基于数字地球的椭球体绘制协同优化方法

1.本发明涉及可视化技术领域，具体涉及一种基于数字地球的椭球体绘制协同优化方法。


背景技术：

2.数字地球越来越普及，已有各种三维实现版本，例如，google earth，nasa world wind，esri globe，agi cesium等。针对自然环境要素：气象、电磁等，基于数字地球进行数据可视化，目前在实际应用中需求非常迫切。在各种可视化算法中，光线投射体绘制是其中一种比较著名的可视化方法，在医学、气象、航空、电磁、测绘等领域应用，它是一种基于三维数据标量场的可显示其内外部信息的重要方法。但是，目前数字地球上的体绘制一般涉及较小范围，多数采用棱台包围盒或球等作为代理几何体，但是针对数字地球的体绘制，还存在如下问题需要解决：全球范围体绘制中地球被包含在内部，在地球内部的光线采样点是无意义的；地球背面的显示数据也需要剔除的；目前全球范围体绘制整体渲染性能较差，还无法达到流畅显示。因此，研究面向数字地球的体绘制优化技术，提升显示性能，实现数字地球全覆盖体绘制显示，具有重要的意义。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种基于数字地球的椭球体绘制协同优化方法，能够实现覆盖数字地球的高效全球体绘制渲染，帧率平均30fps或以上，具有电影流畅级水平(24fps)。
4.本发明的基于数字地球的椭球体绘制协同优化方法，包括：
5.步骤1，构建代理椭球面；所述代理椭球面为与数字地球椭球面相似的扩大椭球面；
6.步骤2，构建数据椭球壳立体网格；所述数据椭球壳立体网格即将待显示的三维离散数据采用经纬高坐标系进行数据重建获得；
7.步骤3，采用光线投射算法进行绘制，具体包括：
8.步骤s1，若光线与代理椭球面没有交点或只有一个交点，则跳过该光线，执行步骤s4；
9.若光线与代理椭球面有2个交点，则执行步骤s2；
10.步骤s2，判断该光线是否与数字地球椭球面相交，若没有交点或只有一个交点，则光线与代理椭球面的2个交点作为光线采样的起始点和终止点，执行步骤s3；
11.若光线与数字地球椭球面有两个交点，则光线与代理椭球面的第一个交点作为光线采样的起始点，光线与数字地球椭球面的第一个交点作为光线采样的终止点，执行步骤s3；
12.步骤s3，以设定的步长沿光线进行采样，若采样点位于数据椭球壳立体网格外，则采样点的数据设为0；若采样点位于数据椭球壳立体网格内，则对采样点进行三线性插值，
获得该采样点的数据，通过传递函数，转换为该采样点的颜色值和透明度，累加该光线上各点的颜色值及透明度，进而获得该光线所对应的屏幕像素点的颜色值和透明度；
13.其中，所述三线性插值的方式为：
14.首先将数据椭球壳立体网格的格点数据按经纬高三个方向排列，构建出一个基于格点数据的长方体，所述长方体即为数据椭球壳立体网格的三维纹理长方体；然后基于gpu的纹理查询功能，对采样点所对应的三维纹理长方体的对应点在该长方体内进行三维纹理查询，通过该点周围八个邻近数据的三线性插值，获得该点的数据；该点的数据即为采样点的三线性插值数值；
15.步骤s4，提取下一条光线执行步骤s1，直到所有光线均采样完毕。
16.进一步的，所述数据椭球壳立体网格地理范围为局部的或全球的。
17.进一步的，对代理椭球面进行三角网格化，并删去地球背面三角面片。
18.进一步的，采用光线投射算法进行绘制的具体方式如下：
19.以屏幕上的每一个像素点为起点，沿着视线的方向发出一条光线；沿光线进行采样；通过传递函数，将采样点的数值转换为颜色值和不透明度；将该光线上的这些采样点颜色与透明度进行累加，获得该光线所对应的屏幕像素点的颜色值与透明度。
20.进一步的，顺着光线的方向按照从前向后或从后向前的顺序将这些采样点合成。
21.有益效果：
22.本发明通过构建代理椭球面几何体、数据椭球壳立体网格和数字地球椭球体，通过跳过光线采样点或提早终止光线采样，极大减少了光线采样中实际需要处理的采样点数量，从而极大减少后续的三线性插值等复杂计算；同时，将弧状的数据椭球壳立体网格转换为三维纹理长方体，利用gpu的高效纹理查询功能间接实现采样点的三线性插值，优化了椭球三线性插值计算，从而整体上提升了面向数字地球的体绘制渲染性能。
23.本发明构建代理椭球面、椭球的数据立体网格，突破了传统的长方体、球等形状的代理几何体的思路，更拟合实际的地球形状，能够支持全球范围的绘制，而当前现有的球体绘制仅支持球上的局部范围，支持全球范围的研究很少，目前为止，还未见有面向椭球体的研究，本发明的数据椭球壳立体网格支持更广泛的椭球(包含球体)，也支持全球地理范围。
24.本发明将弯曲的数据立体网格变换为规整的长方体三维纹理，然后在长方体上基于gpu纹理查询功能，快速实现了采样点在弯曲体上的三线性插值，有效解决了弯曲的数据立体网格内采样点的三线性插值难题。
25.本发明还考虑了地球对于光线的遮挡问题，当数据椭球壳立体网格的地理范围覆盖全球时，地球背面的待显示数据大部分可被优化过滤掉，从而可实现高效的全球地理范围的体绘制渲染。
26.本发明实现了覆盖数字地球的高效全球体绘制渲染，帧率平均30fps或以上，具有电影流畅级水平(24fps)。
附图说明
27.图1为光线投射体绘制算法原理图。
28.图2为数据椭球壳立体网格示意图。
29.图3为数据椭球壳立体网格包围盒示意图。
30.图4为数据椭球壳立体网格与数据椭球壳立体网格三维纹理的逻辑映射图。
31.图5为代理椭球面几何体示意图。
32.图6为光线与各椭球面(数据椭球壳立体网格包围盒可分解出内外两个椭球面)的相交情况剖面示意图。
33.图7为面向数字地球的椭球体绘制光线采样优化流程图。
具体实施方式
34.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
35.本发明提供了一种基于数字地球的椭球体绘制协同优化方法，具体包括：
36.(1)光线投射体绘制算法基本原理
37.如图1所示，光线投射(ray-casting)算法是一种面向图像的直接体绘制算法：以屏幕上的每一个像素点为起点，沿着视线的方向发出一条射线；沿光线穿过体数据包围盒的路径上进行离散化的数据的插值采样，通过传递函数，将三线性插值求得的各采样点的数值转换为颜色值和不透明度；顺着光线的方向按照从前向后或从后向前的顺序将这些采样点(右侧立方体上的点)合成，计算出该光线所对应的屏幕像素点(左侧屏幕的点)的颜色值与透明度。从采样过程中可看出，光线采样点的数量较多，三线性插值计算量较大(每个三线性插值包含七次线性插值)，这是体绘制中需要重点优化的环节，是提升性能的关键。
38.(2)数据椭球壳立体网格及包围盒三维重建
39.数字地球多数采用wgs-84坐标系，其基础参考是一个椭球曲面。因为地球采用椭球描述，所以，本发明将待显示的三维离散数据场也采用经纬高进行数据重建。在三维空间中，本发明重新构建一个沿经纬高三个方向的立体网格，各格点的数据通过对原始的三维数据场进行三线性插值计算得到，各格点的位置采用椭球经纬高lbh描述，经度在范围[-π,π]之内，纬度在范围[-π/2,π/2]之内，这个网格包含了原始显示数据。称这个新的数据网格为数据椭球壳立体网格，如图2所示，这是一个在三维空间内弯曲的三维离散网格，其弯曲拟合地球，对应的地理范围既可以是局部的，也可以是全球的。另外，数据椭球壳立体网格包围盒由外轮廓网格构成，该包围盒给出了数据的经纬高三个方向的地理范围，参见对应的图3，该数据椭球壳立体网格包围盒在光线采样过程中可加速无效数据的剔除，是提升光线采样效率的关键。
[0040]
(3)数据椭球壳立体网格三维纹理及椭球三线性插值
[0041]
本发明将数据椭球壳立体网格的格点数据按经纬高三个方向排列，构建出一个基于格点数据的长方体，其长宽高为经纬高三个方向的网格点数，该长方体作为光线投射体绘制中的三维纹理，称之为数据椭球壳立体网格三维纹理。在光线采样过程中，采样点所在位置处的数据是对数据椭球壳立体网格进行三线性插值计算得到的，因为一般采样点较多，而且三线性插值计算量较大，对体绘制性能影响巨大。gpu提供了纹理查询功能，该功能基于gpu硬件，实现了对给定的位置点处(经纬高lbh描述)的数据(或通过纹理查询经纬高得到的值)的高效三线性插值(或三维纹理查询)。因为本发明的数据椭球壳立体网格是按照椭球经纬高组织成三维纹理，并且基于椭球经纬高信息进行三维纹理查询，实现对给定位置(椭球经纬高描述)处数据的三线性插值计算，从几何上来看，对应地完成了对数据椭球壳立体网格沿经纬高的三线性插值(其中要计算七次插值，计算量较大)，因此，本发明将
这种三线性插值称之为椭球三线性插值，这是面向数字地球的体绘制高效渲染的关键。
[0042]
数据椭球壳立体网格及数据椭球壳立体网格三维纹理之间的逻辑映射示意如图4所示。右侧是本发明按照经纬高次序将左侧的数据椭球壳立体网格格点中的数据组织成的三维纹理长方体。本发明在三维纹理中查询纹理坐标(l
t
，b
t
，h
t
)处(右侧方块)的值，即在三维纹理中基于该位置附近的八个点(右侧小球)，进行纹理查询(纹理空间中直角坐标系下的三线性插值)，该纹理值对应的数据椭球壳立体网格包围盒中三维空间坐标(l，b，h)处(左侧方块)的显示数值(可通过变换计算出)，也就是基于该位置附近的八个点(左侧小球)的椭球三线性插值计算出的数值。这样，本发明就通过基于gpu硬件加速的简洁的、直方体的三维纹理查询，完成了复杂的、空间弯曲的数据椭球壳立体网格包围盒中的椭球三线性插值，使计算复杂度得到极大减少。数据椭球壳立体网格三维纹理的构建与查询，及数据椭球壳立体网格包围盒的椭球三线性插值的逻辑映射处理，是本发明的一个核心关键技术。这也表明：数据椭球壳立体网格可作为面向数字地球的椭球体绘制的数据统一描述模型。
[0043]
(4)代理椭球面几何体三维构建
[0044]
代理几何体主要是实现体绘制绘制的几何载体，附加包含顶点着色器、片元着色器，在着色器中完成沿光线采样的椭球三线性插值及数据到颜色的传递函数变换处理，这两个关键的处理，通过gpu纹理查询接口高效实施，关联的纹理：数据椭球壳立体网格三维纹理，及传递函数映射颜色表颜色纹理。因为显示数据的地理范围可能超过半球，所以，本发明采用与地球参考椭球相似(椭球的三个短半轴a,b,c对应成比例)的扩大的椭球作为代理椭球几何体，并进行三角网格化，如图5所示，为提升显示性能，可对地球背面三角面片采用背面剔除策略优化。同时，该代理椭球面几何体在光线采样过程中可确定光线采样的开始点及结束点，通过优化采样范围，可加快采样过程，对性能优化将起到关键作用。
[0045]
(5)光线采样过程的协同优化处理流程
[0046]
光线采样是体绘制中耗时最长的环节，因此，本发明以上面已研究的几项技术为基础，综合优化该部分，参考图6及图7所示。本发明用代理椭球面几何体将光线进行预先过滤，如果该光线与之没有交点或只有一个交点，则直接跳过，不处理，参见射线l。如果有两个交点，则这两个采样点(三角形标识)，第一个是采样开始点，第二个为采样结束点，通过这两个点，本发明控制采样的范围，这是关键步骤。本发明则继续判断该光线是否与数字地球椭球面相交，如果没有交点，参见射线m，则沿m1开始采样，m4为采样结束点，此时，再用数据椭球壳立体网格包围盒(显示数据经纬高范围)进一步过滤采样点，只有在该数据椭球网格包围盒内的，比如，在m2及m3之间的采样点，才进行实际计算(m1及m2之间的采样点或m3之后的采样点跳过，不进行实际计算)，针对各个采样点，获取其位置(经纬高)，使用基于gpu的纹理查询(或椭球三线性插值)，从数据椭球壳立体网格纹理(或数据椭球壳立体网格)中，高效插值计算出纹理值，并通过变换，转换成该采样点的三维空间中的数据，通过传递函数，将该数据转换为颜色及透明度值。如果与地球椭球面只有一个交点(方块表示)，参见射线n，则沿n1开始采样，n6为采样结束点，此时，再用数据椭球壳立体网格包围盒进一步过滤采样点，只有在该数据椭球网格包围盒内的，比如，在n2及n3之间，及n4及n5之间的采样点，才进行实际计算(n1及n2之间或n3及n4之间或n5之后的采样点跳过，不进行实际计算)，否则忽略。如果与地球椭球面有两个交点(方块表示)，参见射线p，则沿p1开始采样，p8为采样结束点，此时，可用数据椭球壳立体网格包围盒进一步过滤采样点，只有在该数据椭球网格
包围盒内的，比如，在p2及p3之间的采样点，才进行实际计算(p1及p2之间的或p3之后的采样点跳过，不进行实际计算)，否则忽略，此时，在地球背面的采样点虽然也在数据椭球壳立体网格包围盒内，但是受地球的遮挡，实际上是不可见的，因此，p3之后的采样点不再考虑(本发明称为提早终止)，本发明仅处理p2及p3之间的采样点即可，极大减少了采样点数量，同时，剔除了地球背后数据的干扰，也保证了体绘制的正确性。通过上述综合优化，采样点跳过策略及采样点提早终止策略，可极大地减少光线采样中实际需要处理的采样点数量，从而极大减少后续的三线性插值等复杂计算。当数据椭球壳立体网格的地理范围覆盖全球时，地球背面的待显示数据大部分已被优化过滤掉，从而可实现高效的全球地理范围的体绘制渲染。
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在整个优化过程中，本发明可看到代理椭球面几何体、数据椭球壳立体网格及包围盒、数字地球(内含参考椭球)、基于gpu的椭球三线性插值或数据椭球壳立体网格三维纹理查询等相互配合，协同优化，高效完成椭球体绘制渲染。
[0048]
本发明提出代理椭球球面几何体的构建方法，突破了传统的长方体、球等形状的代理几何体的思路；同时，提出了数据椭球壳立体网格及包围盒，给出了从局部地理区域到全球地理范围体绘制的数据椭球壳立体网格统一描述的解决方案，及通过数据椭球壳立体网格包围盒对显示数据进行优化过滤的技术；提出了数据椭球壳立体网格三维纹理及椭球三线性插值(或椭球壳立体网格三维纹理查询)，给出了利用gpu硬件进行三维纹理高效计算椭球壳立体网格中(l，b，h)处数据(中间需要将纹理值转换为数据值)的椭球三线性插值的实现方案。本发明实现了覆盖数字地球的高效全球体绘制渲染，帧率平均30fps或以上，具有电影流畅级水平(24fps)。
[0049]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。