[发明专利]基于曲面细分的地震数据三维显示方法

摘要

本发明属于计算机图形学和数据可视化领域，涉及一种基于曲面细分的地震数据三维显示方法。本发明使用Directx11编程工具，基于三阶贝塞尔曲面细分算法，实现了地震数据的三维显示方法。对于准备好的顶点缓存，设置GPU以面片的方式组装控制点，因此不需要索引缓存，从而省去了因确定索引缓冲而产生的槽和脊的问题。此外，基于GPU编程的曲面细分技术的运用，生成了更多的控制点，使得网格的显示更加细腻平滑并具有很好的实时性。

主权项

基于曲面细分的地震数据三维显示方法；其特征在于，按以下步骤实现的：步骤(1)，SEG‑Y格式地震数据的解析：SEG‑Y格式是地震数据的格式之一；包括三部分，分别为EBCDIC文件头、二进制文件头以及地震道；用N表示数据体的第N道数据道，则第N道道头和道数据读取位置分别为：3600+(N‑1)(240+sample_num*data_size)3600+(N‑1)(2400+sample_num*data_size)+240其中，sample_num表示SEG‑Y格式数据的总采样点数，data_size表示存储一个数据点所占的字节数；SEG‑Y格式是统一的，但由于微机和工作站的数据的存储格式不同，工作站高字节在前，低字节在后，而微机则是低字节在前，高字节在后；在数据读取时需要进行高、低位数据交换；步骤(2)，初始化顶点缓存：自定义顶点结构，保存数据体的三维信息，从SEG‑Y读取数据到二维数组中，保存数据的二维数组记为data[trace_num][sample_num]，其中trace_num表示SEG‑Y地震数据总地震道数，sample_num表示总采样点数；采用三阶贝塞尔曲面进行数据点的拟合，三阶贝塞尔曲面的表达式为：其中，表示伯恩斯坦多项式，pi,j是编号为i，j的控制顶点，表达式如下：且为整数且为整数一个三阶贝塞尔曲面片的确定需要16个控制点，对于得到的二维数组data[trace_num][sample_num]，GPU在进行读取时，是按照一维数组进行读取的，因此需要进行二维数组到一维数组的转换，面片N与面片M左右相邻，控制点分别记为：N[0][0]，N[1][0]，N[2][0]，N[3][0]M[0][0]，M[1][0]，M[2][0]，M[3][0]N[0][1]，N[1][1]，N[2][1]，N[3][1]M[0][1]，M[1][1]，M[2][1]，M[3][1]N[0][2]，N[1][2]，N[2][2]，N[3][2]M[0][2]，M[1][2]，M[2][2]，M[3][2]N[0][3]，N[1][3]，N[2][3]，N[3][3]M[0][3]，M[1][3]，M[2][3]，M[3][3]为了消除N与M之间的裂缝，则需要N与M面片都包含相邻边的数据，因此N面片与M面片消除裂缝的条件如下：M[0][0]＝N[3][0]，M[0][1]＝N[3][1]，M[0][2]＝N[3][2]，M[0][3]＝N[3][3]面片的空间关系分为上下左右四个方位，消除裂缝算法如下：设m为当前地震道数，取值为1,4,7…trace_num‑3，对于给定的地震道数m，n表示当前采样点数，取值为1,4,7…sample_num‑3；对于给定的m,n，为了确定由16个顶点组成的面片，其中16个顶点共分为4行，每行由4个顶点组成，则有：第一行顶点数据：data[m‑1][n‑1],data[m+0][n‑1],data[m+1][n‑1],data[m+2][n‑1]第二行顶点数据：data[m‑1][n],data[m+0][n],data[m+1][n],data[m+2][n]第三行顶点数据：data[m‑1][n+1],data[m+0][n+1],data[m+1][n+1],data[m+2][n+1]第四行顶点数据：data[m‑1][n+2],data[m+0][n+2],data[m+1][n+2],data[m+2][n+2]；步骤(3)，创建顶点布局：在自定义顶点结构中定义顶点的相关属性，此处只需要一个三维坐标信息，保存地震数据点的位置信息；步骤(4)，设置图元拓扑类型：用IASetPrimitiveTopology设置D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST，使得GPU以面片的方式读取顶点缓存；D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST表示GPU会用以16个顶点组成的面片作为一个图元进行组装；步骤(5)，曲面细分：准备好顶点缓冲后，在GPU中实现曲面细分算法，GPU以D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_16_CONTROL_POINT_PATCHLIST组装方式对输入的顶点缓存进行读取，设u，v为曲面参数，取值范围为[0,1]，对于给定的u，v使用公式：求出细分得到的顶点的三维坐标；具体步骤是：第一步：设置一个静态缓存来存储每一帧绘制时需要用到的数据，其中数据包括：透视矩阵、摄像机位置、细分因子、地震数据最大幅值和地震数据最小幅值；第二步：patch静态函数，该函数对每个由16个控制点组成的面片执行一次，在该函数中对每个面片的细分因子进行设置，该值为第一步中确定的细分因子取值；第三步：hull着色程序，该程序对每个输出控制点执行一次，设置细分domain为四边形，输出控制点的数量为16，并指定patch函数为第二步中的patch函数；第四步：domain着色程序，在该程序中对细分着色器中生成的顶点进行定位，使用公式：得到给定(u,v)取值后相应的顶点的坐标；步骤(6)，顶点颜色插值：在GPU的像素着色阶进行顶点颜色的确定，记步骤(5)第一步中得到的幅值最大值最小值分别为MAX，MIN；对于给定顶点V的地震幅值Z，若其幅值为正，求Z与MAX比例，记为a，则该顶点颜色为：(1‑a,1‑a,1)；若其幅值为负，求Z与MIN比例，记为b，则该顶点颜色为：(1,1‑b,1‑b)。