CN114067037A - 一种湖泊水质标量场体渲染生成方法及其存储介质 - Google Patents

Abstract

一种湖泊水质标量场体渲染生成方法及其存储介质，该方法将体渲染技术引入到湖泊水质模型可视分析中，构建“由表及里”的水质标量场体模型，基于频率分布直方图生成传递函数，最后进行光线合成及图像融合，这样将传统水环境水质表面可视化改进为可任意层、任意面剖切的体渲染表达，使得同一区间体素渲染的颜色表达更加精细，提高了体绘制的精度，能够表达局部细微分布差异和特征，有效提高水质模型内部特征立体透视分析能力，有利于研究湖泊水质分布现状和变化情况，对水污染管理和防治具有重要意义。

Description

一种湖泊水质标量场体渲染生成方法及其存储介质

技术领域

本发明涉及计算机图形图像学和环境科学，尤其涉及一种湖泊水质标量场体渲染生成方法及其存储介质，主要利用计算机体渲染方法分析水体污染物质分布及扩散规律。

背景技术

湖泊水质研究对湖泊水体污染治理情况具有重要意义，湖泊水质模型三维立体可视化有利于研究水体内部污染物分布和变化规律。目前，湖泊水质模型三维可视化采用的主流方法是面绘制方法，包括MC(Marching Cubes)、Surface Tracking等方法，但是普遍存在视线遮挡问题。体绘制方法直接将体素投影到显示平面，用来描述形态具体的物体，灵活地展示物体的内部结构，具备数据透视优势。将体渲染技术应用到湖泊水质研究，需要针对湖泊水质模型及污染物特性设计传递函数，目前尚未有湖泊水质体渲染方面的研究。

有学者研究海洋温度场、盐度场体渲染方法，主流方法采用人工经验设置分段传递函数，需要反复调整参数优化体素着色方法，大多情况会遇到数值集中区域“摊大饼”现象，造成同一区间体素渲染为同一种颜色，不能表达局部细微分布差异和特征。由于大气、海洋领域研究尺度大，重点研究宏观范围上的分布规律，上述问题不会突出表现。但是，湖泊水质体渲染研究尺度小，空间分布差异不显著，特别是浅水湖泊水质空间差异更是微小。因此，如何可视化表达湖泊水质空间分布细微差异和特征变得十分困难，成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种湖泊水质标量场体渲染生成方法及其存储介质，将体渲染技术引入到湖泊水质模型可视分析中，构建“由表及里”的水质标量场体模型，将传统水环境水质表面可视化改进为可任意层、任意面剖切的体渲染表达，有利于研究湖泊水质分布现状和变化情况，对水污染管理和防治具有重要意义。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种湖泊水质标量场体渲染生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

体素模型构建步骤S110:

基于湖泊水质标量场数据，通过线性空间插值，完成湖泊水质标量场三维体素纹理构建；

基于频率分布直方图生成传递函数步骤S120:

根据三维体素模型中标准化数值，统计体素内分布情况，绘制水质浓度标量场数据频率分布直方图,依据所述水质浓度标量场数据频率分布直方图设计颜色映射传递函数；

光线合成及图像融合步骤S130：

基于所述颜色映射传递函数计算得到每个体素颜色和不透明度，根据光线投射算法，实现光线合成及图像融合。

可选的，所述体素模型构建步骤S110具体包括：

数值标准化子步骤S111:

利用湖泊水质的水质叶绿素网格标量场数据，采用式(1)将网格数据归一化，所述归一化为进行min-max标准化为[0,1]范围内的数值，每个数值对应一个像素值，同时对应一个立体网格，形成体素，

其中，(l,m,n)为体素点在三维空间中的坐标，V(l,m,n)为(l,m,n)处体素的属性值，μ为水质叶绿素网格标量场数据集平均值，δ为水质叶绿素网格标量场数据集的标准差，det(l,m,n)为(l,m,n)处体素标准化后的属性值，取值区间为[0,1]；

空间插值子步骤S112：

使用线性空间插值的方法对标准化后的数据进行重采样，将离散的数据场变为连续的数据场，从而提高标量场数据质量；

体素纹理构建子步骤S113:

构建不规则区域三维体素纹理，对于含有空白体素的不规则区域，筛选出具有空值和无效值的网格数据并进行标识，体渲染过程中根据标识过滤掉空白体素，为不规则区域体渲染准备有效体素模型。

可选的，所述基于频率分布直方图生成传递函数步骤S120具体为：

色带初始化子步骤S121：

将归一化后的标量场从小到大等量划分，确定划分区间数量N；同时初始化设置对应的颜色色带，每一个区间对应一个颜色色带(C₁-C₂，C₂-C₃…C_i-C_i+1…C_N-C_N+1)，颜色C₁到颜色C₂之间形成一个颜色色带，颜色C₁到颜色C_N之间的所有颜色色带组成全局色带；

频率分布直方图生成子步骤S122：

统计每一个区间体素的数量，作为该区间频率(F₁，F₂…F_i...F_N)，F_i为体素在第i个区间内的频率，计算区间频率值占体素总量比例作为该区间体素比例，以归一化后的标量场数据的N个取值区间为横坐标，以对应区间内体素的个数为纵坐标绘制水质浓度标量场数据频率分布直方图；

像素比例设置子步骤S123：

将该区间体素比例作为占整个映射纹理的像素比例，使得分布集中区域颜色色带占据更多像素，保证颜色分级级别更多；

色带划分子步骤S124：

设置全局色带的分级等级为P，即将全局色带划分为P个像素，根据各色带区间内所占的像素比例，计算每个色带的像素数量；

频度色带循环生成步骤S125：

循环生成每一个色带，色带根据开始颜色Ci和终止颜色Ci+1线性插值生成，其中上一个色带的结束颜色，为下一个色带的开始颜色。

颜色映射传递函数生成步骤S126:

按照子步骤S121-S125自动生成传递函数，用于最终合成为全局颜色色带，基于数值频率统计的颜色映射传递函数公式，所述颜色映射传递函数公式包括公式(3)颜色映射传递函数公式和公式(4)不透明度数值的计算公式。

i＝Int(det*N),i∈[0,N-1] (2)

A_(l,m,n)＝det(l,m,n) (4)

其中，i表示第i个区间，即为第i个色带，取值区间为[0,N-1]，N表示区间总数；C_i为第i个色带开始颜色，C_i+1为第个色带的终止颜色，P表示所有色带像素总数，也是调节常量，F_i为体素在第i个区间内的频率，(R_(l,m,n),G_(l,m,n),B_(l,m,n))为(l,m,n)处体素的属性值映射后的颜色值，A_(l,m,n)为(l,m,n)处体素的属性值映射后的不透明度值，与标准化后的属性值成正比。

可选的，光线合成及图像融合步骤S130具体为：

体像素颜色和透明度计算子步骤S131：

利用式(3)和(4)生成的传递函数计算每个体素的颜色、不透明度数值，得到体素数值对应的颜色和不透明度；

光照渲染着色子步骤S132:

利用光线投射算法对体素进行光照渲染着色，得到采样点的颜色值和不透明度；

光线合成图像融合子步骤S133：

根据光线投射算法中投射光线上的采样点的颜色值和不透明度，沿着投射光线的方向按照从前向后的顺序对各采样点的颜色值和不透明度进行累加合成，得到屏幕像素点的颜色值和不透明度，完成光线合成及图像融合。

本发明进一步公开了一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，其特征在于：

所述计算机可执行指令在被处理器执行时执行上述的湖泊水质标量场体渲染生成方法。

本发明通过考虑三维体素模型频率分布，即将体素数值平均划分为若干等分，计算每一等份的数值区间，按照区间统计数值位于该区间的体素数量，根据区间频率绘制频率分布直方图，基于频率分布直方图生成传递函数，使得同一区间体素渲染的颜色表达更加精细，提高了体绘制的精度，能够表达局部细微分布差异和特征，有效提高水质模型内部特征立体透视分析能力。

附图说明

图1是根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的流程图；

图2是根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的所构建的体素模型；

图3是根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的色带生成示意图；

图4是根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的得到的基于频率分布直方图；

图5是根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的体渲染透视分析示意图；

图6是根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的湖泊水质体渲染变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明主要在于：充分考虑湖泊水质标量场频率分布，基于水质叶绿素网格标量场数据构建体素模型，通过统计频率分布得到频率分布直方图，基于频率分布生成传递函数，根据光线跟踪算法，实现光线合成及图像融合，将体素标量数值合理地映射为颜色和透明度，最终输出湖泊水质体渲染模型。本发明实现了湖泊水质空间分布差异精细化表达，有效提高水质模型内部特征立体透视分析能力。

参见图1，示出了根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的流程图，包括如下步骤：

体素模型构建步骤S110:

基于湖泊水质标量场数据，通过线性空间插值，完成湖泊水质标量场三维体素纹理构建。

具体的，该步骤包括如下子步骤：

数值标准化子步骤S111:

利用湖泊水质的水质叶绿素网格标量场数据，采用式(1)将网格数据归一化，所述归一化为进行min-max标准化为[0,1]范围内的数值，每个数值对应一个像素值，同时对应一个立体网格，形成体素，

其中，(l,m,n)为体素点在三维空间中的坐标，V(l,m,n)为(l,m,n)处体素的属性值，μ为水质叶绿素网格标量场数据集平均值，δ为水质叶绿素网格标量场数据集的标准差，det(l,m,n)为(l,m,n)处体素标准化后的属性值，取值区间为[0,1]。

空间插值子步骤S112：

使用线性空间插值的方法对标准化后的数据进行重采样，将离散的数据场变为连续的数据场，从而提高标量场数据质量。

体素纹理构建子步骤S113:

构建不规则区域三维体素纹理，对于含有空白体素的不规则区域，筛选出具有空值和无效值的网格数据并进行标识，体渲染过程中根据标识过滤掉空白体素，为不规则区域体渲染准备有效体素模型。

参见图2，示出了湖泊水质标量场体渲染生成方法的所构建的体素模型。

基于频率分布直方图生成传递函数步骤S120:

根据三维体素模型中标准化数值，统计体素内分布情况，绘制水质浓度标量场数据频率分布直方图,依据所述水质浓度标量场数据频率分布直方图设计颜色映射传递函数。

具体的，包括如下子步骤：

色带初始化子步骤S121：

将归一化后的标量场从小到大等量划分，确定划分区间数量N；同时初始化设置对应的颜色色带，每一个区间对应一个颜色色带(C₁-C₂，C₂-C₃.....C_i-C_i+1.....C_N-C_N+1)，颜色C₁到颜色C₂之间形成一个颜色色带，颜色C₁到颜色C_N之间的所有颜色色带组成全局色带。

参见图3，示出了根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的色带生成示意图。

频率分布直方图生成子步骤S122：

统计每一个区间体素的数量，作为该区间频率(F₁，F₂...F_i...F_N)，F_i为体素在第i个区间内的频率，计算区间频率值占体素总量比例作为该区间体素比例，以归一化后的标量场数据的N个取值区间为横坐标，以对应区间内体素的个数为纵坐标绘制水质浓度标量场数据频率分布直方图；

参见图4，示出了根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的得到的基于频率分布直方图。

像素比例设置子步骤S123：

将该区间体素比例作为占整个映射纹理的像素比例，使得分布集中区域颜色色带占据更多像素，保证颜色分级级别更多。

色带划分子步骤S124：

设置全局色带的分级等级为P，即将全局色带划分为P个像素，根据各色带区间内所占的像素比例，计算每个色带的像素数量。

频度色带循环生成步骤S125：

循环生成每一个色带，色带根据开始颜色C_i和终止颜色C_i+1线性插值生成，其中上一个色带的结束颜色，为下一个色带的开始颜色。

颜色映射传递函数生成步骤S126:

按照子步骤S121-S125自动生成传递函数，用于最终合成为全局颜色色带，基于数值频率统计的颜色映射传递函数公式，所述颜色映射传递函数公式包括公式(3)颜色映射传递函数公式和公式(4)不透明度数值的计算公式。

i＝Int(det*N),i∈[0,N-1] (2)

A_(l,m,n)＝det(l,m,n) (4)

其中，i表示第i个区间，即为第i个色带，取值区间为[0,N-1]，N表示区间总数；C_i为第i个色带开始颜色，C_i+1为第个色带的终止颜色；P表示所有色带像素总数，也是调节常量，F_i为体素在第i个区间内的频率，(R_(l,m,n),G_(l,m,n),G_(l,m,n))为(l,m,n)处体素的属性值映射后的颜色值，A_(l,m,n)为(l,m,n)处体素的属性值映射后的不透明度值，与标准化后的属性值成正比。

光线合成及图像融合步骤S130：

基于所述颜色映射传递函数计算得到每个体素颜色和不透明度，根据光线投射算法，实现光线合成及图像融合。

具体的，包括如下子步骤：

体像素颜色和透明度计算子步骤S131：

利用式(3)和(4)生成的传递函数计算每个体素的颜色、不透明度数值，得到体素数值对应的颜色和不透明度。

光照渲染着色子步骤S132:

利用光线投射算法对体素进行光照渲染着色，得到采样点的颜色值和不透明度。

光线合成图像融合子步骤S133：

根据光线投射算法中投射光线上的采样点的颜色值和不透明度，沿着投射光线的方向按照从前向后的顺序对各采样点的颜色值和不透明度进行累加合成，得到屏幕像素点的颜色值和不透明度，完成光线合成及图像融合。

参见图5，得到了根据本发明具体实施例的湖泊水质标量场体渲染生成方法的体渲染透视分析示意图。

实施例

将体渲染方法应用到浅水湖泊水质立体可视分析中，设计顾及频率分布的传递函数，采用体渲染方法构建“由表及里”的水质标量场体模型，能有效实现湖泊水质模型的精细化模拟和表达，可以探索湖泊水质标量场分布规律和湖泊污染物扩散情况。利用体渲染方法将传统水环境水质表面可视化改进为可任意层、任意面剖切的体渲染表达，为浅水湖泊水质分布现状和变化情况的研究提供依据。

以中国巢湖三维水质模型生成的叶绿素α标量场数据为例，标量场为330×66×5网格点，每个网格点标识水体叶绿素含量，数据分为水下5层，共计8天。巢湖水质体绘制透视分析如图5所示，将8天的数据按照如下的方式进行计算，得到8天内叶绿素α的时空变化图，具体如图6所示。

因此，通过本发明，基于体渲染技术，考虑叶绿素体素模型频率分布，自动化生成传递函数方法，实现了多时序水质标量场体渲染可视化与动态仿真实验，优化了湖泊水质体渲染细微差异精细表达的效果，为湖泊多时序水质变化提供了有效的可视分析方法。

本发明通过考虑三维体素模型频率分布，即将体素数值平均划分为若干等分，计算每一等份的数值区间，按照区间统计数值位于该区间的体素数量，根据区间频率绘制频率分布直方图，基于频率分布直方图生成传递函数，使得同一区间体素渲染的颜色表达更加精细，提高了体绘制的精度，能够表达局部细微分布差异和特征，有效提高水质模型内部特征立体透视分析能力。

进一步的，本发明公开了一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，其特征在于：

所述计算机可执行指令在被处理器执行时执行上述的湖泊水质标量场体渲染生成方法。

显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上,可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (5)

1.一种湖泊水质标量场体渲染生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

体素模型构建步骤S110：

基于湖泊水质标量场数据，通过线性空间插值，完成湖泊水质标量场三维体素纹理构建；

基于频率分布直方图生成传递函数步骤S120：

根据三维体素模型中标准化数值，统计体素内分布情况，绘制水质浓度标量场数据频率分布直方图，依据所述水质浓度标量场数据频率分布直方图设计颜色映射传递函数；

光线合成及图像融合步骤S130：

基于所述颜色映射传递函数计算得到每个体素颜色和不透明度，根据光线投射算法，实现光线合成及图像融合。

2.根据权利要求1所述的湖泊水质标量场体渲染生成方法，其特征在于，

所述体素模型构建步骤S110具体包括：

数值标准化子步骤S111：

利用湖泊水质的水质叶绿素网格标量场数据，采用式(1)将网格数据归一化，所述归一化为进行min-max标准化为[0，1]范围内的数值，每个数值对应一个像素值，同时对应一个立体网格，形成体素，

其中，(l，m，n)为体素点在三维空间中的坐标，V(l，m，n)为(l，m，n)处体素的属性值，μ为水质叶绿素网格标量场数据集平均值，δ为水质叶绿素网格标量场数据集的标准差，det(l，m，n)为(l，m，n)处体素标准化后的属性值，取值区间为[0，1]；

空间插值子步骤S112：

使用线性空间插值的方法对标准化后的数据进行重采样，将离散的数据场变为连续的数据场，从而提高标量场数据质量；

体素纹理构建子步骤S113：

构建不规则区域三维体素纹理，对于含有空白体素的不规则区域，筛选出具有空值和无效值的网格数据并进行标识，体渲染过程中根据标识过滤掉空白体素，为不规则区域体渲染准备有效体素模型。

3.根据权利要求2所述的湖泊水质标量场体渲染生成方法，其特征在于，

所述基于频率分布直方图生成传递函数步骤S120具体为：

色带初始化子步骤S121：

将归一化后的标量场从小到大等量划分，确定划分区间数量N；同时初始化设置对应的颜色色带，每一个区间对应一个颜色色带(C₁-C₂，C₂-C₃…C_i-C_i+1…C_N-C_N+1)，颜色C₁到颜色C₂之间形成一个颜色色带，颜色C₁到颜色C_N之间的所有颜色色带组成全局色带；

频率分布直方图生成子步骤S122：

统计每一个区间体素的数量，作为该区间频率(F₁，F₂…F_i...F_N)，F_i为体素在第i个区间内的频率，计算区间频率值占体素总量比例作为该区间体素比例，以归一化后的标量场数据的N个取值区间为横坐标，以对应区间内体素的个数为纵坐标绘制水质浓度标量场数据频率分布直方图；

像素比例设置子步骤S123：

将该区间体素比例作为占整个映射纹理的像素比例，使得分布集中区域颜色色带占据更多像素，保证颜色分级级别更多；

色带划分子步骤S124：

设置全局色带的分级等级为P，即将全局色带划分为P个像素，根据各色带区间内所占的像素比例，计算每个色带的像素数量；

频度色带循环生成步骤S125：

循环生成每一个色带，色带根据开始颜色C_i和终止颜色C_i+1线性插值生成，其中上一个色带的结束颜色，为下一个色带的开始颜色；

颜色映射传递函数生成步骤S126：

按照子步骤S121-S125自动生成传递函数，用于最终合成为全局颜色色带，基于数值频率统计的颜色映射传递函数公式，所述颜色映射传递函数公式包括公式(3)颜色映射传递函数公式和公式(4)不透明度数值的计算公式。

i＝Int(det*N)，i∈[0，N-1] (2)

A_(l，m，n)＝det(l，m，n) (4)

其中，i表示第i个区间，即为第i个色带，取值区间为[0，N-1]，N表示区间总数；C_i为第i个色带开始颜色，C_i+1为第个色带的终止颜色，P表示所有色带像素总数，也是调节常量，F_i为体素在第i个区间内的频率，(R_(l，m，n)，G_(l，m，n)，B_(l，m，n))为(l，m，n)处体素的属性值映射后的颜色值，A_(l，m，n)为(l，m，n)处体素的属性值映射后的不透明度值，与标准化后的属性值成正比。

4.根据权利要求3所述的湖泊水质标量场体渲染生成方法，其特征在于，

光线合成及图像融合步骤S130具体为：

体像素颜色和透明度计算子步骤S131：

利用式(3)和(4)生成的传递函数计算每个体素的颜色、不透明度数值，得到体素数值对应的颜色和不透明度；

光照渲染着色子步骤S132：

利用光线投射算法对体素进行光照渲染着色，得到采样点的颜色值和不透明度；

光线合成图像融合子步骤S133：

根据光线投射算法中投射光线上的采样点的颜色值和不透明度，沿着投射光线的方向按照从前向后的顺序对各采样点的颜色值和不透明度进行累加合成，得到屏幕像素点的颜色值和不透明度，完成光线合成及图像融合。

5.一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，其特征在于：

所述计算机可执行指令在被处理器执行时执行权利要求1-4中任一项所述的湖泊水质标量场体渲染生成方法。

Images