CN116384207B - 基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法 - Google Patents

基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法，包括步骤：获取气象数值预报风场格点数据和属性值数据，并建立属性值与颜色值的映射表；绘制风场矢量流线，确定每条风场矢量流线的采样点，绘制采样点折线，利用属性值以及对应的色表映射采样点之间的线段颜色；对整条采样点折线的纹理坐标进行分段，重新确定每个粒子的初始纹理坐标值S1，将粒子的纹理坐标与流向、流速和展示时间进行关联，得到每个粒子在某一时刻的纹理坐标值S2，创建粒子的流动效果表达；创建粒子及拖尾效果，设定数据展示时间，进行展示循环，对最终结果进行渲染。本发明能够在风场动态展现时进行属性值的动态可视化展现，能够直观地对属性值进行表达。

Description

基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法
技术领域
本发明涉及一种数据可视化融合渲染方法，具体地说是一种基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法。
背景技术
风场流体数据是一种可由气象数值预报产品数据中提取得到的公开数据，风场流体数据可以反应风速、流向等气象数据。目前，已经在流体渲染和风场流体可视化方面都做了很多研究，如通过场景贴图资源和粒子资源实现动态流体效果的渲染、对二维场景下大量流体粒子的拖尾渲染进行了研究、基于风场数据实现了三维场景下流体风场图的渲染等。但目前研究多集中在风场数据动态效果渲染的方法上，多体现在风场可视化动态展现和变化趋势上，而缺少与该风场位置相对应的属性值（即预测值或监测值）的融合渲染。
在现有的核应急航空监测提供技术支持和应急救援过程中，需要分别获取应急区域内的风场流体数据以及放射性烟羽扩散预测结果数据，然后根据通过获得的数据综合分析研判、监测方案制定和优化、指导实际应急响应行动。
现有的方法无法直观得到流体方向、流速与属性值在某一时刻的动态变化，在风场动态展现的同时缺少属性值的动态可视化展现，造成可视化效果对属性值表达不够直观直接影响了核应急航空监测的快速分析研判和指导应急响应行动的效率。
实现风场流体数据与属性值（即预测值或监测值）数据的可视化融合渲染，对提升核应急航空监测数据综合信息分析研判、监测方案制定和优化、指导实际应急响应行动以及为应急决策提供技术支持的能力具有重要意义。风场流体数据可由气象数值预报产品数据中提取，放射性烟羽扩散预测或监测数据可通过理论计算或实测获取，而如何将这两种数据进行可视化融合渲染，实现放射性核素强度随时间、风场流体变化而直观实时展现，已成为核应急航空监测数据三维可视化平台中实现该融合渲染效果的关键技术。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法，以解决现在风场动态展现时缺少属性值的动态可视化展现，造成可视化效果对属性值表达不够直观的问题。
本发明是这样实现的：一种基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法，包括以下步骤。
a.获取气象数值预报风场格点数据，提取并记录格点坐标X、坐标Y、纬向风分量U、经向风分量V。
b.获取基于气象数值预报格点数据的属性值，提取并记录格点位置上的属性值。
c.建立属性值与颜色值的映射表。
d.采用U分量或V分量作为参数进行颜色设置，绘制风场矢量流线。
e.根据风场矢量流线的不同赋色确定每条风场矢量流线的采样点，记录各采样点的坐标及流速值，同时计算并记录各采样点处的属性值。
f. 按照流线流向顺序将采样点连成线要素，并记录每个采样点在所在线段中的比例。
g.绘制采样点折线，设置起点纹理坐标为0，终点纹理坐标为1。
h.通过属性值与颜色值的映射关系，结合线段比例，映射采样点之间的线段颜色。
i.根据采样点折线总长度和粒子长度，对整条采样点折线的纹理坐标进行分段，每一段为一个粒子，并重新确定每个粒子的初始纹理坐标值S1。
j.将粒子的纹理坐标与展示时间、流速进行关联，得到每个粒子在某一时刻的纹理坐标值S2，创建粒子的流动效果表达。
k.创建粒子及拖尾效果。
l.设定数据展示时间，对步骤j、k进行循环。
m.对最终结果进行渲染。
在步骤c中，对获取的属性值范围按照U分量值范围或V分量值范围进行分段映射，然后对每段属性值范围赋一种颜色值，颜色值用RGB格式表示。
在步骤e中，选取风场矢量流线上各个赋色的端点或交界点为采样点，采样点处的属性值由其附近格点数据属性值进行距离加权平均计算得到。
在步骤i中，粒子的纹理坐标S1= S×n的小数部分，n为粒子的个数，S为采样点折线中的纹理坐标值。
在步骤j中，某一时刻时粒子的纹理坐标为
S2=fract(S1+Δt×v/l)
其中：Δt为当前需要展示的时间与开始时间的差值，单位：s；v为粒子的流速，单位：m/s；l为粒子的长度，单位：m。
在步骤k中，对步骤j中得到的每个粒子在某一时刻时的纹理坐标S2进行处理，将每个粒子的一部分隐藏，并使粒子不隐藏的部分的透明度为渐变状态，从而创建粒子及拖尾效果。
将粒子中纹理坐标小于0.5的部分隐藏，同时令粒子其余部分的透明度为S2，S为采样点折线中的纹理坐标值。
所述属性值为放射性烟羽扩散预测值或监测值。
本发明用于对属性值进行基于风场流动轨迹和流动纹理支持属性值赋色的流体融合渲染。
本发明对气象数值预报风场格点数据进行处理，通过空间位置关系形成一系列采样点并连成线要素；对位于风场格点位置的属性值进行处理，计算得到各采样点对应的属性值；获取各采样点属性值后对纹理坐标进行分段；将属性值与色表进行映射计算得出流体粒子的颜色并赋色；将风场流向、流速与展示时间进行关联，通过重新计算纹理坐标实现流体动态展示；对粒子纹理坐标进行半透明处理创建流体粒子并实现拖尾效果；结果由Cesium前端渲染，最终实现风场流向、流速和属性值的融合渲染和动态可视化展示渲染。
本发明能较好的表现流体方向、流速与属性值在某一时刻的动态变化，本方法的主体为线要素，并使用透明度变化实现粒子及拖尾效果，使用颜色表达属性值，使用粒子流动的速度表达流体速度，粒子效果和属性值（颜色）可以动态修改，方法实现简单、快速、直观，当应用于核应急航空监测领域时，极大提升了核应急航空监测分析研判、快速响应的效率。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是使用本发明得到的效果图一（局部）。
图3是使用本发明得到的效果图二（局部）。
具体实施方式
如图1所示，本发明是一种基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法，包括以下步骤。
a.获取气象数值预报风场格点数据，提取并记录格点坐标X、坐标Y、纬向风分量U、经向风分量V。
b.获取基于气象数值预报格点数据的属性值，提取并记录格点位置上的属性值。
c.建立属性值与颜色值的映射表。
d.采用U分量或V分量作为参数进行颜色设置，绘制风场矢量流线。
e.根据风场矢量流线的不同赋色确定每条风场矢量流线的采样点，记录各采样点的坐标及流速值，同时计算并记录各采样点处的属性值。
f. 按照流线流向顺序将采样点连成线要素，并记录每个采样点在所在线段中的比例。
g.绘制采样点折线，设置起点纹理坐标为0，终点纹理坐标为1。
h.通过属性值与颜色值的映射关系，结合线段比例，利用属性值以及对应的色表映射采样点之间的线段颜色。
i.根据采样点折线总长度和粒子长度，对整条采样点折线的纹理坐标进行分段，每一段为一个粒子，并重新确定每个粒子的初始纹理坐标值S1。
j.将粒子的纹理坐标与展示时间、流速进行关联，得到每个粒子在某一时刻的纹理坐标值S2，创建粒子的流动效果表达。
k.创建粒子及拖尾效果。
l.设定数据展示时间，对步骤j、k进行循环。
m.对最终结果进行渲染。
本发明的具体步骤如下所述。
步骤一，进行数据的准备。
获取气象数值预报风场格点数据以及基于气象数值预报格点数据的属性值数据，然后建立属性值和颜色值的映射表。
气象数值预报风场格点数据可以通过公开的气象数据得到，基于气象数值预报格点数据的属性值数据可以根据需要获取。
获取气象数值预报风场格点数据后，提取并记录格点坐标X、坐标Y、纬向风分量U、经向风分量V。获取基于气象数值预报格点数据的属性值后，提取并记录格点（X，Y）位置上的属性值。
建立属性值与颜色值的映射表，对获取的属性值范围[Pmin，Pmax]按照U分量值范围[Umin，Umax]或V分量值范围[Vmin，Vmax]进行分段映射，然后对每段属性值范围赋一种颜色值，颜色值用RGB格式表示，得到颜色与属性值的对应关系。
步骤二，创建流体线实体。
利用开源的气象模块，采用U分量或V分量作为参数进行颜色设置，绘制风场矢量流线，即在绘制风场矢量流线时，由风场的流向、流速来确定风场矢量流线的颜色。
根据矢量流线不同赋色确定每条矢量流线的采样点，记录各采样点的坐标及流速值，同时计算并记录各采样点处的属性值。
选取风场矢量流线上各个赋色的端点或交界点为采样点，采样点处的属性值由其附近格点数据属性值进行距离加权平均计算得到。例如在一条风场矢量流线上显示2种颜色（颜色即代表U或V方向上的风速），则从开始算起有3个采样点a，b，c。按照风场矢量流线的流向从a到b到c按顺序记录3个点坐标。a、b、c三个采样点处的属性值可由其附近格点数据属性值进行距离加权平均计算得到。
将采样点连成线要素，并记录每个采样点在所在线段中的比例，该比例是指线段的起点到采样点的部分占线段总长度的比例。
根据前述示例，按顺序将a、b、c连线得到折线abc(根据矢量流线颜色可以有多个采样点，构成多条不交叉折线)，同时记录点a在abc中的比例为0；点b在abc中的比例为线段ab长度/折线abc长度；点c在abc中比例为1。
然后绘制采样点折线，设置起点的纹理坐标为0，终点的纹理坐标为1。如绘制折线abc时，a点设置纹理坐标起点为0，c点设置纹理坐标终点为1。此处示例中使用一维纹理坐标进行说明，即像素1×n的纹理图片，设置好纹理图片起点和终点的坐标后便完成采样点折线的绘制。
得到采样点折线后，通过属性值与颜色值的映射关系，结合线段比例，利用属性值以及对应的色表映射采样点之间的线段颜色。
然后根据采样点折线总长度和粒子长度，对整条采样点折线的纹理坐标进行分段，每一段为一个粒子，并重新确定每个粒子的初始纹理坐标值S1。粒子的纹理坐标为S1，S1取S×n的小数部分，n为粒子的个数，S为采样点折线中的纹理坐标值。
如在折线abc中，折线abc总长100m，每个粒子长5m，对abc进行分段，则将纹理坐标分为20段，每一段为一个粒子。即使用纹理坐标时令新纹理坐标S1取 S×20的小数部分，其中S代表折线abc中的纹理坐标值，折线abc中的纹理坐标为0到1，S1代表粒子的纹理坐标值，每个粒子纹理坐标S1均为0到1（在着色器中表达为S1= fract(S×20.0)；fract用于取小数部分）。这里对纹理坐标分段不会影响步骤h中的颜色设置。
然后将粒子的纹理坐标与展示时间、流速进行关联，得到每个粒子在某一时刻的纹理坐标值S2，创建粒子的流动效果表达。令每个粒子的纹理坐标与时间进行关联，使得时间正向或反向流动时，粒子都能正确表达流动效果（时间前进，流体前进；时间倒退，流体倒退）。
某一时刻时粒子的纹理坐标为
S2=fract(S1+Δt×v/l)
其中：Δt为当前需要展示的时间与开始时间的差值，单位：s；v为粒子的流速，单位：m/s；l为粒子的长度，单位：m。
如在折线abc中，设折线abc的总长度为100m，粒子每秒流动0.5m，粒子长度为5m，每个粒子纹理坐标S1均为0到1，则在粒子的纹理坐标尺度上，每个粒子每秒移动0.1。计算最终结果取小数部分，保证每个粒子纹理坐标范围在0到1。设Δt为当前需要展示的时间与开始时间的差值（单位：s），则最终使用纹理坐标为S2=fract(S1+Δt×0.1)。
创建粒子及拖尾效果。对得到的每个粒子在某一时刻时的纹理坐标S2进行处理，将每个粒子的一部分隐藏，并使粒子不隐藏的部分的透明度为渐变状态，从而创建粒子及拖尾效果。
具体可以将粒子中纹理坐标小于0.5的部分隐藏，同时令粒子其余部分的透明度为S2，S为采样点折线中的纹理坐标值。
步骤三，数据动态显示。
设定数据展示时间，对步骤j、k进行循环，在每一时刻计算每个粒子在该时刻的纹理坐标值S2，并创建粒子和拖尾效果。
最终结果使用Cesium前端进行渲染，进而达到动态显示效果。
其中，属性值为放射性烟羽扩散预测值或监测值，从而可以在风场动态展现的同时对放射性烟羽扩散进行动态可视化展现，以利于核应急航空监测的快速分析研判，提高指导应急响应行动的效率。
本发明用于对属性值进行基于风场流动轨迹和流动纹理支持属性值赋色的流体融合渲染。
如图2、图3所示，为使用本发明的渲染方法得到的实际渲染效果图，从图中可以直观的观察到某一时刻属性值的动态变化趋势。
本发明对气象数值预报风场格点数据进行处理，通过空间位置关系形成一系列采样点并连成线要素；对位于风场格点位置的属性值进行处理，计算得到各采样点对应的属性值；获取各采样点属性值后对纹理坐标进行分段；将属性值与色表进行映射计算得出流体粒子的颜色并赋色，并形成渐变过渡色；将风场流向、流速与展示时间进行关联，通过重新计算纹理坐标实现流体动态展示；对粒子纹理坐标进行半透明处理创建流体粒子并实现拖尾效果；结果由Cesium前端渲染，最终实现风场流向、流速和属性值的融合渲染和动态可视化展示渲染。
本发明能较好的表现流体方向、流速与属性值在某一时刻的动态变化，本方法的主体为线要素，并使用透明度变化实现粒子及拖尾效果，使用颜色表达属性值，使用粒子流动的速度表达流体速度，粒子效果和属性值（颜色）可以动态修改，方法实现简单、快速、直观。

Claims (5)

1.一种基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.获取气象数值预报风场格点数据，提取并记录格点坐标X、坐标Y、纬向风分量U、经向风分量V；
b.获取基于气象数值预报格点数据的属性值，提取并记录格点位置上的属性值，所述属性值为放射性烟羽扩散预测值或监测值；
c.建立属性值与颜色值的映射表，对获取的属性值范围按照U分量值范围或V分量值范围进行分段映射，然后对每段属性值范围赋一种颜色值，颜色值用RGB格式表示；
d.采用U分量或V分量作为参数进行颜色设置，绘制风场矢量流线；
e.根据风场矢量流线的不同赋色确定每条风场矢量流线的采样点，记录各采样点的坐标及流速值，同时计算并记录各采样点处的属性值；
f按照流线流向顺序将采样点连成线要素，并记录每个采样点在所在线段中的比例；
g.绘制采样点折线，设置起点的纹理坐标为0，终点的纹理坐标为1；
h.通过属性值与颜色值的映射关系，结合线段比例，映射采样点之间的线段颜色；
i.根据采样点折线总长度和粒子长度，对整条采样点折线的纹理坐标进行分段，每一段为一个粒子，并重新确定每个粒子的初始纹理坐标值S1；
j.将粒子的纹理坐标与展示时间、流速进行关联，得到每个粒子在某一时刻的纹理坐标值S2，创建粒子的流动效果表达，某一时刻时粒子的纹理坐标为
S2=fract(S1+Δt×v/l)
其中：Δt为当前需要展示的时间与开始时间的差值，单位：s；v为粒子的流速，单位：m/s；l为粒子的长度，单位：m；
k.创建粒子及拖尾效果；
l.设定数据展示时间，对步骤j、k进行循环；
m.对最终结果进行渲染。
2.根据权利要求1所述的基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法，其特征在于，在步骤e中，选取风场矢量流线上各个赋色的端点或交界点为采样点，采样点处的属性值由其附近格点数据属性值进行距离加权平均计算得到。
3.根据权利要求1所述的基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法，其特征在于，在步骤i中，粒子的纹理坐标S1 = S×n的小数部分，n为粒子的个数，S为采样点折线中的纹理坐标值。
4.根据权利要求1所述的基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法，其特征在于，在步骤k中，对步骤j中得到的每个粒子在某一时刻时的纹理坐标S2进行处理，将每个粒子的一部分隐藏，并使粒子不隐藏的部分的透明度为渐变状态，从而创建粒子及拖尾效果。
5.根据权利要求4所述的基于风场流动轨迹和流动纹理的属性值融合渲染方法，其特征在于，将粒子中纹理坐标小于0.5的部分隐藏，同时令粒子其余部分的透明度为S2，S为采样点折线中的纹理坐标值。
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