一種基于gpu的城市霧霾天氣的可視化繪制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于GPU的城市霧霾天氣的可視化繪制方法，該繪制方法的步驟為：S1、數(shù)據(jù)歸一化處理；S2、基于數(shù)據(jù)直方圖的體數(shù)據(jù)處理；S3、體數(shù)據(jù)值的梯度計算；S4、對體數(shù)據(jù)進行可視化渲染；S5、基于GPU的算法實現(xiàn)。利用三維體可視化技術(shù)來表達城市霧霾天氣，將人們通過監(jiān)測獲得的離散的、靜態(tài)的信息用直觀的圖形、圖像形式表現(xiàn)，并與城市地形和城市建筑物數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而反應(yīng)其存在狀態(tài)及運動規(guī)律，更為科學(xué)地指導(dǎo)人們認(rèn)識和防治城市霧霾現(xiàn)象。
【專利說明】—種基于GPU的城市霧霾天氣的可視化繪制方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣環(huán)境保護【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種基于GPU的城市霧霾天氣的可視化繪制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國空氣污染問題的日益加重以及人們環(huán)保意識的提高，空氣質(zhì)量指數(shù)已經(jīng)成為城市居民日常生活關(guān)注的焦點問題之一。決定空氣質(zhì)量指數(shù)一個最為重要的參數(shù)就是PM2.5，它是形成城市霧霾天氣的“元兇”。PM2.5又稱細顆粒物，它是環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5微米的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，對空氣質(zhì)量和能見度有著重要的影響，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。
[0003]當(dāng)前，全國的主要大中城市都進行了 PM2.5動態(tài)監(jiān)測，實時對廣大城市居民進行數(shù)值播報，播報的內(nèi)容只是簡單的數(shù)值和結(jié)論，如“ 125，輕度污染”，而對霧霾產(chǎn)生的環(huán)境污染、空氣能見度影響等后果沒有更為直觀形象的認(rèn)識，從而制約了研究人員對城市霧霾現(xiàn)象的深入研究和普通用戶對這種現(xiàn)象的理解。
[0004]隨著探測技術(shù)和觀測水平的提高，由測量、計算或?qū)嶒灥玫降目諝猸h(huán)境數(shù)據(jù)越來越多，其在空間的分布上構(gòu)成了一個三維或高維的數(shù)據(jù)場。這些數(shù)據(jù)場中包含了龐大的復(fù)雜信息，不易被理解與分析。為了能把數(shù)據(jù)場中的不可見物理量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢娦问剑詧D像的形式展現(xiàn)出來，直觀地表現(xiàn)出數(shù)據(jù)場中蘊含的豐富內(nèi)涵和潛在規(guī)律，我們需要利用可視化技術(shù)來仿真和模擬其在空間的分布與運動。如果將PM2.5在城市空間中的分布狀況和城市地形與城市三維建筑模型相結(jié)合進行一體化的可視化表達，將對城市管理者和科研人員認(rèn)識理解霧霾現(xiàn)象的產(chǎn)生、分布、發(fā)展規(guī)律提供有力的幫助，從而對霧霾天氣的科學(xué)防治起到積極的作用。
[0005]因為PM2.5細顆粒物是分布在三維空間中的，其本身是一個三維體數(shù)據(jù)，所以體數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是表達它的最為合適的手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供種基于GPU的城市霧霾天氣的可視化繪制方法，它解決了對城市霧霾天氣的播報僅僅限于文字和數(shù)值，還沒有一種形象直觀的圖形圖像表現(xiàn)手段。
[0007]本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)手段為:一種基于GPU的城市霧霾天氣的可視化繪制方法，該繪制方法的步驟為:
[0008]S1、數(shù)據(jù)歸一化處理:對環(huán)境要素?zé)o效數(shù)據(jù)進行剔除，然后使用自適應(yīng)歸一化方法將環(huán)境要素數(shù)據(jù)規(guī)劃到O~255之間；
[0009]S2、基于數(shù)據(jù)直方圖的體數(shù)據(jù)處理:通過對原始數(shù)據(jù)進行直方圖計算，分析數(shù)據(jù)取值范圍和分布情況，以確定數(shù)據(jù)中哪些范圍的值更為重要，然后根據(jù)對不同顯示效果的需求，使用直方圖均衡化、規(guī)范化；
[0010]S3、體數(shù)據(jù)值的梯度計算:使用線性分離的方法計算梯度，該方法用優(yōu)化的分段多項式插值來保證計算的準(zhǔn)確性和連續(xù)性；
[0011]S4、對體數(shù)據(jù)進行可視化渲染:使用轉(zhuǎn)換函數(shù)(Transfer Function) T(f)將體數(shù)據(jù)的任一體素值f(i，j，k)轉(zhuǎn)化為光學(xué)性質(zhì)即顏色值(R，G，B)和透明度值α ；
[0012]S5、基于GPU的算法實現(xiàn):將光線投射算法中計算最大的光線求交計算、采樣點插值計算和采樣值合成等工作交給GPU來實現(xiàn)。
[0013]所述的步驟S5中基于GPU的算法實現(xiàn)步驟如下:
[0014]D1、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換:讀入體數(shù)據(jù)并通過二維轉(zhuǎn)換函數(shù)將體素值轉(zhuǎn)換成可載入GPU的三維紋理；
[0015]D2、在CG頂點程序中將采樣點在視點坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Pv轉(zhuǎn)換為體數(shù)據(jù)所在的世界空間坐標(biāo)系Pw ；
[0016]D3、在CG片段程序中實現(xiàn)光線對體數(shù)據(jù)的遍歷、采樣和插值計算。
[0017]所述的步驟D3的計算方法為:首先求取光線在體數(shù)據(jù)上的離開點，沿光線方向從進入點到離開點按照設(shè)定的采樣率進行體數(shù)據(jù)點的插值計算；插值計算使用基于三線性濾波的三維紋理查找算法在已載入GPU的三維紋理中進行計算；最后沿光線混合所有采樣點的顏色值和透明度作為最終像素點輸出。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:利用三維體可視化技術(shù)來表達城市霧霾天氣，將人們通過監(jiān)測獲得的離散的、靜態(tài)的信息用直觀的圖形、圖像形式表現(xiàn)，并與城市地形和城市建筑物數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而反應(yīng)其存在狀態(tài)及運動規(guī)律，更為科學(xué)地指導(dǎo)人們認(rèn)識和防治城市霧霾現(xiàn)象。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本梯形函數(shù)示意圖；
[0020]圖2是地球輻射帶質(zhì)子密度直方圖；
[0021]圖3是光線投射算法原理圖；
[0022]圖4是GPU中的高效重采樣的示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細的描述。
[0024]1、環(huán)境要素體數(shù)據(jù)的預(yù)處理與轉(zhuǎn)換
[0025]1.1體數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0026]為了對ΡΜ2.5數(shù)據(jù)進行體渲染，應(yīng)該針對數(shù)據(jù)進行一定的預(yù)處理，以方便將其作為紋理數(shù)據(jù)載入到圖形內(nèi)存進行體繪制。
[0027](I)數(shù)據(jù)歸一化處理
[0028]空氣質(zhì)量探測數(shù)據(jù)的數(shù)值在量級上相差較大，分布不均勻，有的地方可能存在無效數(shù)據(jù)。這些原始數(shù)據(jù)在預(yù)處理前不能直接用于顯示。所以首先對環(huán)境要素?zé)o效數(shù)據(jù)進行剔除，然后使用自適應(yīng)歸一化方法將環(huán)境要素數(shù)據(jù)規(guī)劃到O?255之間，以便下一步生成紋理數(shù)據(jù)。
[0029](2)基于數(shù)據(jù)直方圖的體數(shù)據(jù)處理
[0030]經(jīng)過自適應(yīng)歸一化方法將環(huán)境要素數(shù)據(jù)規(guī)劃到O?255之間，這時體數(shù)據(jù)就可看作一個三維紋理或三維圖像。由于對圖像直方圖進行相應(yīng)處理，具有圖像增強等作用，因而通過對原始數(shù)據(jù)進行直方圖計算，分析數(shù)據(jù)取值范圍和分布情況，以確定數(shù)據(jù)中哪些范圍的值更為重要，然后根據(jù)對不同顯示效果的需求，可使用直方圖均衡化、規(guī)定化等操作，對三維體紋理進一步處理，以得到特征更為突出的體繪制效果。
[0031](3)體數(shù)據(jù)值的梯度計算
[0032]由于在進行光照計算時需要用到體數(shù)據(jù)的梯度信息。梯度計算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于GPU的城市霧霾天氣的可視化繪制方法，其特征在于，該繪制方法的步驟為: 51、數(shù)據(jù)歸一化處理:對環(huán)境要素?zé)o效數(shù)據(jù)進行剔除，然后使用自適應(yīng)歸一化方法將環(huán)境要素數(shù)據(jù)規(guī)劃到O?255之間； 52、基于數(shù)據(jù)直方圖的體數(shù)據(jù)處理:通過對原始數(shù)據(jù)進行直方圖計算，分析數(shù)據(jù)取值范圍和分布情況，以確定數(shù)據(jù)中哪些范圍的值更為重要，然后根據(jù)對不同顯示效果的需求，使用直方圖均衡化、規(guī)范化； 53、體數(shù)據(jù)值的梯度計算:使用線性分離的方法計算梯度，該方法用優(yōu)化的分段多項式插值來保證計算的準(zhǔn)確性和連續(xù)性； 54、對體數(shù)據(jù)進行可視化渲染:使用轉(zhuǎn)換函數(shù)(TransferFunction) T(f)將體數(shù)據(jù)的任一體素值f(i，j，k)轉(zhuǎn)化為光學(xué)性質(zhì)即顏色值(R，G，B)和透明度值α ； 55、基于GPU的算法實現(xiàn):將光線投射算法中計算最大的光線求交計算、采樣點插值計算和采樣值合成等工作交給GPU來實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GPU的城市霧霾天氣的可視化繪制方法，其特征在于，所述的步驟S5中基于GPU的算法實現(xiàn)步驟如下: D1、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換:讀入體數(shù)據(jù)并通過二維轉(zhuǎn)換函數(shù)將體素值轉(zhuǎn)換成可載入GPU的三維紋理； D2、在CG頂點程序中將采樣點在視點坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Pv轉(zhuǎn)換為體數(shù)據(jù)所在的世界空間坐標(biāo)系Pw ； D3、在CG片段程序中實現(xiàn)光線對體數(shù)據(jù)的遍歷、采樣和插值計算。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于GPU的城市霧霾天氣的可視化繪制方法，其特征在于，所述的步驟D3的計算方法為:首先求取光線在體數(shù)據(jù)上的離開點，沿光線方向從進入點到離開點按照設(shè)定的采樣率進行體數(shù)據(jù)點的插值計算；插值計算使用基于三線性濾波的三維紋理查找算法在已載入GPU的三維紋理中進行計算；最后沿光線混合所有采樣點的顏色值和透明度作為最終像素點輸出。
【文檔編號】G06T17/00GK104008567SQ201410085867
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】朱彩英, 徐昕東, 周楊, 劉輝, 李鵬飛 申請人:昆山數(shù)字城市信息技術(shù)有限公司