CN108874932A - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

技术领域

本发明属于海洋环境要素可视化领域，是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。

背景技术

海洋环境极其复杂，海水中的多种海洋要素如海水温度、海洋锋、涡旋以及内波等的存在会影响水下声波的传播；另外，复杂的海底地形也是影响声波在水下传播的重要因素。这种影响表现为声强的衰减，随着水平距离和深度的增加，声强逐渐衰减。

海洋水声场是声波在海洋中传播时受到各种因素综合影响，声强随三维空间的变化而变化的一种标量场。海洋水声场是物理存在的，但没有物体形态，因此，不能肉眼直观地观察其形态结构，不能够定性地分析水声场的分布规律，这就影响了人们对水声场的充分利用。

为了解决这个问题，利用可视化技术对海洋水声场进行三维可视化呈现，在图形界面上真实显示水声场的形态结构，有利于人们对水声场的直观把握和定性分析，并根据分析得到水声场的分布规律，更充分地利用水声场的特性应用在探索海洋的人类活动。

目前国内外研究主流的可视化方法可分为两类，即基于体数据的直接体绘制方法(以下简称体绘制方法)和基于等值面的面绘制方法(以下简称面绘制方法)。

面绘制方法绘制图像清晰并且效率较高，但是该方法不能显示水声场的全部信息。所以在水声场的可视化方法中，采用体绘制方法的较多，它为三维水声场提供了一种有效的全局特性可视化方法。由于水声场的数据庞大，在重采样和图像合成阶段的计算量会非常庞大，导致绘制效率低下。

如文献1：杨廷武在《基于三维纹理的水下三维声场直接体可视化》一文中，应用基于硬件加速的三维纹理直接可视化技术实现了海洋水声场三维可视化，该方法能够生成高质量的可视化图像并且具有不错的实时性。文献2：曾艳阳在《水声场的三维可视化及实时绘制技术研究》一文中，研究了两种水声场实时绘制技术：并行绘制技术和GPU加速技术，这两种方法都有效提高三维可视化速度。文献3：孙学海在《水下三维声场仿真与可视化方法研究》一文中，改进了基于三维纹理映射的体绘制算法，引入渲染到纹理的步骤使数据重采样、颜色映射和光照计算等环节可以实时进行，该方法实现了海洋水声场的快速计算和实时体绘制。但是，这些方法都较依赖于图形硬件的性能来加快海洋水声场三维可视化的速度，因此也较容易受限于图形硬件的性能好坏。

发明内容

本发明为了实现海洋水声场的三维可视化，为作战指挥员等使用者准确了解水声场分布形态提供帮助，提出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。

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；

具体处理过程如下：水声场以声源为中心，得到若干方位的二维水声场原始数据，分别存储在txt文件中，依次对每个txt文件进行数据提取并按方位顺序汇总到一个txt文件中，最后存储到三维数组中。

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；

有如下几种情况：

①z₁＞zmax，z₂＞zmax或者z₁＜0，z₂＜0；光线L在圆柱包围盒的上方或者下方，与圆柱包围盒没有交点。

②z₁＞zmax，0＜z₂＜zmax或者z₁＜0，0＜z₂＜zmax。光线L与圆柱包围盒有两个交点，并且进入圆柱包围盒的交点在圆柱顶面或者底面上，出圆柱包围盒的交点在圆柱侧面上。

③0＜z₁＜zmax，z₂＜0或者0＜z₁＜zmax，z₂＞zmax。光线L与圆柱包围盒有两个交点，并且进入圆柱包围盒的交点在圆柱侧面上，出圆柱包围盒的交点在圆柱顶面或者底面上。

④z₁＞zmax，z₂＜0或者z₁＜0，z₂＞zmax。光线L与圆柱包围盒有两个交点，且两个交点分别在圆柱顶面和底面上。

⑤0＜z₁＜zmax，0＜z₂＜zmax，光线L与圆柱包围盒有两个交点，且两个交点都在圆柱侧面上，两个交点的坐标即为对应交点p₁和p₂。

综上，便完成了光线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。

体素是重采样点所在的一个扇形柱状区域，由柱坐标系来表示。通过重采样点柱坐标求出所在体素的8个顶点的柱坐标，进而确定重采样点所在体素。

判断依据为：求体素8个顶点数值的平均值，如果大于设定的声呐优质因子FOM，即视为无效体素。

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(e_i)表示第i个采样点的颜色值，n表示采样点的数量；α(e_j)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。

本发明的优点在于：

本发明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，通过对水声场三维数据体素的划分，调整无效体素的采样步长，有效减少了无效体素中重采样点的数量，进而提高三维可视化的效率，使海洋水声场三维可视化在保证图像质量的前提下，可视化速度更快。

附图说明

图1为本发明提出的基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法的流程图；

图2为本发明对水声场三维数据的组织方式的示意图。

图3为本发明对重采样点插值的示意图。

图4为本发明对数据颜色分类的示意图。

图5为本发明海洋水声场的三维可视化效果图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明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，从可视化算法原理上来提高海洋水声场三维可视化的速度，该方法不受图形硬件的限制，在普通PC机上即可实现，并且具有较快的可视化速度。

本发明具体包括三维水声场数据预处理，重采样点坐标计算，重采样点插值计算，数据分类以及图像合成等内容。具体流程如图1所示，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；

本发明使用的数据为海洋水下声波声强传播损失数据，是利用三维抛物线方程模型求出的N*2D弱三维数据，如图2所示。水声场以声源为中心，以10度为方位分辨率，得到36个方位的二维声场数据，水声场每个方位数据规模为667*490，分别存储在txt文件中，依次对每个txt文件进行数据提取并按方位顺序汇总到一个txt文件中，就得到了一个数据规模为667*490*36的一个txt文件；读取该txt文件将水声场原始数据存储到一个三维数组data[667][490][36]。

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。

将图像平面像素转到水声场所在世界坐标系中，按既定方向发出光线，针对某条光线L，首先判断光线L与水声场圆柱包围盒是否相交，若相交，则求取初始交点作为该条光线L上的初始重采样点，计算出初始重采样点的坐标；然后，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；依次得到该条光线L中所有重采样点的坐标；最后得到整个图像平面像素的所有光线包含的所有重采样点的坐标。

重采样点坐标计算包括以下几个步骤：

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；

针对平面中某条光线L，直线上任一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)，设光线L的方向(m,n,l)，得到光线数学表达式：

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。

根据光线和水声场圆柱包围盒的数学关系，计算光线初始采样点坐标。

设c为任意常数，分解求得三个坐标分量分别为：

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。将式(1)带入式(2)，得到了关于c的两个不等式：

(x₀+mc)²+(y₀+nc)²＜＝rmax² (3)

0＜＝(z₀+lc)＜＝zmax (4)

化简公式(3)得到一个关于c的一元二次不等式：

考察如下一元二次方程：

由一元二次方程的解的性质可知，通过对方程(5)的判别式的计算可以判断方程解的情况，而方程的解对应着光线与沿z轴无限延伸的圆柱侧面x²+y²＝rmax²的交点，因此就可以判断光线与该圆柱侧面是否有交点。

根据式(6)可求出判别式：

计算判别式Δ并与0进行比较，可以讨论分析如下几种情况：

(1)Δ＜0时，表明光线与圆柱侧面没有交点，即光线与圆柱侧面不相交，因此该条光线与圆柱包围盒也不相交。

(2)Δ＝0时，表明光线与圆柱侧面有且只有一个交点，即光线与圆柱侧面相切，这里做近似处理，近似地认为该条光线与圆柱侧面不相交，因此近似认为该条光线与圆柱包围盒也不相交。

(3)Δ＞0时，表明光线与圆柱侧面有两个交点。此时，求出c的两个解：

进而，可以根据公式(1)求出两个交点对应的坐标分别为：

易知，p₁为光线与圆柱侧面的第一个交点，p₂为光线与圆柱侧面的第二个交点。但是，这两个交点并不一定是光线与圆柱包围盒的交点，还要将两个点的z坐标带入式(2)中进行比较分析，有如下几种情况：

⑥z₁＞zmax，z₂＞zmax或者z₁＜0，z₂＜0。光线在圆柱包围盒的上方或者下方，与圆柱包围盒没有交点。

⑦z₁＞zmax，0＜z₂＜zmax或者z₁＜0，0＜z₂＜zmax。光线与圆柱包围盒有两个交点，并且进入圆柱包围盒的交点在圆柱顶面或者底面上，出圆柱包围盒的交点在圆柱侧面上。侧面的交点的坐标即为公式(9)求出的c₂所对应的交点p₂，但顶面或者底面的交点还需进一步求解。将z₁＝z₀+lc₁带入式z＝zmax(或z＝0)中求得新的c₁的值，再将c₁的值带入公式(1)即可求出光线在顶面(或底面)上的交点坐标。

⑧0＜z₁＜zmax，z₂＜0或者0＜z₁＜zmax，z₂＞zmax。光线与圆柱包围盒有两个交点，并且进入圆柱包围盒的交点在圆柱侧面上，出圆柱包围盒的交点在圆柱顶面或者底面上。侧面的交点的坐标即为公式(9)求出的c₁所对应的交点p₁，但顶面或者底面的交点还需进一步求解。将z₂＝z₀+lc₂带入式z＝0(或z＝zmax)中求得新的c₂，再将新的c₂带入公式(1)即可求出光线在底面(或顶面)上的交点坐标。

⑨z₁＞zmax，z₂＜0或者z₁＜0，z₂＞zmax。光线与圆柱包围盒有两个交点，且两个交点分别在圆柱顶面和底面上。将z₁＝z₀+lc₁带入式z＝zmax(或z＝0)中求得新的c₁，再将新的c₁带入公式(1)即可求出光线进入圆柱体包围盒的第一个交点坐标。再将z₂＝z₀+lc₂带入式z＝0(或z＝zmax)中求得新的c₂，再将新的c₂带入公式(1)即可求出光线出圆柱体包围盒的交点坐标。

⑩0＜z₁＜zmax，0＜z₂＜zmax，光线与圆柱包围盒有两个交点，且两个交点都在圆柱侧面上，两个交点的坐标即为公式(9)求出的c₁和c₂所对应交点p₁和p₂。

综上，便完成了光线与圆柱包围盒起止交点的求解，起始交点即为光线初始采样点坐标。

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；

根据奈奎斯特采样定理设定步长为0.25，计算下一个重采样点坐标的公式如下：

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为设定的步长，(m,n,l)为光线方向。

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、确定转换为柱坐标的该重采样点所在的体素，并判断该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。

体素是重采样点所在的一个扇形柱状区域，由柱坐标系来表示。通过重采样点柱坐标求出所在体素的8个顶点的柱坐标，进而确定重采样点所在体素。

判断依据为：求体素8个顶点数值的平均值，如果大于设定的声呐优质因子FOM，即视为无效体素；若重采样点所在体素被判断为无效体素，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。

水声场三维数据是N*2D弱三维数据，是圆柱形状数据存储形式，每个体素是一个如图3所示的扇面柱体，可以看作一个近似的立方体，从而可以采用近似的三线性插值方法进行插值。

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。

本实施例的颜色分类方式如图4所示；按照数值范围设定相应颜色值。

参照RGB分配表，如下：

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；

按照公式(11)对所有屏幕像素进行合成操作。

其中：s(u,v)为屏幕上像素(u,v)的颜色值，c(e_i)表示第i个采样点的颜色值，n表示采样点的数量；α(e_j)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。对所有屏幕像素完成图像合成后便完成了海洋水声场的三维可视化，最终可视化效果如图5所示。

Claims (4)

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(e_i)表示第i个采样点的颜色值，n表示采样点的数量；α(e_j)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。

2.如权利要求1所述的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，步骤一中所述的预处理，具体处理过程如下：水声场以声源为中心，得到若干方位的二维水声场原始数据，分别存储在txt文件中，依次对每个txt文件进行数据提取并按方位顺序汇总到一个txt文件中，最后存储到三维数组中。

3.如权利要求1所述的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，所述的步骤202中，光线L与圆柱包围盒的交点的几种不同情况如下：

①z₁＞zmax，z₂＞zmax或者z₁＜0，z₂＜0；光线L在圆柱包围盒的上方或者下方，与圆柱包围盒没有交点；

②z₁＞zmax，0＜z₂＜zmax或者z₁＜0，0＜z₂＜zmax；光线L与圆柱包围盒有两个交点，并且进入圆柱包围盒的交点在圆柱顶面或者底面上，出圆柱包围盒的交点在圆柱侧面上；

③0＜z₁＜zmax，z₂＜0或者0＜z₁＜zmax，z₂＞zmax；光线L与圆柱包围盒有两个交点，并且进入圆柱包围盒的交点在圆柱侧面上，出圆柱包围盒的交点在圆柱顶面或者底面上；

④z₁＞zmax，z₂＜0或者z₁＜0，z₂＞zmax；光线L与圆柱包围盒有两个交点，且两个交点分别在圆柱顶面和底面上；

⑤0＜z₁＜zmax，0＜z₂＜zmax，光线L与圆柱包围盒有两个交点，且两个交点都在圆柱侧面上，两个交点的坐标即为对应交点p₁和p₂。

4.如权利要求1所述的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，所述的步骤205中，体素是重采样点所在的一个扇形柱状区域，由柱坐标系来表示；通过重采样点柱坐标求出所在体素的8个顶点的柱坐标，进而确定重采样点所在体素；

判断依据为：求体素8个顶点数值的平均值，如果大于设定的声呐优质因子FOM，即视为无效体素。