CN103761761A - 基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，具体包括以下步骤按：采用由六个网格面组成的弧形体代替立方体作为代理几何体；将弧形体组成的代理几何体，在光线投射过程中加以坐标变换，将光线投射的路径从世界坐标转化为经纬高坐标；通过可视化效果动态变化的“多线程预加载”，和弧形体的“LOD渲染”方法提高动态渲染的帧率；采用着色语言GLSL在GPU上实现基于球体模型的光线投射体绘制算法。本发明经过坐标变换，绘制体可精确贴于地球表面，且数据与陆地的交界比较准确，具有可视化效果好，渲染效率高的特点，同时具有良好的可扩展性。

Description

基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法

技术领域

本发明涉及一种海洋标量场体绘制方法，尤其涉及一种基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法。

背景技术

海洋水体的可视化是“数字海洋”研究的一项重要内容，三维数据场的体绘制是海洋水体可视化的重点和难点。

球体模型系统是目前GIS领域的研究热点，它以强大的空间数据管理能力，丰富直观的信息表现能力迅速成为空间信息集成共享的有力平台，是“数字地球”、“数字海洋”的构建基础。海洋水体数据结构复杂，数据模式导出的海洋水体三维场数据具有经度、维度和深度三个维度，数据范围跨度大和空间分辨率的提高会导致数据量激增，且深度往往具有不规则分布的特点，导致基于球体模型对海洋水体可视化表达困难。

目前，国内外基于地球球体模型实现海洋水体可视化的案例有：Google于2009年初推出了Google Ocean，是对陆地的延伸，虽然可以大范围的展现海底地形，但没有实现对海洋水体要素的可视化表达；还有一些，例如软件在海面模拟、海洋信息可视化方面作了一些尝试，但没有涉及三维水体可视化；“数字海洋”原型系统采用的三维水体可视化表达采用插件的形式进行集成，其结果是平面三维可视化，不能与地球球体模型进行很好的融合。

因此，现有技术存在缺陷，有待于进一步改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，以适用于地球上任意范围的海洋三维网格标量场数据。

本发明的技术方案如下：

基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，具体包括以下步骤

步骤A、采用由六个网格面组成的弧形体代替立方体作为代理几何体；

步骤B、将弧形体组成的代理几何体，在光线投射过程中加以坐标变换，将光线投射的路径从世界坐标转化为经纬高坐标；

步骤C、通过可视化效果动态变化的“多线程预加载”，和弧形体的“LOD渲染”方法提高动态渲染的帧率；

步骤D、采用着色语言GLSL在GPU上实现基于球体模型的光线投射体绘制算法。

所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其中，所述步骤B弧形体的选择与给地壳定球体的曲率相同，将体数据压缩到选定的弧形体中。

所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其中，所述步骤C中多线程预加载制定一个内外存调度预测机制，将当前需要使用的数据及其相邻时刻的若干数据读取进内存的缓存区域，并把距离较远时刻的数据清理出缓存。

所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其中，所述弧形体的“LOD渲染”分三次进行渲染，包括第一次渲染、第二次渲染和第三次渲染。

所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其中，所述第一次渲染是将弧形体的背面像素坐标采用RTT的方式渲染到一个与窗口同等大小的纹理中，所用到的纹理为四通道浮点型纹理，在片元着色器将各个片元的世界坐标位置当做片元的颜色输出，得到一副保存有片元坐标的纹理。

所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其中，所述第二次渲染渲染几何体的正面，以第一次渲染时得到的背面片元位置图作为输入纹理，在片元着色器中获取当前片元的世界坐标，并根据其屏幕坐标去输入纹理中取出对应的背面世界坐标。

所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其中，所述世界坐标转化为经纬高坐标，分两步进行转化：

步骤1、首先根据公式(4)(5)(6)将世界坐标转化为经纬高坐标，其中XYZ代表采样点的世界坐标，lon，lat，alt分别代表经纬高坐标：

lon=arctan(y/x)

lat=arctan(U/V)

alt=p/cos(lat)-N(4)

其中U、V、p、N分别代表：

$p=\sqrt{X^2+Y^2}$

$N=\mathrm{re}/\sqrt{1.0-\mathrm{es}*\sin {\left(\mathrm{lat}\right)}^2}$

U=Z+ds*rp*sin(theta)³

V=p-es*re*cos(theta)³             (5)

其中re，rp分别代表地球的赤道半径和两极半径，ds、theta的计算公式如下：

ds=(re²-rp²)/rp²

theta=arctan(Z*re/(p*rp))        (6)；

步骤2、进而利用公式(7)将经纬高坐标转化范围为0-1的纹理坐标：

s=(lon-minlon)/(maxlon-minlon)

t=(lat-minlat)/(maxlat-minlat)

r=(alt-minalt)/(maxalt-minalt)          (7)

其中minlon，maxlon，minlat，maxlat分别代表给定的经纬高范围，s、t、r分别代表纹理三个维度的坐标。

所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其中，所述步骤D中：采用线性传递函数做颜色值映射，按照数据大小在一个颜色表中线性取值。

所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其中，所述第三次渲染为直接将第二次的渲染结果渲染到屏幕上。

所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其中，所述弧形体的“LOD渲染”还包括以下步骤：当视点静止超过三帧之后就假定在未来一段时间内不会再移动，进行一次精细的光线投射，并将渲染结果保存在纹理中供后续帧使用。

与现有技术相比，本发明提供了基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，经过坐标变换，绘制体可精确贴于地球表面，且数据与陆地的交界比较准确，具有可视化效果好，渲染效率高的特点，同时具有良好的可扩展性。

附图说明

图1为现有技术传统光线投射算法的示意图；

图2为本发明基于球体模型的海洋三维标量场数据可视化算法流程；

图3为数据读取及纹理生成线程流程图；

图4为本发明由六个网格面组成的弧形体的结构示意图；

图5为本发明弧形体的光线投射体绘制算法。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。

本发明提供的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法：

1)采用由六个网格面组成的弧形体代替立方体作为代理几何体改进了传统的光线投射算法，该立方体是指传统光线投射算法的代理几何体。通过将传统算法中的立方体代理几何体改为指定半径、经纬度范围和厚度的球面代理几何体，在光线投射过程中加以坐标变换，将光线投射的路径从世界坐标转化为经纬高坐标，以此实现在体数据中的正确取值与累加，最终实现基于球体模型的海洋标量场数据可视化。

2)提出可视化效果动态变化的“多线程预加载”，和弧形体的“LOD渲染”方法提高动态渲染的帧率。为了实现可视化效果的动态变化，采用缓存管理的方式将当前时刻邻近的数据保持在内存中，在动态变化时可以以最快的速度切换数据，同时根据预测机制以多线程方式将可能用到的数据提取读取进缓存区域并释放很久未用的区域，以此实现多时刻数据的动态切换。为了减少光线投射算法的迭代步骤以及减少不必要的计算，采用RTT(渲染到纹理)技术，以三次渲染的方式实现“LOD渲染”模式，在视点移动时仅进行粗糙计算(即增大光线投射过程的采样步长)，在视点停止时进行精确绘制，在不影响显示效果的情况下能大幅度减少计算量。

3)采用着色语言GLSL在GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)上实现基于球体模型的光线投射体绘制算法。

本发明中的体数据：是对一种数据类型的描述，只要是包含了内部细节的数据，都可以称之为体数据。本发明中体数据是一种海洋三维网格场数据，每个网格点对应一个数据值，将该数值按照经度、纬度、深度的顺序存放的二进制文件。

本发明中的体素：是组成体数据的最小单元，一个体素表示体数据中三维空间某部分的值。通常体数据都会有一个体素分布的描述，即，该数据由n*m*t个体素组成，表示该体数据在X、Y、Z方向上分别有n、m、t个体素。在数据表达上，体素代表三维数组中的一个单元。假设一个体数据在三维空间上256*256*256个体素组成，则，如果用三维数组表示，就必须在每一维上分配256个空间。

本发明中的体纹理：即三维纹理，是传统2D纹理在逻辑上的扩展。二维纹理是一张简单的位图图片，用于为三维模型提供表面点的颜色值；而一个三维纹理，可以被认为由很多张2D纹理组成的，用于描述三维空间数据的图片。三维纹理通过三维纹理坐标进行访问。

首先介绍一下传统光线投射算法，光线投射算法是从屏幕图像的每一个像素，沿固定方向发出一条光线，称投射光线，这条光线穿过三维体数据集，对与投射光线相交的n个等间距的体数据点进行重采样，并对重采样点采用从前向后或从后往前的方式进行颜色混合，将混合后的颜色作为该像素的最终颜色值，从而实现三维重建。

如图1所示，假定光线从f点投射到立方体中，并从1点投出，在立方体中穿越的距离为m。当光线从f点投射到立方体中，穿越距离为n(n＜m)时进行采样，则存在公式：

t=t_start+d*delta     (1)

其中t_start表示立方体表面被投射点的体纹理坐标；d表示投射方向；delta表示采样间隔，随着n的增加而递增；t为求得的采样纹理坐标。通过求得的采样纹理坐标就可以在体纹理上查询体素数据直到n＞m，或者透明度累加超过1，一条射线的采样过程才结束。其中，颜色与透明度的累加公式如下：

$C_i^{\mathrm{\Δ}}=(1-A_{i-1}^{\mathrm{\Δ}})C_i+C_{i-1}^{\mathrm{\Δ}}---\left(2\right)$

$A_i^{\mathrm{\Δ}}=(1-A_{i-1}^{\mathrm{\Δ}})A_i+A_{i-1}^{\mathrm{\Δ}}---\left(3\right)$

其中，C_i和A_i分别是在体纹理上采样所得到的颜色值和不透明度，一般相当于体素中蕴含的数据；

和

表示累加的颜色值和不透明度。

本发明方法适用于地球上任意范围的海洋三维网格标量场数据。支持的数据格式为二进制文件，每个文件保存一个时刻的数据，文件内网格点的体素值按“经度——纬度——深度”的顺序存放。其他格式数据可通过格式转换使用本发明对数据进行可视化。

本发明基于地球球体模型的海洋三维标量场数据可视化算法流程，与传统光线投射体绘制不同，球面体绘制需要绘制出与给定地壳球体相同曲率的弧体，即将体数据压缩到选定的弧形体中。在绘制过程中，计算光线在此弧形体中的行进路径，并将此路径上的体纹理颜色值累加得到最终的颜色值，具体流程如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤1、启动数据读取及纹理生成线程。

步骤2、根据地球半径以及给定经纬范围建立代理弧面几何体。

步骤3、将代理几何体添加到椭球体的合适位置。

步骤4、将当前几何体的前后两面各像素的空间位置分别渲染到两个纹理中。

步骤5、渲染代理几何体。

步骤6、判断当前摄像机参数与上一帧是否相同，如图否，设置绘制模式为粗糙模式，进入步骤7。如果是，判断摄像机是否已经连续三帧静止，如果是，设置绘制模式为精细模式，进入步骤7；如图否，直接从渲染纹理中读取上一帧的渲染结果作为当前结果，并进入步骤11。

步骤7、在着色器中取得某个像素处对应的前后面坐标并把前坐标作为积分起始点。

步骤8、将当前点的世界坐标根据椭球坐标公式转为经纬高坐标。

步骤9、判断坐标是否在指定范围内，如果是，将经纬高坐标转化为体纹理坐标并获取对应的体素值，根据体素值去颜色表中获取相应的颜色并累加至像素颜色，并判断当前像素颜色不透明度是否为指定值，如果是，进入步骤10；如果否，向前行进固定步长，返回步骤8。判断坐标是否在指定范围内，如果否，进入步骤10。

步骤10、积分结束将累加值作为当前像素的颜色值并将结果保存至渲染纹理。

步骤11、判断时间轴是否移动，如果否，进入步骤12；如果是，激活数据读取线程，进入步骤12。

步骤12、判断帧循环是否结束，如果是，结束；如果否，返回步骤4。

本发明基于地球球体模型的海洋三维标量场的绘制方法中，读取数据的步骤，由于要在图形管线中对此数据进行可视化，因此以纹理作为数据载体，在进行渲染时将其传输进图形管线。设给定数据的经纬高数据采样数量分别为W、H、D，则用一个维度为W*H*D的三维纹理作为数据载体，其中的每一个体素值代表一个温度场采样点数值。

为了动态展示多个时刻的可视化效果，就需要动态改变光线投射算法所用到的数据，而由于目前外存的速度是整个计算机系统的一个主要瓶颈，当需要数据时再从外存中读取就会使整个系统的效率降低。此外，当前计算机系统的内存和显存大小非常有限，不可能将所有时刻的数据同时加载进内存或者显存，因此就需要制定一个内外存调度预测机制，将当前需要使用的数据及其相邻时刻的若干数据读取进内存的缓存区域，并把距离较远时刻的数据清理出缓存，其中缓存的大小视内存大小而定，内存大的情况下可以将缓存区域设大一些，这样可使得预测更加准确。为了不影响显示效果，此过程采用单独的线程实现，当时间指针变化时首先寻找是否新数据已经存在于缓存中，若已经存在就将其转化为纹理加载进显存，否则就从外存中读取。在GPU进行渲染的同时，此线程将会根据缓存机制更新缓存中的数据，不会影响渲染效率，以此方式实现多时刻数据的动态切换效果。本发明的数据读取方法，如图3所示，具体包括以下步骤

步骤301、线程激活。

步骤302、设需要渲染的数据指针为ptr，并设为当前数据。

步骤303、判断Ptr指向的数据是否在缓存中，如果否，进入步骤304；如果是，进入步骤305。

步骤304、从指定文件中按指定维度将数据读取进缓存，进入步骤305。

步骤305、用缓存中的数据生成三维纹理，并传递给图形管线。

步骤306、判断Ptr-2到ptr+2范围内的数据是否都在缓存中，如果否，进入步骤307；如果是，进入步骤308。

步骤307、将其中一个读取到缓存中，返回步骤306。

步骤308、判断ptr-2到ptr+2以外的数据是否有在缓存中的，如果否，进入步骤309；如果是，进入步骤310。

步骤309、释放该数据所占缓存区域，返回步骤308。

步骤310、挂起线程。

下面本发明详细介绍，如何绘制代理几何体。

在传统体绘制算法中，都是以一个规则立方体作为代理几何体或称为体纹理的载体，在光线投射过程中根据光线在立方体中的采样位置去体纹理的相应位置进行数据采样。最后根据采样的叠加值去颜色表中取对应的颜色值作为立方体表面一个像素的颜色值显示输出。然而在球面体绘制中，要可视化的目标数据表现在地里空间中是一块在固定经度纬度和高度范围内的弧形几何体，因此不适合再用立方体作为代理几何体。鉴于此，本发明采用一个由六个网格面组成的弧形体作为代理几何体，弧形体的优选实施例如图4所示。本发明弧形体的几何体表示的地理范围为东经99-150度，南纬10度到北纬52度，深度范围为海面0米至-9000米，其坐标系与地球完全相同。体绘制的过程即光线在此几何体内穿行并进行颜色累加的过程。

本发明的代理几何体分三次进行渲染，第一次渲染是将弧形体的背面像素坐标采用RTT(渲染到纹理)的方式渲染到一个与窗口同等大小的纹理中，所用到的纹理为四通道浮点型纹理，在片元着色器将各个片元的世界坐标位置当做片元的颜色输出，即可得到一副保存有片元坐标的纹理。

第二次渲染为真正的光线投射过程，此次只渲染几何体的正面，以第一次渲染时得到的背面片元位置图作为输入纹理，在片元着色器中获取当前片元的世界坐标，并根据其屏幕坐标去输入纹理中取出对应的背面世界坐标，此时，光线在几何体上的入射点和出射点的世界坐标都已经获得。根据步长即可得到一系列的采样位置，这些采样位置均为世界坐标。此光线投射方法示意图如图5所示，其中虚线部分为需要做光线投射的采样路径。

得到一系列采样点后就需要去体纹理中获取对应的纹理值，这就需要将采样点的世界坐标转化为体纹理的纹理坐标，因此分两步进行转化，首先根据公式(4)(5)(6)将世界坐标转化为经纬高坐标，其中XYZ代表采样点的世界坐标，1on，lat，alt分别代表经纬高坐标

lon=arctan(y/x)

lat=arctan(U/V)

alt＝p/cos(lat)-N          (4)

其中U、V、p、N分别代表：

$p=\sqrt{X^2+Y^2}$

$N=\mathrm{re}/\sqrt{1.0*\mathrm{es}*\sin {\left(\mathrm{lat}\right)}^2}$

U=Z+ds*rp*sin(theta)³

V=p-es*re*cos(theta)³            (5)

其中re，rp分别代表地球的赤道半径和两极半径，ds、theta的计算公式如下：

ds=(re²-rp²)/rp²

theta=arctan(Z*re/(p*rp))         (6)

进而利用公式(7)将经纬高坐标转化范围为O-1的纹理坐标：

s=(lon-minlon)/(maxlon-minlon)

t=(lat-minlat)/(maxlat-minlat)

r=(alt-minalt)/(maxalt-minalt)          (7)

其中minlon，maxlon，minlat，maxlat分别代表给定的经纬高范围，s、t、r分别代表纹理三个维度的坐标。

根据求得的纹理坐标即可去体纹理中获取对应的体素值，而体可视化的最终表现形式为颜色效果，因此还需将体素值根据某种规则转化为颜色值，这种规则即称为传递函数。本系统中采用线性传递函数做颜色值映射，即按照数据大小在一个颜色表中线性取值。

第三次渲染为直接将第二次的渲染结果渲染到屏幕上，这种三次渲染模式就为“LOD渲染模式”提供了可能性。

最后采用本发明的“LOD渲染模式”，由于光线投射算法的计算量非常大，每个表面像素都需要进行一系列的采样叠加操作才能计算出颜色值，而如果在渲染过程中每一帧都需要进行光线投射，势必会造成极大的系统计算资源压力。而所谓的“LOD渲染模式”是指只有在需要进行计算的时候才进行一次光线投射计算，而不需要的时候直接用以前的绘制结果即可。例如，当视点位置连续停在一个位置不移动时，可知体数据映射到屏幕上的颜色也是不会发生变化的，因此利用这个特点，就将渲染之后的颜色值保存在纹理中，及第二次渲染，当视点不再移动时，就不再进行重复渲染，而是直接将保存的结果直接渲染到屏幕即可，及第三次渲染。

当视点移动时，就需要实时更新渲染结果，然而根据经验可知，当视点在持续变化时人眼对物体的观察敏锐度远远低于静止时刻，因此利用这个特点，可以在视点移动过程中仅进行粗糙的光线投射，即采样步长增大，这样就能在视点持续移动时还能保持优良的渲染帧率。当视点静止超过三帧之后就假定在未来一段时间内不会再移动，就可以进行一次精细的光线投射，并将渲染结果保存在纹理中供后续帧使用。利用这个方法，即可实现不管是移动还是静止都能有良好的效率。

本发明基于开源OSG Earth三维引擎构建地球球体模型，采用OpenGL与OSG(open scene graph)相结合作为三维渲染引擎，通过改进传统光线投射算法，提出基于地球球体模型的海洋三维标量场数据的可视化方法。本发明可见经过坐标变换，绘制体可精确贴于地球表面，且数据与陆地的交界比较准确。本发明具有可视化效果好，渲染效率高的特点，同时具有良好的可扩展性。

应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，具体包括以下步骤

步骤A、采用由六个网格面组成的弧形体代替立方体作为代理几何体；

步骤B、将弧形体组成的代理几何体，在光线投射过程中加以坐标变换，将光线投射的路径从世界坐标转化为经纬高坐标；

步骤C、通过可视化效果动态变化的“多线程预加载”，和弧形体的“LOD渲染”方法提高动态渲染的帧率；

步骤D、采用着色语言GLSL在GPU上实现基于球体模型的光线投射体绘制算法。

2.根据权利要求1所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，所述步骤B弧形体的选择与给地壳定球体的曲率相同，将体数据压缩到选定的弧形体中。

3.根据权利要求2所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，所述步骤C中多线程预加载制定一个内外存调度预测机制，将当前需要使用的数据及其相邻时刻的若干数据读取进内存的缓存区域，并把距离较远时刻的数据清理出缓存。

4.根据权利要求3所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，所述弧形体的“LOD渲染”分三次进行渲染，包括第一次渲染、第二次渲染和第三次渲染。

5.根据权利要求4所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，所述第一次渲染是将弧形体的背面像素坐标采用RTT的方式渲染到一个与窗口同等大小的纹理中，所用到的纹理为四通道浮点型纹理，在片元着色器将各个片元的世界坐标位置当做片元的颜色输出，得到一副保存有片元坐标的纹理。

6.根据权利要求5所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，所述第二次渲染渲染几何体的正面，以第一次渲染时得到的背面片元位置图作为输入纹理，在片元着色器中获取当前片元的世界坐标，并根据其屏幕坐标去输入纹理中取出对应的背面世界坐标。

7.根据权利要求6所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，所述世界坐标转化为经纬高坐标，分两步进行转化：

步骤1、首先根据公式(4)(5)(6)将世界坐标转化为经纬高坐标，其中XYZ代表采样点的世界坐标，lon，lat，alt分别代表经纬高坐标：

lon=arctan(y/x)

lat=arctan(U/V)

alt＝p/cos(lat)-N    (4)

其中U、V、p、N分别代表：

$p=\sqrt{X^2+Y^2}$

$N/\mathrm{re}/\sqrt{1.0-{\mathrm{es}}^{*}\sin {\left(\mathrm{lat}\right)}^2}$

U=Z+ds*rp*sin(theta)³

V=p-es*re*cos(theta)³              (5)

其中re，rp分别代表地球的赤道半径和两极半径，ds、theta的计算公式如下：

ds=(re²-rp²)/rp²

theta=arctan(Z*re/(p*rp))       (6)；

步骤2、进而利用公式(7)将经纬高坐标转化范围为O-1的纹理坐标：

s=(lon-minlon)/(maxlon-minlon)

t=(lat-minlat)/(maxlat-minlat)

r=(alt-minalt)/(maxalt-minalt)             (7)

其中minlon，maxlon，minlat，maxlat分别代表给定的经纬高范围，s、t、r分别代表纹理三个维度的坐标。

8.权利要求7所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，所述步骤D中：采用线性传递函数做颜色值映射，按照数据大小在一个颜色表中线性取值。

9.权利要求8所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，所述第三次渲染为直接将第二次的渲染结果渲染到屏幕上。

10.权利要求9所述的基于地球球体模型的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，所述弧形体的“LOD渲染”还包括以下步骤：当视点静止超过三帧之后就假定在未来一段时间内不会再移动，进行一次精细的光线投射，并将渲染结果保存在纹理中供后续帧使用。

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