建立：采用二维浅水方程建立洪水演进数学模型，采用Roe格式的近似Riemann解对数值通量进行求解，将模型守恒变量存储在像素rgba通道，计算得到的水深、水位、流速结果传输给渲染器进行渲染；

（2）在shader中完成数学模型编程：使用OpenGL着色器语言GLSL（即GLShadingLanguage）来实现浅水方程在渲染着色器编程，通过使用Three.js类库创建渲染目标纹理缓存对象TBO，使其为中介，将渲染输出结果从一个着色器传递到下一个着色器，完成浅水方程计算结果传递迭代；

（3）对水体在Web端并行加速计算求解：利用图形处理器的片段着色器进行计算，构建可编程渲染过程，并将结果不断输出到帧缓存中；

（4）对仿真结果进行渲染显示：构建水面及地形网格，并完善场景中的组件，建立洪水三维场景，将输入输出数据存储在纹理单元中，调用片段着色器进行离屏渲染，使用乒乓技术进行输入与输出纹理的交换，实现循环更新, 最终通过渲染器将结果显示在屏幕上；