[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，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；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；针对平面中某一条光线L，某点像素的坐标分量为(x,y,z)，转换到世界坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)；光线数学表达式为：(m,n,l)为光线L的方向；步骤202、通过求解光线L和水声场圆柱包围盒的数学关系的起止交点，得到该光线初始采样点的坐标；首先，通过任意常数c计算光线数学表达式，得到三个坐标分量；然后，结合圆柱包围盒的数学表达式，得到关于c的一元二次不等式：圆柱包围盒的数学表达式为：式中，rmax为圆柱半径，zmax为圆柱的高度；关于c的一元二次不等式为：继续，当一元二次不等式中判别式Δ＞0时，得到光线L与沿z轴无限延伸的圆柱侧面的两个交点，求出c的两个解：判别式为：c的两个解如下：进而得到光线L与圆柱侧面的第一个交点p1和第二个交点p2的坐标；坐标如下：最后，将两个交点p1和p2的z坐标带入圆柱包围盒的数学表达式中，得到不同情况下光线L与圆柱包围盒的交点；完成光线L与圆柱包围盒起止交点的求解，起始交点即为光线L的初始采样点坐标；步骤203、由光线L的初始采样点开始，根据奈奎斯特采样定理设定的步长，计算下一个重采样点坐标；计算公式如下：式中，(x1,y1,z1)为当前采样点的位置坐标，初始取值初始采样点坐标值；(x2,y2,z2)为下一采样点的位置坐标，delt为设定的采样步长；步骤204、将求得的下一个重采样点的坐标由直角坐标转换为柱坐标；步骤205、判断转换为柱坐标的该重采样点所在的体素是否为无效体素，如果是，则改变采样步长为1，否则，保持原有采样步长；步骤206、返回步骤203，重复计算下一个重采样点坐标，直到对光线L采样完毕；步骤207、重复步骤201直到屏幕像素的所有光线全部遍历完毕，完成所有重采样点坐标计算；步骤三、利用三维数组中的数据，采用三线性插值算法对所有的重采样点进行插值；步骤四、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，完成数据分类；步骤五、将屏幕上所有像素按光线方向从初始采样点开始，对各光线上的重采样点的颜色值和不透明度进行合成，完成海洋水声场的三维可视化图像；合成公式如下：其中：s(u,v)为屏幕上像素(u,v)的颜色值，c(ei)表示第i个采样点的颜色值，n表示采样点的数量；α(ej)表示第个j采样点的不透明度，c(e0)表示水声场包围盒初始采样点的颜色值。