CN112784471B - 水环境可视仿真方法、终端设备以及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水环境可视仿真方法、终端设备以及计算机可读存储介质，将视野内水流区域中的水流离散为多个水流粒子，获取水流粒子速度，由所述水流粒子的速度构建视野内水流区域的水环境；将视野外水流区域中的水流划分为多个水流网格，获取水流网格的密度和速度，由水流网格的密度和速度构建视野外水流区域的水环境；视野内水流区域和视野外水流区域内水环境的转换，随着视野的变换，视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域，相应的视野外水流区域中的部分区域转换为视野内水流区域，使视野内的水环境始终为所述水流粒子构建的水环境；能够快速实现视野内水环境的高精度可视呈现。

Description

水环境可视仿真方法、终端设备以及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及水环境三维虚拟可视仿真技术领域，尤其涉及水环境可视仿真方法、终端设备以及计算机可读存储介质。

背景技术

近年来，物联网、大数据、人工智能等先进信息技术全面融入传统虚拟现实系统，通过真实表达高度复杂、瞬息万变的现实世界，生成高逼真、可交互、有“生命力"的孪生场景体验，使得虚拟现实逐步成为人类认识世界过程中除理论证明、科学实验之外的第三种手段。GIS，虚拟现实以及科学可视化等技术相互结合，极大推动了可视化展示与分析技术的发展。如何高效率的实现用户视域驱动的大规模水环境动态高精度实时三维虚拟可视呈现，成为具有挑战性的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供水环境可视仿真方法、终端设备以及计算机可读存储介质，解决大规模水环境三维虚拟可视仿真中高精度和高效率不能兼顾的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种水环境可视仿真方法，包括步骤：构建视野内水流区域的水环境,将视野内水流区域中的水流离散为多个水流粒子，获取水流粒子速度，根据所述水流粒子的速度构建视野内水流区域的水环境；构建视野外水流区域的水环境,将视野外水流区域中的水流划分为多个水流网格，获取水流网格的密度和速度，根据所述水流网格的密度和速度构建视野外水流区域的水环境；视野内水流区域和视野外水流区域的水环境的转换，随着视野的变换，视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域，相应的视野外水流区域中的部分区域转换为视野内水流区域，使视野内的水环境始终为所述水流粒子构建的水环境。

优选的，所述水流网格的划分方法是沿水流的横断面、纵断面和深度对水流进行网格划分，划分出的水流网格为1个单位长度的立方体。

优选的，视野外水流区域中的部分区域转换为视野内水流区域时，将所述视野外水流区域中的水流网格离散为多个水流粒子，由离散出的水流粒子构建视野内水流区域的水环境。

优选的，所述视野内水流区域中的水流粒子的速度与所述视野外水流区域中水流网格的速度相同。

优选的，视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域时，将所述视野内水流区域划分为水流网格，由划分出的水流网格构建视野外水流区域的水环境。

优选的，视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域后，转换后对应的所述视野外水流区域中水流网格的密度为该水流网格转换前对应的视野内水流区域中内水流粒子的个数，水流网格的速度为该水流网格转换前对应的视野内水流区域中水流粒子的速度平均值。

优选的，水流中还包括有过渡区域，所述过渡区域包括有第一过渡区域和第二过渡区域，第一过渡区域为所述视野内水流区域与视野外水流区域的一邻近区域，第二过渡区域为视野内水流区域与视野外水流区域另一邻近区域。

优选的，所述第一过渡区域为所述视野外水流区域中邻近所述视野内水流区域的水流网格，预先将该水流网格离散为水流粒子；所述第二过渡区域为所述视野内水流区域中邻近所述视野外水流区域的水流粒子，预先将邻近一网格距离的水流粒子划分为水流网格。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种终端设备，包括相互耦接的存储器和处理器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的程序指令，以实现的上述水环境可视仿真方法。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令被处理器执行时实现上述的水环境可视仿真方法。

本发明的有益效果是：将水流区域区分为视野内水流区域和视野外水流区域，将视野内水流区域离散为水流粒子，由水流粒子采用平滑粒子流体动力学方法实现高精度的水环境可视仿真，将视野外水流区域划分为水流网格，由水流网格根据流体质量守恒方程和动量守恒方程，采用有限差分方法实现该区域内低精度的水环境可视仿真，能够根据视野的变换由低精度的水环境快速转换为高精度的水环境。并设定视野内水流区域和视野外水流区域之间的过渡区域，从而能够快速实现视野内水环境的高精度可视呈现，能够兼顾大规模水环境三维虚拟可视仿真中高精度和高效率的问题。

附图说明

图1是根据本发明水环境可视仿真方法一实施例的流程图；

图2是根据本发明水环境可视仿真方法一实施例水流粒子及水流网格分布示意图；

图3是根据本发明水环境可视仿真方法一实施例视野变换后水流粒子及水流网格分布示意图；

图4是根据本发明水环境可视仿真方法一实施例水流网格内水流粒子的示意图；

图5是根据本发明水环境可视仿真方法一实施例过渡区域的示意图；

图6是本申请提供的终端设备一实施例的框架示意图；

图7是本申请提供的计算机可读存储介质一实施例的框架示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限值本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

具体请参阅图1，图1是本申请提供的水环境可视仿真方法一实施例的流程示意图。其中，本公开实施例的水环境可视仿真方法的执行主体可以是一种终端设备，例如，水环境可视仿真方法可以由终端设备或服务器或其它处理设备执行，其中，终端设备可以为用户设备(User Equipment，UE)、移动设备、用户终端、终端、个人数字处理(PersonalDigital Assistant，PDA)、手持设备、计算设备、车载设备、可穿戴设备等。在一些可能的实现方式中，该水环境可视仿真方法可以通过处理器调用存储器中存储的计算机可读指令的方式来实现。

具体而言，本公开实施例的水环境可视仿真方法可以包括如下步骤：

步骤S1，构建视野内水流区域的水环境，将视野内水流区域内的水流离散为多个水流粒子，获取水流粒子速度，由所述水流粒子的速度采用平滑粒子流体动力学方法实现视野内水流区域的水环境可视仿真。

步骤S2，构建视野外水流区域的水环境，将视野外水流区域内的水流划分为多个水流网格，获取水流网格的密度和速度，由所述水流网格的密度和速度采用宏观方法实现视野外水流区域的水环境可视仿真。

步骤S3，视野内水流区域和视野外水流区域内水环境可视仿真的转换，随着视野的变换，视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域，相应的视野外水流区域中的部分区域转换为视野内水流区域，使视野内的水环境始终为所述水流粒子构建的水环境。

视野内水流区域和视野外水流区域内水环境可视仿真的转换，随着视野的变换，视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域，对应区域的水流粒子划分为水流网格；进而根据流体质量守恒方程和动量守恒方程，采用有限差分方法实现视野外水流区域的水环境可视仿真；视野外水流区域的部分区域转换为视野内水流区域，对应区域的水流网格离散为水流粒子；进而采用平滑粒子流体动力学方法实现视野内水流区域的水环境可视仿真，使视野内的水环境始终为所述水流粒子构建的水环境可视仿真方法结果的可视呈现。

获取视野内水流区域的水流状态；将视野内水流区域中的水流离散为多个水流粒子，由所述水流粒子采用平滑粒子流体动力学方法实现视野内水流区域的水环境可视仿真。

优选的，如图2所示，设定视野内水流区域为Ω，将该水流区域内的水流离散为n个水流粒子，水流粒子的位置分别为r₁,r₂,...r_n，水流粒子的质量分别为m₁,m₂,...m_n，水流粒子的初始速度分别为v₁,v₂,...v_n，水流粒子的加速度分别为a₁,a₂...a_n，采用平滑粒子流体动力学的方法求解更新水流粒子的加速度，即：

其中：g表示重力加速度，π表示圆周率，h表示视野内水流区域Ω的光滑长度，为常数，优选取值为h＝10，ρ_i，ρ_j分别表示水流粒子在r_i,r_j(i,j∈[1,n])位置处的水流粒子密度，

表示对以r_i为圆心，以h为半径的圆范围内的所有水流粒子求和，r表示r_i,r_j两个粒子之间的距离，r＝|r_i-r_j|，μ表示运动粘性系数，优选取值为μ＝1.0×10^-4。p_i，p_j分别表示水流粒子在r_i,r_j(i,j∈[1,n])位置处的压力。

进一步的，r_i位置处的水流粒子密度ρ_i可由下式得出，

ρ_i＝100M/πh²

其中：M为以水流粒子的位置r_i为中心点，以h/10为半径的圆内水流粒子的总个数。

进一步的，r_i位置处的压力p_i可由下式得出，

p_i＝c²(ρ_i-ρ₀)

其中：c为常数，优选c＝50，ρ₀表示流体静止时的密度。

由更新的水流粒子的加速度及初始速度即可获取经过多个位置后的加速度叠加后的水流粒子的速度，即对水流粒子的速度进行更新。获得水流粒子的速度后，根据平滑粒子流体动力学的方法实现视野内水流区域的水环境仿真，构建出的水环境仿真具有精度高，逼真度高的优点。

获取视野外水流区域的水流动态；将视野外水流区域划分为多个水流网格，获取水流网格内的水流密度和速度，由所述水流网格快速高效的构建水环境。

优选的，如图2所示，对视野外水流区域Ω′进行水流网格划分，沿水流区域的横断面e、纵断面f和深度g进行水流网格划分，每个水流网格优选为1个单位长度的立方体，每个水流网格即为1个单位体积，将视野外水流区域视为由多个立方体组成的区域。根据流体质量守恒方程和动量守恒方程，采用有限差分方法求解更新每个水流网格内水流的密度ρ_{(e′,f′,g′)}和速度v_{(e′,f′,g′)}，其中(e′,f′,g′)表示沿横断面e方向的第e′个、沿纵断面方向f的第f′个、沿深度方向g的第g′个水流网格，可以表示为水流区域内的任一水流网格。

通过水流网格根据流体质量守恒方程和动量守恒方程，采用有限差分方法实现视野外水流区域的水环境仿真，在构建水环境时具有效率高，计算数据量少的优点。

结合图2，如图3所示，水环境的三维模拟中，用户的视野会随着其观测区域不断变化，因此，当视野发生变化时，会形成新的视野内水流区域

和视野外水流区域

视野内水流区域

是由部分的视野外水流区域Ω′(如图2)转换得出，视野内水流区域Ω(如图2)的部分区域转换后成为视野外水流区域

进一步的，视野外水流区域转换为视野内水流区域，将视野外水流区域中的水流网格离散为多个水流粒子，由离散出的水流粒子采用平滑粒子流体动力学方法实现视野内水流区域的水环境可视仿真。

进一步的，视野内水流区域中的水流粒子的速度与视野外水流区域中水流网格的速度相同。

优选的，如图4所示，对视野外水流区域中的任一水流网格(e′,f′,g′)，其密度和速度分别为ρ_{(e′,f′,g′)}和速度v_{(e′,f′,g′)}，在该水流网格(e′,f′,g′)中包括有N个水流粒子，并且在水流网格内均匀分布，相邻水流粒子之间的距离为1/ρ_{(e′,f′,g′)} ^1/3，每个水流粒子的速度均等于水流网格的速度v_{(e′,f′,g′)}。将水流网格离散为N个水流粒子，通过该水流粒子采用平滑粒子流体动力学方法实现视野内水流区域的水环境可视仿真。

进一步的，视野内水流区域转换为视野外水流区域，将视野内水流区域中的多个水流粒子划分为多个水流网格，由划分出的水流网格根据流体质量守恒方程和动量守恒方程，采用有限差分方法实现视野外水流区域的水环境可视仿真。

进一步的，视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域后，转换后对应的所述视野外水流区域中水流网格的密度为该水流网格转换前对应的视野内水流区域中内水流粒子的个数，水流网格的速度为该水流网格转换前对应的视野内水流区域中水流粒子的速度平均值。

将视野内水流区域进行水流网格划分，设定在任一水流网格(e′,f′,g′)内包括有O个水流粒子，则水流网格的密度为：

ρ_{(e′,f′,g′)}＝O

该水流网格的速度v_{(e′,f′,g′)}为：

其中：s为水流网格(e′,f′,g′)内的任一水流粒子，s∈[1,O]，v_{e′,f′,g′,s}为该水流粒子对应的速度。

通过上述方法能够将视野外水流区域转换为视野内水流区域，视野内水流区域转换为视野外水流区域。实现视野外水流区域与视野内水流区域仿真方法的相互转换，保证视野内的水环境始终为水流粒子构建的高精度、高逼真的三维可视水环境，又能够快速高效的由水流网格构建视野外低精度的水环境，能够根据视野的变换由低精度的水环境快速转换为高精度的水环境，极大的提高水环境的构建效率。

进一步的，如图5所示，水流中还包括有过渡区域，所述过渡区域包括有第一过渡区域B1和第二过渡区域B2，第一过渡区域B1为所述视野内水流区域与视野外水流区域的一邻近区域，第二过渡区域B2为视野内水流区域与视野外水流区域另一邻近区域。优选的，所述邻近区域包括视野内水流区域的左侧邻近区域、右侧邻近区域、上侧邻近区域或下侧邻近区域。

进一步的，所述第一过渡区域B1为视野外水流区域中邻近所述视野内水流区域中的水流网格，预先将该水流网格离散为水流粒子，即使用该水流网格构建视野外的水环境，同时该水流网格内部又具有水流粒子。

进一步的，所述第二过渡区域B2为邻近所述视野外水流区域中的水流粒子，预先将第二过渡区域B2划分为水流网格，该网格内的水流粒子构建视野内的水环境，同时，网格范围内的水流粒子又组成水流网格。

优选的，通过设置上述过渡区域，在进行当前视野可视呈现时，对于即将进行的视野转换，预先将过渡区域中的数据调入存储到计算机的内存中，当需要进行视野转换时，可以将过渡区域中的数据直接用于可视呈现，由此提高视野切换的速度，使得仿真呈现的流畅性更好、效果更加逼真，避免出现转换过程中的卡顿现象。在完成切换呈现之后，还可以进一步根据当前视野转换的需要，再根据当前的呈现视野情况进一步设置过渡区域，并为视野切换做好数据调入存储到计算机内存的准备。

水环境的三维模拟中，结合图2和图3，如图5所示，用户的视野会随着其观测区域不断变化，因此，图2中当视野向左变化时，会形成新的视野内水流区域

(如图3)和视野外水流区域

视野内水流区域

(如图3)是由部分的视野外水流区域Ω′(如图2)转换得出，视野内水流区域Ω(如图2)的部分区域转换后成为视野外水流区域

(如图3)。

图2中的视野内水流区域Ω的左侧邻近的区域为第一过渡区域B1，第一过渡区域B1在图2中对应的是水流网格，由水流网格构建水环境，将第一过渡区域B1的中的水流网格的预先离散为水流粒子，当图2中的视野内水流区域Ω转化为图3中的视野内水流区域

时，第一过渡区域B1中预先离散的水流粒子即可直接进行构建视野内水流区域的水环境，并且将对应的数据预先存储到计算机的内存中，从而减少从水流网格转换为水流粒子的时间，提高转换效率，使得视野切换时水环境变化流畅逼真。

同样的，图2中的视野内水流区域Ω的右侧邻近的区域为第二过渡区域B2，第二过渡区域B2在图2中对应的是水流粒子，由水流粒子构建水环境，将第二过渡区域B2的中的水流粒子的预先划分为水流网格，当图2中的视野外水流区域Ω′转化为图3中的视野外水流区域

时，第二过渡区域B2中预先划分的水流网格即可直接构建视野外水流区域的水环境，并且将对应的数据预先存储到计算机的内存中，从而减少划分网格的时间，提高转换效率，使得视野切换时水环境变化流畅逼真。

本领域技术人员可以理解，在具体实施方式的上述方法中，各步骤的撰写顺序并不意味着严格的执行顺序而对实施过程构成任何限定，各步骤的具体执行顺序应当以其功能和可能的内在逻辑确定。

由此可见，本发明公开了一种水环境可视仿真方法。该方法将水流区域区分为视野内水流区域和视野外水流区域，将视野内水流区域离散为水流粒子，由水流粒子采用平滑粒子流体动力学方法实现高精度的水环境可视仿真，将视野外水流区域划分为水流网格，由水流网格根据流体质量守恒方程和动量守恒方程，采用有限差分方法实现该区域内低精度的水环境可视仿真，能够根据视野的变换由低精度的水环境快速转换为高精度的水环境。并设定视野内水流区域和视野外水流区域之间的过渡区域，从而能够快速实现视野内水环境的高精度可视呈现。

请参阅图6，图6是本申请提供的终端设备另一实施例的框架示意图。终端设备60包括相互耦接的存储器61和处理器62，处理器62用于执行存储器61中存储的程序指令，以实现上述任一水环境可视仿真方法实施例的步骤。在一个具体的实施场景中，终端设备60可以包括但不限于：微型计算机、服务器，此外，终端设备60还可以包括笔记本电脑、平板电脑等移动设备，在此不做限定。

具体而言，处理器62用于控制其自身以及存储器61以实现上述任一水环境可视仿真方法实施例的步骤。处理器62还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。处理器62可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器62还可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。另外，处理器62可以由集成电路芯片共同实现。

请参阅图7，图7是本申请提供的计算机可读存储介质一实施例的框架示意图。计算机可读存储介质70存储有能够被处理器运行的程序指令701，程序指令701用于实现上述任一水环境可视仿真方法实施例的步骤。

在一些实施例中，本公开实施例提供的装置具有的功能或包含的模块可以用于执行上文方法实施例描述的方法，其具体实现可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。

上文对各个实施例的描述倾向于强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以互相参考，为了简洁，本文不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限值本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种水环境可视仿真方法，其特征在于，包括步骤：

构建视野内水流区域的水环境,将视野内水流区域中的水流离散为多个水流粒子，获取水流粒子速度，根据所述水流粒子的速度构建视野内水流区域的水环境；

构建视野外水流区域的水环境,将视野外水流区域中的水流划分为多个水流网格，获取水流网格的密度和速度，根据所述水流网格的密度和速度构建视野外水流区域的水环境；

视野内水流区域和视野外水流区域的水环境的转换，随着视野的变换，视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域，相应的视野外水流区域中的部分区域转换为视野内水流区域，使视野内的水环境始终为所述水流粒子构建的水环境；

视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域时，将所述视野内水流区域划分为水流网格，由划分出的水流网格构建视野外水流区域的水环境。

2.根据权利要求1所述的水环境可视仿真方法，其特征在于，所述水流网格的划分方法是沿水流的横断面、纵断面和深度对水流进行网格划分，划分出的水流网格为1个单位长度的立方体。

3.根据权利要求1所述的水环境可视仿真方法，其特征在于，视野外水流区域中的部分区域转换为视野内水流区域时，将所述视野外水流区域中的水流网格离散为多个水流粒子，由离散出的水流粒子构建视野内水流区域的水环境。

4.根据权利要求3所述的水环境可视仿真方法，其特征在于，所述视野内水流区域中的水流粒子的速度与所述视野外水流区域中水流网格的速度相同。

5.根据权利要求4所述的水环境可视仿真方法，其特征在于，视野内水流区域中的部分或全部区域转换为视野外水流区域后，转换后对应的所述视野外水流区域中水流网格的密度为该水流网格转换前对应的视野内水流区域中内水流粒子的个数，水流网格的速度为该水流网格转换前对应的视野内水流区域中水流粒子的速度平均值。

6.根据权利要求1所述的水环境可视仿真方法，其特征在于，水流中还包括有过渡区域，所述过渡区域包括有第一过渡区域和第二过渡区域，第一过渡区域为所述视野内水流区域与视野外水流区域的一邻近区域，第二过渡区域为视野内水流区域与视野外水流区域另一邻近区域。

7.根据权利要求6所述的水环境可视仿真方法，其特征在于，所述第一过渡区域为所述视野外水流区域中邻近所述视野内水流区域的水流网格，预先将该水流网格离散为水流粒子；

所述第二过渡区域为所述视野内水流区域中邻近所述视野外水流区域的水流粒子，预先将邻近一网格距离的水流粒子划分为水流网格。

8.一种终端设备，其特征在于，包括相互耦接的存储器和处理器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的程序指令，以实现权利要求1至7任一项所述的水环境可视仿真方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，其特征在于，所述程序指令被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述的水环境可视仿真方法。

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