CN107507264A - 支持实时裁剪操作的球面体绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，具体包括以下步骤：分全球和局部两种情况创建球壳代理几何体，创建两种索引对象；根据裁剪操作得到数据实时经纬深范围，在GPU上利用计算着色器实时计算顶点坐标；开启深度测试，生成光线投射的前置面和后置面；采用着色器语言GLSL在GPU上实现基于地球球壳模型的光线投射算法。在光线投射过程中加以坐标转换，将光线投射的路径从世界坐标转化为经纬深坐标。本发明通过在GPU端利用计算着色器实时计算顶点坐标，可支持海洋水体数据实时裁剪操作，对不同经纬深范围的海洋标量场数据有较好的可视化效果。

Description

支持实时裁剪操作的球面体绘制方法

技术领域

本发明涉及一种支持实时裁剪操作的海洋标量场球面体绘制方法，属于图形绘制领域。

背景技术

随着海洋观测手段的日益多源发展，使得海洋数据的范围跨度和时空分辨率大幅提高，已步入大数据时代。传统的海洋可视化及分析技术难以应对海量、高维、多源和动态数据的分析挑战，需要更多的综合可视化、图形学、数据挖掘理论和方法，研究新的理论模型、新的可视化方法和新的用户交互手段，辅助用户从大尺度、复杂、矛盾甚至不完整的数据中快速挖掘有用的信息，推动海洋科学领域的发展。海洋数据球体模型可视化具有强大的空间信息管理能力，生动直观的信息表达能力已成为与其他大气、地形等空间信息集成共享的有力平台，将成为服务“海洋强国”、”一带一路”两大海洋战略的一柄重要利剑。

目前，国内外基于海洋球体模型实现海洋水体要素可视化的案例有：EarthNullschool全球气象动画地图中，可以大范围表达海洋、大气、化学污染物颗粒物的时空分布，但缺乏对海洋温盐三维体数据的表达；国内一些科研单位也对基于球体模型的海洋标量场可视化进行了探索，但只能针对固定范围的数据进行可视化，不能支持经纬深3 个方向的实时裁剪。

因此，现有技术存在缺陷有待进一步的改进和探索。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，以适应地球任意范围的海洋三维标量场数据的实时裁剪绘制。

本发明的技术方案如下：

基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，具体包括以下步骤

步骤A、分全球和局部两种情况创建球壳代理几何体，创建两种索引对象。

步骤B、根据裁剪操作得到数据实时经纬深范围，在GPU上利用计算着色器实时计算顶点坐标，保存到SSBO，再将SSBO绑定到VBO。

步骤C、开启深度测试，比较运算符为GL_LESS，顶点排列顺序是逆时针的面设置为正面，生成光线投射的前置面。

步骤D、开启深度测试，比较运算符为GL_LESS，顶点排列顺序是顺时针的面设置为正面，生成光线投射的后置面。

步骤E、采用着色器语言GLSL在GPU上实现基于球体模型的光线投射算法。在光线投射过程中加以坐标转换，将光线投射的路径从世界坐标转化为经纬深坐标。

所述的基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，其中，所述的世界坐标转化为经纬深坐标分两步进行转化:

步骤1、首先根据公式(1)-(10)将海洋数据的世界坐标X,Y,Z 转化为极坐标，具体公式如下：

当X>0且Y>0时，

当X<0且Y>0时，

当X<0且Y<0时，

当X>0且Y<0时，

当Y>0且︱X︱<EPSILON时，Lon＝-90° (7)

当Y<0且︱X︱<EPSILON时，Lon＝90° (8)

当X<0且︱Y︱<EPSILON时，Lat＝0° (9)

当X>0且︱Y︱<EPSILON时，Lat＝180° (10)

其中，用EPSILON＝0.00000001来控制当反三角函数逼近无效，Lon、Lat取极值时的精度；用 Degree＝π/180°将角度单位转化为弧度单位。

步骤2、再利用公式(11)-(13)将经纬深坐标转化为范围为 0-1的纹理坐标：

res.x＝Lon-minlon)/(maxlon-minlon) (11)

res.y＝(Lat-minlat)/(maxlat-minlat) (12)

res.z＝(dep-mindep)/(maxdep-mindep) (13)

其中minlon、maxlon、minlat、maxlat、mindep、maxdep分别表示经纬深的范围，res表示纹理坐标。

与现有技术相比，本发明提出基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，通过数据预处理，创建VBO、IBO缓冲对象，可同时存储、处理全球或局部的海洋数据；支持裁剪操作，通过计算着色器实时计算裁剪操作后的顶点坐标，避免了绘制的延迟；改进了传统的光线投射算法，经过世界坐标到经纬深坐标的转化，精确采样纹理数据。本发明可视化效果好，渲染效率高，适用于不同属性的海洋标量场数据实时绘制。

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为本发明基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场数据预处理过程。

图3为本发明基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场数据可视化算法流程；

图4为本发明由内外两层球壳及上下两个截面组成的环形球壳的结构示意图

图5为本发明由内外两层球壳及上下左右四个截面组成的局部球壳的结构示意图；

图6为本发明球壳体的光线投射体绘制算法；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较佳实例作进一步详细说明。

本发明提供一种基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法：

1)本专利中的代理几何体为内外两层球壳以及上下两个截面组成的环形球壳，代替立方体对传统的光线投射算法进行了改进，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、经纬向网格数量和深度的球壳代理几何体，在光线投射过程中直接应用顶点中保存的世界坐标计算光照，再通过世界坐标向极坐标的坐标转化，将光线投射的路径从世界坐标转化为经纬深坐标，以此实现在体数据中的正确取值和累加，从而实现基于球壳模型的海洋标量场数据可视化。

2)采用着色器语言GLSL在GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)上实现基于地球球壳模型的光线投射体绘制算法。

本专利中的计算着色器，可以认为是一个只有一级的管线，没有固定的输入和输出，所有默认的输入通过一组内置变量来传递。原则上，所有其他图形着色器(比如顶点着色器、几何着色器或者片元着色器)能够使用的功能它都可以使用。当然不包括其他着色器特有的内置变量。图形处理器每秒能进行数以亿计的计算，并成为一种性能十分惊人的器件，主要通过并行来获得性能，而在计算着色器中，这种并行性则更为直接，任务以组为单位进行执行，称之为工作组(work group)。拥有邻居的工作组被称为本地工作组(localworkgroup)，这些组可以组成更大的组，称为全局工作组(global workgroup)，而其通常作为执行命令的一个单元。计算着色器会被全局工作组中的每一个本地工作组中的每个单元调用一次。工作组的每个单元称为工作项 (work item)，每一次调用称为一次执行。

本发明中的体数据：是对一种数据类型的描述，只要是包含了体细节的数据，都可以称之为体数据。体数据和面数据的本质区别，在于是否包含了体细节，而不是在维度方面。本发明中体数据是一种海洋Argo浮标数据，数据格式为.nc(NetCDF)，由于nc数据格式众多, 应用格式转换器把nc数据统一转换为Tiff+Json格式，便于后续的处理与应用。

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。体素不存在绝对空间位置的概念，只有在体空间中的相对位置。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。按照一定规则将三维数据存放在XY像素平面所得到的纹理，称之为体纹理。

目前国际主流体绘制算法主要有：光线投射算法(Ray-casting)、错切-变形算法(Shear-warp)、频域体绘制算法(Frequency Domain) 和抛雪球算法 (Splatting)。其中又以光线投射算法最为重要和通用，该算法在解决方案上基于射线扫描过程，符合人类生活常识，容易理解；而且，该算法可以达到较好的绘制效果；同时，该算法可以较为轻松的移植到 GPU上进行实现，可以达到实时绘制的要求。

传统的光线投射算法：从视点到“图像序列最表面的外层像素”发射一条光线，光线穿越整个图像序列，并在这个过程中，对图像序列进行等距采样获取颜色信息，同时依据光线吸收模型将颜色值进行累加，直至光线穿越整个图像序列，最后得到的颜色值就是渲染图像的颜色。这里提到的图像序列在GPU着色程序中指的是体纹理。

如图1所示，假定光线从F点投射到立方体中，并从L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 (14)

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。

在光线投射算法中，射线穿越体纹理的同时也是透明度的排序过程,存在合成顺序问题。可以将射线穿越纹理的过程作为采样合成过程，这是从前面到背面进行排序，也可以反过来从背面到前面排序，毫无疑问这两种方式得到的效果是不太一样的。如果从前面到背面进行采样合成，则合成公式为：

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，其实也就是体素中蕴含的数据；和表示累加的颜色值和不透明度。

本专利在进行海洋数据可视化的过程中，所有的顶点着色器都要将海洋数据的经纬度坐标转化为笛卡尔世界坐标，涉及区域平面海洋与全球球面海洋的坐标变化。在绘制球面海洋时，本专利将地球近似为一个标准的球体，由原始数据经纬深度(Lon,Lat,Dep)坐标向三位空间坐标(X,Y,Z)变换公式为：

其中，R为地球半径，Lat为纬度，Lon为经度，Dep为陆地地形高程值或海洋海水深度。

主要流程：

(1)在Pass1生成光线投射的前置面之前，首先要在CPU端进行初始化即准备顶点数据VBO以及IBO。

由于顶点数量众多，进行实时裁剪时，在CPU端计算顶点位置会造成延迟，因此本发明利用图形处理器强大的并行计算能力承担实时裁剪过程中所需的海量数学计算。创建VBO时，内外层球壳顶点网格数据为：经向网格点数量lonnum,纬向网格点数量latnum,内外层总网格点数量vertexnum＝lonnum*latnum*2。Computer Shader中二维本地工作组大小为local_size_x＝32,local_size_y＝16,而二维全局工作组大小为num_groups_x＝23,num_groups_y＝23。在GPU端通过 Computer Shader(计算着色器)计算顶点坐标存入SSBO中，再将SSBO 绑定到VBO。VBO大小固定，不随剪切操作带来数据变化而发生改变。

创建IBO时，海洋数据由于南极洲的存在，纬向上不存在全球的可能，当代理几何体经向为全球数据时，如图4由内外两层球壳及上下两个截面组成的环形球壳的结构示意图，本专利创建索引缓冲对象 sphere IBO，其中包含内外层球壳及上下两个截面的顶点索引数据，共(lonnum-1)*(latnum-1)*6*2+(lonnum-1)*6*2个索引数据；当代理几何体经向为局部数据，如图5由内外两层球壳及上下左右四个截面组成的局部球壳的结构示意图，本专利创建索引缓冲对象sphere IBO1，经向上增加了两个截面，因此索引数据为 (lonnum-1)*(latnum-1)*6*2+(lonnum-1)*6*2+(latnum-1)*6*2个。从图6角度观察球壳代理几何体时，sphere IBO的顶点索引顺序为逆时针，sphere IBO1的索引顺序为顺时针，为接下来生成光线投射的前置面、后置面做好准备。数据预处理阶段具体流程如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤1、判断原始数据经纬度范围创建VBO。

步骤2、创建内外球壳索引缓冲对象IBO，外层球壳顶点排列顺序为逆时针；内层球壳顶点排列顺序为顺时针。

步骤3、判断经纬范围是否为全球。如果是全球海洋数据，则创建索引缓冲对象sphere IBO，不包含左右侧边。

步骤4、如果不是全球海洋数据，则创建索引缓冲对象sphere IBO1，包含左右侧边。

(2)实时裁剪操作：当经纬深3个维度上的数据发生实时裁剪变化，需要在GPU端通过Computer Shader(计算着色器)实时计算顶点坐标存入SSBO中，再将变化后的SSBO数据重新绑定到VBO。判断数据的经纬度范围是否为全球，如果经度范围是全球，则使用索引缓冲对象sphere IBO；如果经度范围为局部，则使用索引缓冲对象sphere IBO1，包含左右两侧截面的索引关系。

(3)Pass1生成光线投射的前置面：OpenGL渲染的基本单位是一个个的三角形面片。一个面片必然有两个面，如果其中有一个面被称为正面，那另一面就被称为背面。同一时刻我们在看见某一面的同时，另外一面则必然是看不见的。从OpenGL的角度来看，如果没有开启表面剔除，则可能渲染很多常识上看来是看不见的那一面(比如几何体内部)，会大大降低渲染效率和增加不必要的系统开销。

在生成光线投射的前置面时，开启表面剔除，将顶点排列顺序是逆时针的面设置为正面，即外层球壳为正面，同时开启深度测试，设置比较运算符为GL_LESS，即在片段深度值小于缓冲区的深度时通过测试，达到保存外层球壳，剔除内层球壳，生成光线投射的前置面的目的。在顶点着色器阶段，将顶点的经纬深坐标转化为世界坐标,再通过PVW矩阵将顶点的世界坐标转换为屏幕空间坐标，输出顶点的世界坐标。在像素着色器阶段，将从顶点着色器接收到的顶点世界坐标作为颜色值保存成一张二维纹理输出。

本专利在进行海洋数据可视化的的过程中，生成光线投射前置面和后置面的顶点着色器都要将海洋数据的经纬度坐标转化为笛卡尔世界坐标，涉及区域平面海洋与全球球面海洋的坐标变化。在绘制球面海洋时，本专利将地球近似为一个标准的球体，由原始数据经纬深度(Lon,Lat,Dep)坐标向三位空间坐标(X,Y,Z)变换公式为：

其中，R为地球半径，Lat为纬度，Lon为经度，Dep为陆地地形高程值或海洋海水深度。

(4)Pass2生成光线投射的后置面：在生成光线投射的后置面时，开启表面剔除，将顶点排列顺序是顺时针的面设置为正面，即内层球壳为正面，同时开启深度测试，设置比较运算符为GL_LESS，保存内层球壳，剔除外层球壳，生成光线投射的后置面。与生成前置面相同，将后置面的顶点由经纬深坐标转化为世界坐标，并作为颜色值保存在二维纹理中输出。

(5)Pass3球面光线投射：本发明提供一种基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场可视化算法流程，与传统的光线投射体绘制不同之处主要体现在坐标转化问题上。球面体绘制需要绘制出与给定球心、半径的地球球壳曲率相同的弧形球壳代理几何体，即将数据映射到裁剪后的球壳代理几何体中。在绘制过程中，计算光线在此弧形球壳代理几何体中行进的路径，并将此路径上的体纹理颜色和不透明度进行累加混合，具体流程如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1、判断是否进行裁剪操作。进行裁剪操作后，用Computer Shader实时计算顶点坐标存入SSBO，再将SSBO绑定到VBO；不进行裁剪操作，直接进入步骤2。

步骤2、判断经纬度是否为全球，全球数据则绑定索引缓冲对象 sphere IBO

步骤3、不是全球数据则绑定索引缓冲对象sphere IBO1。

步骤4、光线投射阶段，读取光线投射的前置面、后置面保存坐标和深度的纹理，计算光线长度。

步骤5、在着色器中取得某个像素对应的前、后置面坐标，计算光线方向，并将前置面顶点坐标作为积分起点。

步骤6、将当前点的世界坐标根据椭球公式转化为经纬深坐标，进而转化为纹理采样坐标。

步骤7、判断体纹理是否为等深数据，如果是，根据体素值去传输函数纹理中获取相应的颜色并累加至像素颜色；如果体纹理不是等深数据，查询深度纹理，获取Z值，进入步骤8。

步骤8、判断当前像素不透明度是否大于1或者光线投出代理集合体，如果否，前进固定步长，返回步骤6；如果是，进入步骤9。

步骤9、积分结束将累加值作为当前像素的颜色值并将结果保存到渲染纹理。

采样过程中所有采样位置均为世界坐标，需要将海洋数据的世界坐标X,Y,Z转化为极坐标时，需要分多钟情况讨论，具体公式如下：

当X>0且Y>0时，

当X<0且Y>0时，

当X<0且Y<0时，

当X>0且Y<0时，

当Y>0且︱X︱<EPSILON时，Lon＝-90° (7)

当Y<0且︱X︱<EPSILON时，Lon＝90° (8)

当X<0且︱Y︱<EPSILON时，Lat＝0° (9)

当X>0且︱Y︱<EPSILON时，Lat＝180° (10)

其中，用EPSILON＝0.00000001来控制当反三角函数逼近无效，Lon、Lat取极值时的精度；用 Degree＝π/180°将角度单位转化为弧度单位。

进而利用公式将经纬深坐标转化为范围为0-1的纹理坐标：

res.x＝Lon-minlon)/(maxlon-minlon) (11)

res.y＝(Lat-minlat)/(maxlat-minlat) (12)

res.z＝(dep-mindep)/(maxdep-mindep) (13)

其中minlon、maxlon、minlat、maxlat、mindep、maxdep分别表示经纬深的范围，res表示纹理坐标。

本发明基于OpenGL构建地球球体模型，通过数据预处理，创建 VBO、IBO缓冲对象，可同时存储、处理全球或局部的海洋数据；通过计算着色器实时计算裁剪操作后的顶点坐标，避免了绘制的延迟；改进了传统的光线投射算法，提出基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法；本发明经过世界坐标到经纬深坐标的转化，精确采样纹理数据。本发明可视化效果好，渲染效率高，适用于不同属性的海洋标量场数据实时绘制。

Claims (5)

1.基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，具体包括以下步骤

步骤A、分全球和局部两种情况创建球壳代理几何体，创建两种索引对象。

步骤B、根据裁剪操作得到数据实时经纬深范围，在GPU上利用计算着色器实时计算顶点坐标，保存到SSBO，再将SSBO绑定到VBO。

步骤C、开启深度测试，比较运算符为GL_LESS，顶点排列顺序是逆时针的面设置为正面，生成光线投射的前置面。

步骤D、开启深度测试，比较运算符为GL_LESS，顶点排列顺序是顺时针的面设置为正面，生成光线投射的后置面。

步骤E、采用着色器语言GLSL在GPU上实现基于球体模型的光线投射算法。在光线投射过程中加以坐标转换，将光线投射的路径从世界坐标转化为经纬高坐标。

2.根据权利要求1所述的基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，步骤A中球壳代理几何体需要判断进行可视化的海洋水体数据是否为全球数据，以选择不同的索引对象。

3.根据权利要求1所述的基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，步骤B中在GPU端利用计算着色器实时计算顶点坐标。

4.根据权利要求1所述的基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，步骤D中光线投射的后置面顶点排列顺序为顺时针。

5.根据权利要求1所述的基于地球球壳模型支持实时裁剪操作的海洋标量场体绘制方法，其特征在于，步骤E中所述的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(1)-(10)将海洋数据的世界坐标X,Y,Z转化为极坐标，具体公式如下：

当X>0且Y>0时，

当X<0且Y>0时，

当X<0且Y<0时，

当X>0且Y<0时，

当Y>0且︱X︱<EPSILON时，Lon＝-90° (7)

当Y<0且︱X︱<EPSILON时，Lon＝90° (8)

当X<0且︱Y︱<EPSILON时，Lat＝0° (9)

当X>0且︱Y︱<EPSILON时，Lat＝180° (10)

其中，用EPSILON＝0.00000001来控制当反三角函数逼近无效，Lon、Lat取极值时的精度；用Degree＝π/180°将角度单位转化为弧度单位。

步骤2、再利用公式(11)-(13)将经纬深坐标转化为范围为0-1的纹理坐标：

res.x＝Lon-minlon)/(maxlon-minlon) (11)

res.y＝(Lat-minlat)/(maxlat-minlat) (12)

res.z＝(dep-mindep)/(maxdep-mindep) (13)

其中minlon、maxlon、minlat、maxlat、mindep、maxdep分别表示经纬深的范围，res表示纹理坐标。