[发明专利]一种面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算法

说明书

技术领域

本发明属于海洋信息技术和计算机可视化领域，具体涉及一种面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算法。

背景技术

美国计算机科学家布鲁斯·麦考梅克在其1987年关于科学可视化的定义之中，首次阐述了科学可视化的目标和范围：“利用计算机图形学来创建视觉图像，帮助人们理解科学技术概念或结果的那些错综复杂而又往往规模庞大的数字表现形式”。在计算机学科的分类中，利用人眼的感知能力对数据进行交互的可视表达以增强认知的技术，称为可视化。它将不可见或难以直接显示的数据转化为可感知的图形、符号、颜色、纹理等，增强数据识别效率，传递有效信息。可视化是认知的过程，即形成某个物体的感知图像，强化认知理解。因此，其终极目的是对事物规律的洞悉。可视化技术在医学、生物学、气象学、地学等领域都有着广泛的应用。将可视化技术应用于海洋学领域，对于揭示海洋现象、研究海洋动力过程具有重要作用。

    目前，数字海洋建设已经列入到“国家十二五海洋科学和技术发展规划纲要”中。纲要明确指出：“推进我国数字海洋建设，基本形成辅助决策信息支撑能力，建立公众基础信息服务、海洋管理基础信息服务和海洋环境基础信息服务等业务化应用系统。”党的十八大第一次提出“海洋强国”的概念，建设海洋强国不仅具有重要的现实意义，更具有更高层次的战略意义。国内外的新趋势对海洋科技发展提出了新的更高要求，迫切需要海洋科技加快发展，以科技创新驱动海洋经济发展，提高海洋开发、控制和综合管理能力，促进海洋经济发展方式转变和海洋事业协调发展，为建设创新型国家做出贡献。海洋流场数据集中体现了海洋动力过程的动态特征，对中大尺度海洋现象的产生、演化及动力机制研究具有重要意义。

    流场可视化的方法有很多，比如直接直接可视化、基于纹理的可视化、基于几何的可视化、基于特征的可视化、基于分区的可视化，基于几何形状的可视化是用矢量线诸如流线、迹线、脉线、时线等来显示流场数据的方法。以3D流线可视化为例,在任意一点，矢量线的方向与该点的矢量方向一致,可以清晰地表达矢量场的状态和整体特征，流线可视化技术的研究已经成为可视化研究十分活跃的课题。

    目前的流线可视化技术在流线构造的速度上,相对较慢;在流线绘制真实感的效果上,还不太理想。这些方法的效果与种子点即矢量线的起始点的位置和数量关系密切。基于几何的流线可视化方法面临的瓶颈问题有大数据集、交互、种子点、流线放置、计算时间和不规则网格、感知度等。在矢量场可视化领域中，不规则数据的三维动态可视化是一个研究难点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实现针对三维不规则流场数据的动态流线可视化算法。该算法可用于不规则矢量场数据的分析可视化研究，对模式数据、实测数据等进行流线、迹线等动态可视化表达，具有稳定性好、解决迫切实际问题可行性高的特点。

　　本发明的技术方案，面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算发，包括如下步骤：

1)        提出一种基于空间分辨率的种子点生成算法生成流线；

2)        根据不规则矢量场的数据分布，构建四面体计算网格，控制流线分布；

3)        采用高感知度的三维流线动态可视化算法，以动态三维流线的方式表达流场拓扑结构。

　　海洋及大气矢量场数据集中体现了海洋动力过程的动态特征，对中大尺度海洋现象的产生、演化及动力机制研究具有重要意义。研究海洋流场的时空连续流线可视化技术，逐步实现面向不规则流场数据三维时空连续动态可视化表达，并提取典型拓扑特征，对于透明表达海洋现象、研究海洋动力过程具有重要意义。随着海洋数据获取的手段多种多样，海洋三维体数据的格式也因此具有多源、异构的特点。尤其是在近海、河口等处，地形对流场的运动作用明显，数据采集和存储多采用拟合地形的不规则坐标系，如图1，这对流场的可视化计算带来困难。

　　本发明的有益效果在于：基于四面体结构构造控制网格，可用于不规则海洋流畅数据建模；生成基于空间分辨率的种子点能够最大限度的保证流线的长度，并覆盖整个流场区域；通过GPU中的几何着色器对流线进行动态几何变形，使流线结构清晰生动。通过颜色映射和透明度的赋值准则，不仅定性表达流场拓扑，还能定量表现流场的内部细节，因此与其他算法相比更能帮助海洋学家分析海洋。

附图说明

图1　不规则海洋流场数据结构示意图；

图2  几何着色器中流线几何生成原理；

图3  几何着色器中颜色映射示意图；

图4  算法总体流程图；