[发明专利]一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法

说明书

本发明公开了一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法，属于海洋环境要素可视化领域。首先对对三维抛物线方程模型求出的海洋水下声波声强传播损失数据进行预处理；然后针对图像平面像素，按既定方向发出的各条光线分别进行自适应间距采样，计算各条光线上所有重采样点的坐标，采用三线性插值算法对所有的重采样点进行插值。最后按照用户需求对插值后的重采样点数值设定不同的颜色值和不透明度，进行数据分类并合成，完成海洋水声场的三维可视化图像。本发明通过对水声场三维数据体素的划分，有效减少无效体素中重采样点的数量，进而提高三维可视化的效率，在保证图像质量的前提下，可视化速度更快。

技术领域

本发明属于海洋环境要素可视化领域，是一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法。

背景技术

海洋环境极其复杂，海水中的多种海洋要素如海水温度、海洋锋、涡旋以及内波等的存在会影响水下声波的传播；另外，复杂的海底地形也是影响声波在水下传播的重要因素。这种影响表现为声强的衰减，随着水平距离和深度的增加，声强逐渐衰减。

海洋水声场是声波在海洋中传播时受到各种因素综合影响，声强随三维空间的变化而变化的一种标量场。海洋水声场是物理存在的，但没有物体形态，因此，不能肉眼直观地观察其形态结构，不能够定性地分析水声场的分布规律，这就影响了人们对水声场的充分利用。

为了解决这个问题，利用可视化技术对海洋水声场进行三维可视化呈现，在图形界面上真实显示水声场的形态结构，有利于人们对水声场的直观把握和定性分析，并根据分析得到水声场的分布规律，更充分地利用水声场的特性应用在探索海洋的人类活动。

目前国内外研究主流的可视化方法可分为两类，即基于体数据的直接体绘制方法(以下简称体绘制方法)和基于等值面的面绘制方法(以下简称面绘制方法)。

面绘制方法绘制图像清晰并且效率较高，但是该方法不能显示水声场的全部信息。所以在水声场的可视化方法中，采用体绘制方法的较多，它为三维水声场提供了一种有效的全局特性可视化方法。由于水声场的数据庞大，在重采样和图像合成阶段的计算量会非常庞大，导致绘制效率低下。

如文献1：杨廷武在《基于三维纹理的水下三维声场直接体可视化》一文中，应用基于硬件加速的三维纹理直接可视化技术实现了海洋水声场三维可视化，该方法能够生成高质量的可视化图像并且具有不错的实时性。文献2：曾艳阳在《水声场的三维可视化及实时绘制技术研究》一文中，研究了两种水声场实时绘制技术：并行绘制技术和GPU加速技术，这两种方法都有效提高三维可视化速度。文献3：孙学海在《水下三维声场仿真与可视化方法研究》一文中，改进了基于三维纹理映射的体绘制算法，引入渲染到纹理的步骤使数据重采样、颜色映射和光照计算等环节可以实时进行，该方法实现了海洋水声场的快速计算和实时体绘制。但是，这些方法都较依赖于图形硬件的性能来加快海洋水声场三维可视化的速度，因此也较容易受限于图形硬件的性能好坏。

发明内容

本发明为了实现海洋水声场的三维可视化，为作战指挥员等使用者准确了解水声场分布形态提供帮助，提出了一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法。

包括以下步骤：

步骤一、对三维抛物线方程模型求出的海洋水下声波声强传播损失数据进行预处理；

具体处理过程如下：水声场以声源为中心，得到若干方位的二维水声场原始数据，分别存储在txt文件中，依次对每个txt文件进行数据提取并按方位顺序汇总到一个txt文件中，最后存储到三维数组中。

步骤二、针对图像平面像素，按既定方向发出的各条光线分别进行自适应间距采样，计算各条光线上所有重采样点的坐标。

具体步骤如下：

步骤201、将图像平面像素转换到水声场所在的世界坐标系中，得到其在世界坐标系下的坐标；