[发明专利]基于GS的粒子系统在风场驱动下构建流线动画的方法

说明书

一种基于GS的粒子系统在风场驱动下构建流线动画的方法，由大量的粒子带构成风场流线动画，每一个粒子带是以m个控制顶点为基础，由相应的三角面构成；一个粒子带即为风场流线动画中的一条运动的流线；先建立控制点处理模块，用于对构成每条风场流线的粒子带的控制点进行起始位置、生命周期、强度要素的控制；再建立几何着色器GS模块，用于在显卡可编程管道的几何着色器GS处理阶段，在所述控制点的基础上动态地在显卡内部生成更多的顶点，从而构成渲染每个粒子带所需的三角面。本方法摒弃了以往固定管道的渲染管线，使用了基于Direct3D 11的显卡可编程管道，绝大多数的计算都在显卡的流处理器阵列中完成，从根本上解脱了CPU的计算负担。

[技术领域]

本发明涉及一种Direct3D 11的数据处理与着色器的构建方法，具体是一种基于GS(几何着色器)的粒子系统在模式风场驱动下构建风场流线动画的方法。

[背景技术]

随着数值预报和计算机技术的发展，气象预报人员常使用高分辨率数值天气预报模式开展气象预报，这些数值天气预报模式输出的风场数据可以反映出模式预报的网格内风场的强度和方向信息。

风矢量杆是风场数据传统的绘制方式，风矢量杆有方向和强度的信息，用此来表示网格中某一个点上风的方向和大小。但这个显示方案有以下弊端：

1、由于风矢量杆的绘制占了屏幕上的一部分空间，所以在实际绘制风场的风矢量杆的时候，我们往往是隔开几个网格点绘制的，否则所有的风矢量杆会相互重叠。比如有500×500个网格点的风矢量需要在屏幕上绘制，我们在水平方向和竖直方向每隔开4个点绘制，这样有便只有100×100个风矢量杆最终被绘制在屏幕上，大部分网格点上的风场信息依然没有被绘制出来。这种抽样绘制风场网格数据的方式不能全面地呈现风场的全部信息。

2、虽然我们可以通过放大模式网格的局部来绘制网格中某一个部分的全部风矢量杆，但是这样的绘制方式切割了局部与整体的联系，在这种处理方案中会带来只见树木，不见森林的弊端。

3、传统的风矢量杆的绘制方式是一种静态图像的绘制，表达不出风场的运动感。

4、在气象上，除了中尺度的台风系统或范围较大的副高、低压等天气系统能从风矢量杆抽样绘制的绘图中看出来，其他的小范围的气流扰动很难被人们直观地察觉出来或者由于抽样绘制的缘故根本没在屏幕上显示出来。

[发明内容]

本发明客服了上述技术的不足，提出了一个基于GS的粒子系统在模式风场驱动下风场流线动画的显示技术(基于GS的粒子系统在模式风场驱动下构建风场流线动画的方法)。本发明用大量的、流动的线条(粒子带)来展现一个风场的运动趋势，线条流动的方向和速度，反映了风场某处的风速和风向。为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种基于GS的粒子系统在模式风场驱动下构建风场流线动画的方法，其设计思想是，1)风场流线动画由大量的粒子带构成，例如，每一个粒子带是以10个控制顶点为基础，由20个三角面组成。在本方法中，一个粒子带即为风场流线动画中的一条运动的流线。2)设计了一个原始的控制点生成、发展和消亡的处理模块，作用是对每条风场流线(粒子带)的控制点进行起始位置、生命周期、强度等要素的控制。3)设计了一个GS(几何着色器)模块，其主要作用是在显卡可编程管道的GS阶段，在上面提到的控制点的基础上动态地在显卡内部生成更多的顶点，从而构成渲染每个粒子带所需的三角面。

具体来说：

一种基于GS的粒子系统在模式风场驱动下构建风场流线动画的方法，由大量的粒子带构成风场流线动画，每一个粒子带是以m个控制顶点为基础，由相应的三角面构成；一个粒子带即为风场流线动画中的一条运动的流线；先建立控制点处理模块，用于对构成每条风场流线的粒子带的控制点进行起始位置、生命周期、强度要素的控制；再建立几何着色器GS模块，用于在显卡可编程管道的几何着色器GS处理阶段，在所述控制点的基础上动态地在显卡内部生成更多的顶点，从而构成渲染每个粒子带所需的三角面；