CN104915974B - 基于gpu的二维多分辨率流线可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法。本发明根据粒子的概率密度值及分布情况，调整流线的疏密程度，实现二维流线多分辨率可视化；将粒子分为视口内和视口外两部分，生成对应的概率密度图Local和Global；视口拉近瞬间，视口内流线较为稀疏，利用圆片法，粒子自动加密，同时流线加密；视口拉远瞬间，以年龄增长的方式杀死原视口内部分粒子，使新视口内所有粒子概率密度达到均匀分布的状态。本发明的优点在于能够有效地对已有二维流线实现多分辨率控制。

Description

基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法

技术领域

本发明属于海洋信息技术可视化领域，主要涉及一种基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法。

背景技术

近年来，可编程GPU技术越来越多地应用于图形渲染和科学计算，随着观测手段以及计算机技术的发展，海洋数据的分辨率也越来越高。但是数据的分辨率并不等同于屏幕的像素分辨率，为了在保证渲染效率的前提下获得最佳渲染效果，有必要将多分辨率技术应用于二维流线的可视化中。

在流线可视化技术中，我们通常基于种子点构造二维流线，用流线的分布及运动方向、速度、颜色等来描述矢量场。因此，点的生成及死亡、点的数量及分布严重影响二维流线可视化的质量。

目前，在流线可视化领域，多分辨率流线处理技术主要应用了以下几种方法：

(1)点精灵法。点精灵法是将每个点作为一个精灵来处理，每个点精灵有其对应的纹理；点精灵有大小，即像素数值。

(2)距离计算法。在距离计算法中，主要通过点或线之间的距离来控制流线的疏密程度，从而实现多分辨率流线显示。距离主要包含以下五种：对应点对之间的“点-点”距离平均值；最近点距离平均值；平均阈值距离；最小距离的加权归一化数值和；在变换的特征空间的测量距离。

(3)几何特征法。在几何特征法中，需要计算流场的曲率、挠率等几何特征，一般曲率、挠率越大的区域，其对应的分辨率越高，反之，其对应分辨率越低。空间曲线的曲率表示曲线在某一点的弯曲程度；空间曲线的挠率表示曲线在某一点的扭曲程度，即曲线在这一点离开其密切平面的程度。

(4)模板法。在模板法中，依据给定的模板进行卷积运算等操作，实现流线多分辨率控制。

依据已有的研究成果，我们设计了一种简单、有效、快速的用于多分辨率判断的方法——圆片法。在圆片法中，将每个点看做一个有固定半径的圆片。流场粒子的运动，伴随着圆片的聚集、重叠、离散，通过控制圆片半径的大小以及重叠的程度来有效调节流线的多分辨率显示。

RKF45是五阶精度、四阶误差龙格-库塔-费尔伯格(Runge-Kutta-Fehlberg)方法的简称，它是对四阶龙格-库塔(RK4)方法的改进，主要采用变步长的方法获得有效的积分逼近数值。在本发明中，此方法用于计算一条流线上后续点的位置。

中心极限定理是概率论中描述随机变量的分布趋近于正态分布的一类定理，它指出大量随机变量积累分布函数逐点收敛于正态分布的积累分布函数的条件。

发明内容

本发明主要提供一种基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法，该方法能够有效地对已有的二维流线实现多分辨率控制。通过圆片法，调节粒子的密度分布，自适应调整流线的疏密程度，实现二维流线多分辨率可视化。

本发明采用的技术方案主要包括以下步骤：

(1)将粒子分为视口内和视口外两部分，生成对应的概率密度图Local和Global；

(2)视口拉近瞬间，视口内流线较为稀疏，利用圆片法，粒子自动加密，同时流线加密；

(3)视口拉远瞬间，以年龄增长的方式杀死原视口内部分粒子，使新视口内所有粒子概率密度达到均匀分布的状态；

(4)流线效果调整。

所述步骤(1)中，两张概率密度图Local和Global的圆片半径不同，对应的分辨率不同，有利于提高渲染效率，充分展示所需的细节信息。

所述步骤(2)中，粒子加密的程度一方面受到圆片半径的限制，另一方面受到无效粒子能够转变为新生粒子的数量的限制。新生粒子由无效的死亡粒子演变而来，因此恰当有效的对粒子位置进行赋值至关重要。

所述步骤(3)中，视口瞬间拉远时，为保证新视口的视觉效果，原视口内的过密流线应大部分死亡，最终达到与新视口内部其余流线较为一致的疏密程度。

所述步骤(4)中，流线效果的调整可以分为积分步长的调整和流线视口边界的处理两大部分。

本发明的创新之处主要体现在：

(1)在粒子加密时，为确保有足够的新生粒子，可对视口外的无效粒子进行二次赋值，赋予其新位置；

(2)在粒子死亡时，根据中心极限定理，粒子的概率密度值呈正态分布，因此，令粒子以服从正态分布的函数规律进行死亡。

本发明的有益效果在于：该发明提供一种新的二维流线多分辨率渲染方法，在视口拉近、拉远时以不同的分辨率对流线进行显示，有助于提高渲染效率，同时有助于流场细节显示，能够高速而有效地辅助海洋专家们的科研活动。

附图说明

图1：基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法流程图。

具体实施方式

本发明的基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法，主要包括以下步骤：

(1)将粒子分为视口内和视口外两部分，生成对应的概率密度图Local和Global，两张概率密度图Local和Global中的圆片半径不同，对应分辨率不同；

(2)视口拉近瞬间，视口内流线较为稀疏，利用圆片法，粒子自动加密，同时流线加密。在粒子加密时，为确保有足够的新生粒子，对视口外的无效粒子进行二次赋值，赋予其新位置。所述的步骤(2)具体如下：

a.对粒子进行判断，若粒子无效，赋予粒子随机新位置，当粒子位于视口外时，进入步骤b，当粒子位于视口内时，进入步骤c；

b.对粒子进行判断，若粒子为视口外的无效粒子,进入步骤c；

c.赋予粒子随机新位置于Local；

(3)视口拉远瞬间，原视口范围内粒子的概率密度值较大，新视口其他区域范围内粒子的概率密度值较小，因此原视口范围内流线相对于新视口内其他区域范围内流线较为密集，这时需要以年龄增长的方式杀死原视口内部分粒子，使新视口内所有粒子概率密度达到均匀分布的状态。所述的步骤(3)具体如下：

a.令P为某一给定概率密度值，若流场中粒子的概率密度值大于P，对粒子进行判断，当粒子位于视口外时，进入步骤b，当粒子位于视口内时，进入步骤c；

b.粒子年龄增长：Age＝Age+killspeed*pro，其中Age为粒子年龄，killspeed为死亡速度，pro为粒子当前概率密度值；

c.粒子年龄增长：Age＝Age+killspeed*F(pro)，其中Age为粒子年龄，killspeed为死亡速度，pro为粒子当前概率密度值，F(pro)为以pro为变量的正态分布函数。根据中心极限定理，粒子的概率密度分布为大量随机事件，其和服从正态分布，粒子概率密度分布的期望和方差决定正态分布函数。

(4)流线效果调整：对流线效果的调整具体实施方式可以分为：首先，通过RKF45积分自适应调节积分步长，计算流线上点的位置时更为精确；其次，视口拉近时积分流线的时间步长缩小，有利于近距离观察流线细节信息；最后，为了避免流线到达视口边界瞬间消失的情况出现，令视口内的粒子运动到视口一定距离d后终止生成流线，其中距离d为场纹理中最长流线对应的经度范围。

Claims (1)

1.一种基于GPU的二维多分辨率流线可视化方法，其特征在于：根据粒子的概率密度值及分布情况，调整流线的疏密程度，实现二维流线多分辨率可视化，具体包括以下步骤：

（1）将粒子分为视口内和视口外两部分，视口内的粒子生成概率密度图Local，视口外的粒子生成概率密度图Global，两张概率密度图中的圆片半径不同，对应分辨率不同；

（2）视口拉近瞬间，视口内流线较为稀疏，根据圆片法，粒子自动加密，同时流线加密;在粒子加密时，为确保有足够的新生粒子，对视口外的无效粒子进行二次赋值，赋予其新位置；圆片法是指将每个点看作一个有固定半径的圆片，流场粒子的运动，伴随着圆片的聚集、重叠、离散，通过控制圆片半径的大小以及重叠的程度来有效调节流线的多分辨率显示;

（3）视口拉远瞬间，以年龄增长的方式杀死原视口内部分粒子，原视口内的过密流线大部分死亡，使新视口内所有粒子概率密度达到均匀分布的状态;

（4）流线效果调整：对流线效果的调整具体实施方式可以分为：首先，通过RKF45积分自适应调节积分步长，计算流线上点的位置时更为精确；其次，视口拉近时积分流线的时间步长缩小，有利于近距离观察流线细节信息；最后，为了避免流线到达视口边界瞬间消失的情况出现，令视口内的粒子运动到视口一定距离d后终止生成流线，其中距离d为场纹理中最长流线对应的经度范围。