面向海洋标量场特征的三维可视化关键技术研究

摘要

随着海洋科学的不断发展，海洋探测技术的不断提升，通过卫星海洋遥感、浮标探测、调查船等多样化的技术方法可以获取大量的海洋数据。海洋数据是海洋现象的反映，如何通过数字化手段对海洋数据进行处理和表现，使海洋数据中所包含的有效信息能够得到充分表达，是更好地理解海洋现象和进一步海洋科学研究的有效工具，成为当前需要解决的重要课题。信息可视化技术在海洋领域的应用是对海洋数据和海洋现象进行数字化表达的有效手段。
　　本文以信息可视化技术为基础，针对海洋标量数据的特点，重点研究海洋标量场三维可视化算法，使海洋特征能够得到有效表达;设计并实现了针对海洋标量场的可视化系统，系统基于GPU加速算法实现对海洋数据的实时渲染并支持剖面选择、自定义配色方案等各类交互操作。论文所做的主要工作及所获得的研究成果如下:
　　(1)海洋数据类型及其对应可视化方法分析
　　分析研究海洋数据特征，根据特征对海洋数据分类，并从数据的物理属性特征出发将可视化数据分成标量场数据和矢量场数据两大类，分别探析各类型海洋数据的一般可视化方法。重点分析海洋标量场数据的三维可视化方法，给出卫星云图三维可视化的实现;并分析体绘制可视化原理，为针对标量场特征的体绘制可视化算法改进奠定基础。
　　(2)面向海洋标量场特征的三维可视化算法改进
　　分析研究现有海洋标量场数据特征，针对海洋数据特征改进了光线投射体绘制算法。现有三维海洋数据多为深度轴向上非均匀的多剖面组成的体数据，如何组织使数据与其所在实际地理深度相对应，是非均匀多剖面组成的海洋场体数据绘制时面临的问题，且对于数据的非均匀剖面间隔的特征，在光线投射算法中采用固定采样步长会导致在高分辨率数据区域不能充分采样，在低分辨率区域重复无效采样从而降低绘制效率。改进算法用三维纹理对体数据进行组织，基于GPU绘制方法，绘制时通过采样点在数据外包围盒内的纹理坐标反算其在体纹理内的纹理坐标，再对三维体纹理采样，使数据与地理空间关系对应;再根据当前采样点所在体数据区域的剖面间隔计算采样步长，实现光线投射算法的自适应步长采样，减少绘制计算量。
　　(3)面向海洋标量场特征表达的体绘制传输函数设计
　　由于不同的特征具有不同的数据表现，为了使体绘制技术在海洋特征表达中真正发挥作用，必须结合不同的海洋特征研究和设计面向海洋特征体绘制的传输函数。基于海洋标量场三维可视化系统的三维可视化参数交互设置功能，合理设置体绘制传输函数，调节控制不同数据值的颜色参数，使标量场特征得以表达。
　　(4)海洋标量场三维可视化系统设计与实现
　　基于现有海洋数据可视化平台i4Ocean系统框架，设计并实现了针对海洋标量场的三维可视化系统。系统基于针对海洋三维标量场数据特征的体绘制改进算法，在三维空间中对海洋要素及其特征分布进行可视化，更直观高效地对海洋现象进行表达，实现海洋三维标量场数据实时渲染、可视化参数的交互设置、多剖面的鼠标交互选择及渲染、可视化效果与地形数据融合显示等功能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 海洋数据表达

1．2．2 体绘制技术

1．3 本文主要研究方法与研究目标

1．4 论文组织结构

2 海洋数据可视化

2．1 海洋数据类型

2．2 矢量场数据可视化方法

2．3 标量场数据可视化方法

2．3．1 二维平面可视化

2．3．3 空间三维面绘制可视化

2．3．4 体绘制可视化

3 面向海洋矢量场特征的光线投射算法

3．1 光线投射体绘制基本原理

3．2 海洋标量场数据特征

3．3 海洋数据组织

3．4 数据地理坐标对应

3．5 基于GPU片段程序的自适应步长采样

3．6 实验结果与分析

4 传输函数与数据特征表达

4．1 暖池

4．2 等值面

5 海洋标量场三维可视化系统设计与实现

5．1 i4Ocean原型系统基本框架结构

5．2 系统功能点设计及其实现

5．2．1 基于GPU光线投射改进算法的海洋数据实时渲染

5．2．2 传输函数交互设计

5．2．3 多剖面视图绘制

5．2．4 地理信息叠加

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历

发表论文与研究成果

参加项目情况