一种三维环境空气质量动态渲染方法
阅读说明：本技术 一种三维环境空气质量动态渲染方法 (Three-dimensional environment air quality dynamic rendering method ) 是由 左瑞亭 周浩 梁志伟 王新昊 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三维环境空气质量动态渲染方法,属于图像处理技术领域,包括将气象模式结果数据建模成三维空间网格场,通过纹理映射方式形成包含纹理切片的立方体空间,采用投射线技术,根据一定策略融合累加每一个切片采样点的颜色值并形成最终的像素点颜色,渲染出整体的三维场效果,解决了利用粒子和纹理的方式,通过变换纹理的颜色及透明度,达到粒子团的模拟变化效果,从而在网页端绘制出多时刻变化的三维空气质量模式结果数据的技术问题,本发明渲染效果是三维的,可人为突出重点关注阈值区间,动态变化效果可以加载多时刻数据,通过着色器加速的渲染方法,可在网页端进行GPU的使用。(The invention discloses a dynamic rendering method of three-dimensional environment air quality, belonging to the technical field of image processing, comprising modeling meteorological pattern result data into a three-dimensional space grid field, forming a cube space containing texture slices in a texture mapping mode, adopting a projection line technology, fusing and accumulating the color value of each slice sampling point according to a certain strategy and forming a final pixel point color, rendering the whole three-dimensional field effect, solving the technical problem that the three-dimensional air quality pattern result data changing at multiple moments is drawn at a webpage end by changing the color and the transparency of the texture in a particle and texture mode, achieving the simulation change effect of a particle group, wherein the rendering effect is three-dimensional, artificially emphasizing a key focus threshold interval, loading the data at multiple moments in the dynamic change effect, and accelerating the rendering method through a shader, the GPU can be used at the webpage end.)
技术领域
本发明属于图像处理
技术领域
，涉及一种三维环境空气质量动态渲染方法。背景技术
三维粒子系统渲染技术是计算机仿真领域中重要的一部分。得益于遥感探测技术的发展，现阶段的工作基站、无人机航拍技术、卫星遥测等技术可以为大气空气质量研究领域提供海量实时精确的数据信息。但只有通过更加具体高效的可视化技术，才能将单一的数据信息多元化地呈现在人们面前，数据可视化是一切展示研究结果的落脚点。
现有的三维粒子系统仿真技术，主要存在以下缺陷:
1. 利用结果数据根据位置信息以静态图片覆盖数据点的形式进行模拟，缺乏直观性。
2. 大多模拟主要通过建立相关要素的物理模型、分布模型以及载体模型等进行渲染，其最终渲染结果随机，无法贴合真实数据结果。
3. 传统的三维粒子系统渲染技术基于后台计算，虽然计算效率上得到一定的提升，但是仍存在着便携性、简易性、跨平台操作上的问题。
4. 基于网页端的粒子系统渲染方法除了存在以上直观性、真实性性以及便携性问题外，还存在着计算资源效率的问题。
近年来，科学家们为了能够对大气空气质量结果及其变化过程进行更加准确直观的可视化表达，进行了大量的研究。粒子系统绘制技术通常描述为将烟雾看成由众多粒子组成的粒子团，更具体的描述则是由大量按一定规则运动（变化）的微小物质组成的大物质在计算机上的生成与显示。该技术的核心思路是为针对每一个空间采样点通过一定的方法，依据其三维空间信息，生成对应属性的粒子团，根据每个粒子团的属性变化设置其运动趋势从而达到模拟可视化的效果。但是，直接利用粒子系统对大气空气质量结果进行渲染的效果是不理想的。大气空气质量数据场的分布不均匀特征及本身的物理意义并不契合粒子建模特征等特性成为使用该技术的限制，但因其可以完全模拟出三维结构，可以通过人为控制粒子纹理对光线的作用效果等特点，使粒子系统渲染技术是值得采用的。
随着计算机硬件的发展，GPU的性能较传统的硬件在计算效率上有了质的提升。利用GPU强大的浮点计算能力进行计算机可视化渲染已经是现在主流的方向。传统的模拟方法大多基于CPU进行，这往往造成计算效率底下，通过CPU与GPU的并行计算，可一定程度上提高运算效率。目前，网页端的GPU加速进行大气空气质量要素渲染的工作较少，大部分科研人员利用GPU进行简单的浮点计算以提高整体的数据计算效率，对如何利用GPU进行计算效率提升的同时，使用WebGL技术完善渲染效果等方面的工作仍显不足。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种三维环境空气质量动态渲染方法，解决了利用粒子和纹理的方式，通过变换纹理的颜色及透明度，达到粒子团的模拟变化效果，从而在网页端绘制出多时刻变化的三维空气质量模式结果数据的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三维环境空气质量动态渲染方法，包括通过客户端采集样例数据，客户端将样例数据发送给中心服务器；
在中心服务器中对样例数据进行预处理，初始化粒子系统网格场，得到网格点模型，计算获得相同经纬度，不同气压层的格网点的世界坐标；
建立以格点单元为基础的点阵数据集合，每个格点带有的属性数据包括行列层号、对应的世界坐标和属性值；
以点阵数据集合中的格点为中心，建立空间内的平面正方形，平面正方形的长宽取值均为L，L为一个预设值，平面正方形的数量与点阵数据集合中的格点的数量相同；
使用光线投射技术，获取平面正方形四个顶点与中心点的单位向量Kn，n取值为1、2、3和4，具体包括设定初始光源；以光源为初始点，以单位格点为终点，进行连线，计算出其单位向量R；以R为法向量，以地平面为水平基准点，计算出平面正方形的四个顶点与其中心点的单位向量Kn，记为K1，K2，K3和K4；
设定初始采样纹理，设定纹理的可视深度从中心向边界递减，所以映射粒子的图像纹理的灰度值也满足这一条件，同时要求连续过渡，所以采用高斯分布进行灰度值模拟；
在客户端通过顶点着色器求得的采样纹理坐标，输出光栅化后的采样点坐标；将网格点模型、平面正方形的单位向量Kn输入顶点着色器中，进行光栅化处理；通过片段着色器将初始采样纹理放置在正方形上，根据格点属性值val依据颜色表对其进行RGB颜色赋值，将颜色值的四个分量作平滑渐变插值，实现从T0时刻到T1时刻大气空气质量要素浓度值变化的补间动画效果；
将最终采样结果保存在客户端的帧缓存区中，并在Web地图框架中绘制显示。
优选的，网格点模型通过以下公式进行表达：
；
其中，为球形的半径，为纬度坐标，为经度坐标。
优选的，通过下列公式，可计算获得相同经纬度，不同气压层的格点的世界坐标：
其中，R为地球的设定半径，为所求点距地表的高度值，为初始点的世界坐标 系的轴上的坐标值，为初始点的世界坐标系的轴上的坐标值，x1、y1和z1分别为格点 的X轴坐标、Y轴坐标和Z轴坐标。
优选的，采用高斯分布进行灰度值模拟时，通过以下公式进行：
；
其中：代表距离球心的距离；代表距离球心处的纹理的灰度值；为高 斯分布的方差，设置为3；为中心峰值的调制值。
优选的，记录纹理分辨率为S1×S1,则存在以下公式:
；
；
其中，P表示正方形顶点的空间坐标；Pt表示所在正方形的中心点坐标，也就是格网点坐标；K代表正方形与中心点的单位向量，L为平面正方形的长宽取值。
优选的，实现从T0时刻到T1时刻大气空气质量要素浓度值变化的补间动画效果具体包括如下步骤：
步骤S1：读取T0时刻的当前粒子的属性值，通过颜色映射表得到其对应的RGBA值，记为T（R0，G0，B0，A0）；
步骤S2：读取T1时刻的当前粒子的属性值，通过颜色映射表得到其对应的RGBA值，记为T（R1，G1，B1，A1）；
步骤S3：利用贝塞尔曲线插值算法，等间距选取三个时刻的中间时刻得到的颜色结果值的中间控制点值，通过以下公式，获得T0时刻的颜色变化值到T1时刻的颜色变化值的补间动画效果：
；
其中，B（t）为单位时间内的颜色值结果，t为单位时间控制其，其取值范围为[0-1],T0为第0时刻的值，T1为中间时刻得到的控制点值，T2为上文所说的T1时刻的值。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种三维环境空气质量动态渲染方法，解决了利用粒子和纹理的方式，通过变换纹理的颜色及透明度，达到粒子团的模拟变化效果，从而在网页端绘制出多时刻变化的三维空气质量模式结果数据的技术问题，本发明渲染效果是三维的，可人为突出重点关注阈值区间，动态变化效果可以加载多时刻数据，通过着色器加速的渲染方法，可在网页端进行GPU的使用，对于海量的数据处理以及动画效果设置都具有优势，基于地图信息的渲染，可直观展示大气空气质量要素的水平、垂直、及相应内部结构信息。同时，也会附带位置信息，为气象要素的变化过程提供更加准确的表述，本发明改善粒子系统需要移动以展示轨迹的渲染方法，相比前人的方法，在直观性、结构性、时效性上都有明显改善，且具有更好的视觉表现。本发明将整个计算流程放置在GPU上进行，使得在web端渲染时效率大大提升。同时，设定的颜色采样插值变化过程，可自然过渡到下一个渲染结果，更加符合实际变化过程。该发明可连续动态展示多时间序列下的大气空气质量要素变化效果，程序运行流畅，效果直观可信。
附图说明
图1为本发明的纹理映射切片单元示意图；
图2为本发明的基于网页端及GPU加速的粒子系统渲染流程示意图；
图3为本发明的改进后的粒子系统技术方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图3所示的一种三维环境空气质量动态渲染方法，包括通过客户端采集样例数据，客户端将样例数据发送给中心服务器；
在中心服务器中对样例数据进行预处理，初始化粒子系统网格场，得到网格点模型，计算获得相同经纬度，不同气压层的格网点的世界坐标；
建立以格点单元为基础的点阵数据集合，每个格点带有的属性数据包括行列层号、对应的世界坐标和属性值；
本实施例中，根据所求得的数据场格点坐标，组织形成以剖面为单元的点数据集合，其中基础单元为格网点，带有的属性数据包括行列层号，对应的世界坐标以及属性值：
；
其中，i为行数，j为列数，lev为层数，lon为经度，lat为纬度，hei为高度，val为当前点的数值。
以点阵数据集合中的格点为中心，建立空间内的平面正方形，平面正方形的长宽取值均为L，L为一个预设值，平面正方形的数量与点阵数据集合中的格点的数量相同；
使用光线投射技术，获取平面正方形四个顶点与中心点的单位向量Kn，n取值为1、2、3和4，具体包括设定初始光源；以光源为初始点，以单位格点为终点，进行连线，计算出其单位向量R；以R为法向量，以地平面为水平基准点，计算出平面正方形的四个顶点与其中心点的单位向量Kn，记为K1，K2，K3和K4；
本实施例中，设定初始光源，做一条射线，当光线从初始光源投射到立方体中，穿越距离为 n（n<m）时进行采样，则存在公式：
；
其中Tstart表示立方体表面被投射点的体纹理坐标；d表示投射方向；detal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。
通过顶点着色器求得的采样纹理坐标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结束。
设定初始采样纹理，设定纹理的可视深度从中心向边界递减，所以映射粒子的图像纹理的灰度值也满足这一条件，同时要求连续过渡，所以采用高斯分布进行灰度值模拟；
在客户端通过顶点着色器求得的采样纹理坐标，输出光栅化后的采样点坐标；将网格点模型、平面正方形的单位向量Kn输入顶点着色器中，进行光栅化处理；通过片段着色器将初始采样纹理放置在正方形上，根据格点属性值val依据颜色表对其进行RGB颜色赋值，将颜色值的四个分量作平滑渐变插值，实现从T0时刻到T1时刻大气空气质量要素浓度值变化的补间动画效果；
将最终采样结果保存在客户端的帧缓存区中，并在Web地图框架中绘制显示。
优选的，网格点模型通过以下公式进行表达：
；
其中，为球形的半径，为纬度坐标，为经度坐标。
优选的，不同网格层的格网点，其经纬度上下相同，但气压层不同，通过下列公式，可计算获得相同经纬度，不同气压层的格点的世界坐标：
其中，R为地球的设定半径，为所求点距地表的高度值，为初始点的世界坐标 系的轴上的坐标值，为初始点的世界坐标系的轴上的坐标值，x1、y1和z1分别为格点 的X轴坐标、Y轴坐标和Z轴坐标。
优选的，采用高斯分布进行灰度值模拟时，通过以下公式进行：
；
其中：代表距离球心的距离；代表距离球心处的纹理的灰度值；为高 斯分布的方差，设置为3；为中心峰值的调制值。
优选的，记录纹理分辨率为S1×S1,则存在以下公式:
；
；
其中，P表示正方形顶点的空间坐标；Pt表示所在正方形的中心点坐标，也就是格网点坐标；K代表正方形与中心点的单位向量，L为平面正方形的长宽取值。
优选的，实现从T0时刻到T1时刻大气空气质量要素浓度值变化的补间动画效果具体包括如下步骤：
步骤S1：读取T0时刻的当前粒子的属性值，通过颜色映射表得到其对应的RGBA值，记为T（R0，G0，B0，A0）；
步骤S2：读取T1时刻的当前粒子的属性值，通过颜色映射表得到其对应的RGBA值，记为T（R1，G1，B1，A1）；
步骤S3：利用贝塞尔曲线插值算法，等间距选取三个时刻的中间时刻得到的颜色结果值的中间控制点值，通过以下公式，获得T0时刻的颜色变化值到T1时刻的颜色变化值的补间动画效果：
；
其中，B（t）为单位时间内的颜色值结果，t为单位时间控制其，其取值范围为[0-1],T0为第0时刻的值，T1为中间时刻得到的控制点值，T2为上文所说的T1时刻的值。
本发明可以应用在包括客户端和中心服务器的场景中，客户端和中心服务器之间通过互联网进行通信。
传统的粒子系统以单个点为载体，进行移位置移动和颜色变化达到模拟大范围烟雾云团的效果。本发明是用粒子的位置信息进行平面正方形拟合，模拟出单个粒子的平面正方形信息，通过空气质量要素的不连续的物理特性来改变初始纹理的颜色及透明度，使得由传统的单个粒子填充改为由平面正方形填充。本发明可以自由调整初始采样纹理的样式，达到不同的显示效果。同时，利用着色器，大范围，高分辨率的初始采样纹理也可以负载。本发明使用三次贝塞尔曲线插值算法用在这边，利用中间值进行模拟，达到感官上的颜色变化。
本实施例中，系统架构包括客户端和中心服务器，客户端和中心服务器之间通过互联网进行通信。由中心服务器对环境空气质量原始数据进行预处理，基于HTTP/HTTPS协议实现网格数据由服务器向客户端的传输，在客户端结合GPU加速技术与WebGL技术进行三维可视化渲染，中心服务器用Linux操作系统，覆盖100M电信光纤网络环境，具有良好的稳定性、耐久性及复位重启特性，保证了承载的发明专利系统全天候稳定运转，在异常情况下能够迅速重启，配置采用CPU: Xeon E5，主频：2.1 GHz，内存：4GB，硬盘：500G及以上。
本发明所述的一种三维环境空气质量动态渲染方法，解决了利用粒子和纹理的方式，通过变换纹理的颜色及透明度，达到粒子团的模拟变化效果，从而在网页端绘制出多时刻变化的三维空气质量模式结果数据的技术问题，本发明渲染效果是三维的，可人为突出重点关注阈值区间，动态变化效果可以加载多时刻数据，通过着色器加速的渲染方法，可在网页端进行GPU的使用，对于海量的数据处理以及动画效果设置都具有优势，基于地图信息的渲染，可直观展示大气空气质量要素的水平、垂直、及相应内部结构信息。同时，也会附带位置信息，为气象要素的变化过程提供更加准确的表述，本发明改善粒子系统需要移动以展示轨迹的渲染方法，相比前人的方法，在直观性、结构性、时效性上都有明显改善，且具有更好的视觉表现。本发明将整个计算流程放置在GPU上进行，使得在web端渲染时效率大大提升。同时，设定的颜色采样插值变化过程，可自然过渡到下一个渲染结果，更加符合实际变化过程。该发明可连续动态展示多时间序列下的大气空气质量要素变化效果，程序运行流畅，效果直观可信。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种场景重建方法、系统、装置及扫地机器人