一种基于gpu的城市雾霾天气的可视化绘制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于GPU的城市雾霾天气的可视化绘制方法，该绘制方法的步骤为：S1、数据归一化处理；S2、基于数据直方图的体数据处理；S3、体数据值的梯度计算；S4、对体数据进行可视化渲染；S5、基于GPU的算法实现。利用三维体可视化技术来表达城市雾霾天气，将人们通过监测获得的离散的、静态的信息用直观的图形、图像形式表现，并与城市地形和城市建筑物数据相结合，从而反应其存在状态及运动规律，更为科学地指导人们认识和防治城市雾霾现象。
【专利说明】—种基于GPU的城市雾霾天气的可视化绘制方法【技术领域】
[0001]本发明涉及大气环境保护【技术领域】，尤其是涉及一种基于GPU的城市雾霾天气的可视化绘制方法。
【背景技术】
[0002]随着我国空气污染问题的日益加重以及人们环保意识的提高，空气质量指数已经成为城市居民日常生活关注的焦点问题之一。决定空气质量指数一个最为重要的参数就是PM2.5，它是形成城市雾霾天气的“元凶”。PM2.5又称细颗粒物，它是环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，对空气质量和能见度有着重要的影响，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。
[0003]当前，全国的主要大中城市都进行了 PM2.5动态监测，实时对广大城市居民进行数值播报，播报的内容只是简单的数值和结论，如“ 125，轻度污染”，而对雾霾产生的环境污染、空气能见度影响等后果没有更为直观形象的认识，从而制约了研究人员对城市雾霾现象的深入研究和普通用户对这种现象的理解。
[0004]随着探测技术和观测水平的提高，由测量、计算或实验得到的空气环境数据越来越多，其在空间的分布上构成了一个三维或高维的数据场。这些数据场中包含了庞大的复杂信息，不易被理解与分析。为了能把数据场中的不可见物理量转变为可见形式，以图像的形式展现出来，直观地表现出数据场中蕴含的丰富内涵和潜在规律，我们需要利用可视化技术来仿真和模拟其在空间的分布与运动。如果将PM2.5在城市空间中的分布状况和城市地形与城市三维建筑模型相结合进行一体化的可视化表达，将对城市管理者和科研人员认识理解雾霾现象的产生、分布、发展规律提供有力的帮助，从而对雾霾天气的科学防治起到积极的作用。
[0005]因为PM2.5细颗粒物是分布在三维空间中的，其本身是一个三维体数据，所以体数据可视化技术是表达它的最为合适的手段。
【发明内容】
[0006]本发明提供种基于GPU的城市雾霾天气的可视化绘制方法，它解决了对城市雾霾天气的播报仅仅限于文字和数值，还没有一种形象直观的图形图像表现手段。
[0007]本发明解决上述问题所采用的技术手段为:一种基于GPU的城市雾霾天气的可视化绘制方法，该绘制方法的步骤为:
[0008]S1、数据归一化处理:对环境要素无效数据进行剔除，然后使用自适应归一化方法将环境要素数据规划到O~255之间；
[0009]S2、基于数据直方图的体数据处理:通过对原始数据进行直方图计算，分析数据取值范围和分布情况，以确定数据中哪些范围的值更为重要，然后根据对不同显示效果的需求，使用直方图均衡化、规范化；
[0010]S3、体数据值的梯度计算:使用线性分离的方法计算梯度，该方法用优化的分段多项式插值来保证计算的准确性和连续性；
[0011]S4、对体数据进行可视化渲染:使用转换函数(Transfer Function) T(f)将体数据的任一体素值f(i，j，k)转化为光学性质即颜色值(R，G，B)和透明度值α ；
[0012]S5、基于GPU的算法实现:将光线投射算法中计算最大的光线求交计算、采样点插值计算和采样值合成等工作交给GPU来实现。
[0013]所述的步骤S5中基于GPU的算法实现步骤如下:
[0014]D1、数据转换:读入体数据并通过二维转换函数将体素值转换成可载入GPU的三维纹理；
[0015]D2、在CG顶点程序中将采样点在视点坐标系中的坐标Pv转换为体数据所在的世界空间坐标系Pw ；
[0016]D3、在CG片段程序中实现光线对体数据的遍历、采样和插值计算。
[0017]所述的步骤D3的计算方法为:首先求取光线在体数据上的离开点，沿光线方向从进入点到离开点按照设定的采样率进行体数据点的插值计算；插值计算使用基于三线性滤波的三维纹理查找算法在已载入GPU的三维纹理中进行计算；最后沿光线混合所有采样点的颜色值和透明度作为最终像素点输出。
[0018]本发明的有益效果是:利用三维体可视化技术来表达城市雾霾天气，将人们通过监测获得的离散的、静态的信息用直观的图形、图像形式表现，并与城市地形和城市建筑物数据相结合，从而反应其存在状态及运动规律，更为科学地指导人们认识和防治城市雾霾现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本梯形函数示意图；
[0020]图2是地球辐射带质子密度直方图；
[0021]图3是光线投射算法原理图；
[0022]图4是GPU中的高效重采样的示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0024]1、环境要素体数据的预处理与转换
[0025]1.1体数据预处理
[0026]为了对ΡΜ2.5数据进行体渲染，应该针对数据进行一定的预处理，以方便将其作为纹理数据载入到图形内存进行体绘制。
[0027](I)数据归一化处理
[0028]空气质量探测数据的数值在量级上相差较大，分布不均匀，有的地方可能存在无效数据。这些原始数据在预处理前不能直接用于显示。所以首先对环境要素无效数据进行剔除，然后使用自适应归一化方法将环境要素数据规划到O?255之间，以便下一步生成纹理数据。
[0029](2)基于数据直方图的体数据处理
[0030]经过自适应归一化方法将环境要素数据规划到O?255之间，这时体数据就可看作一个三维纹理或三维图像。由于对图像直方图进行相应处理，具有图像增强等作用，因而通过对原始数据进行直方图计算，分析数据取值范围和分布情况，以确定数据中哪些范围的值更为重要，然后根据对不同显示效果的需求，可使用直方图均衡化、规定化等操作，对三维体纹理进一步处理，以得到特征更为突出的体绘制效果。
[0031](3)体数据值的梯度计算
[0032]由于在进行光照计算时需要用到体数据的梯度信息。梯度计算公式如下:
【权利要求】
1.一种基于GPU的城市雾霾天气的可视化绘制方法，其特征在于，该绘制方法的步骤为: 51、数据归一化处理:对环境要素无效数据进行剔除，然后使用自适应归一化方法将环境要素数据规划到O?255之间； 52、基于数据直方图的体数据处理:通过对原始数据进行直方图计算，分析数据取值范围和分布情况，以确定数据中哪些范围的值更为重要，然后根据对不同显示效果的需求，使用直方图均衡化、规范化； 53、体数据值的梯度计算:使用线性分离的方法计算梯度，该方法用优化的分段多项式插值来保证计算的准确性和连续性； 54、对体数据进行可视化渲染:使用转换函数(TransferFunction) T(f)将体数据的任一体素值f(i，j，k)转化为光学性质即颜色值(R，G，B)和透明度值α ； 55、基于GPU的算法实现:将光线投射算法中计算最大的光线求交计算、采样点插值计算和采样值合成等工作交给GPU来实现。
2.根据权利要求1所述的基于GPU的城市雾霾天气的可视化绘制方法，其特征在于，所述的步骤S5中基于GPU的算法实现步骤如下: D1、数据转换:读入体数据并通过二维转换函数将体素值转换成可载入GPU的三维纹理； D2、在CG顶点程序中将采样点在视点坐标系中的坐标Pv转换为体数据所在的世界空间坐标系Pw ； D3、在CG片段程序中实现光线对体数据的遍历、采样和插值计算。
3.根据权利要求2所述的基于GPU的城市雾霾天气的可视化绘制方法，其特征在于，所述的步骤D3的计算方法为:首先求取光线在体数据上的离开点，沿光线方向从进入点到离开点按照设定的采样率进行体数据点的插值计算；插值计算使用基于三线性滤波的三维纹理查找算法在已载入GPU的三维纹理中进行计算；最后沿光线混合所有采样点的颜色值和透明度作为最终像素点输出。
【文档编号】G06T17/00GK104008567SQ201410085867
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】朱彩英, 徐昕东, 周杨, 刘辉, 李鹏飞 申请人:昆山数字城市信息技术有限公司