水污染环境三维快速显示方法和系统的制作方法
【技术领域】
[00011本发明涉及传感器感知信息以及三维可视化技术领域，特别涉及一种水污染环境 三维场景快速绘制方法和系统。
【背景技术】
[0002] 在对水环境的污染研究过程中，研究人员通常会对水环境进行实地采样观测。在 采样的过程中，已经污染的水环境可能会对研究人员的健康构成危害，同时，从现场采样到 实验室分析周期较长，实验室得出的结果并不能代表实时的水质情况。因此，使用传感器监 测水质，并将监测数据传回控制中心，有利于专家对水环境的实时研究。但是，使用传感器 监测水质会产生大量数据，需要有方法能够处理这些数据。单纯的从数据研究水质等级并 不直观，将水环境绘制成三维图形可以直观的观察水质情况。目前在已有的水环境三维可 视化方法中，大多采用3Dmax建模并导入三维场景中。由于3D模型通常包含大量的三角片 面，尤其是水环境，水面物理原型复杂，在读取3D模型过程以及渲染过程中速度较慢，而且， 此类方法中水环境场景多为单一场景，无法根据传感器具体信息显示相应的水质图形。因 此，研究水污染环境三维快速显示方法和系统，对水污染环境研究具有实际意义，在水污染 环境三维显示方面具有实际价值。
[0003] 对于传感器感知信息处理而言，为了能够处理不同量纲的数据，得出水质等级判 断结果，进而选择对应的水质图形，基于案例推理的图形选择是行之有效的方法。
[0004] 三维场景绘制过程中，为了达到快速显示和提升绘制速度，视域剔除能够有效提 升渲染效率。视域剔除主要是用于剔除位于视域体外的物体。在应用程序阶段使用视域剔 除技术主要是为了减少送入图形绘制管线的数据复杂度，这意味着几何阶段和光栅阶段都 可以从中受益。为加速判断计算，往往将场景组织成层次状结构，将物体的包围盒与视域进 行空间求交计算，以快速剔除完全在视域外的物体;而对于其包围盒与视域边界相交的物 体，则以逐步求精方式进行进一步的考察。然而目前的视域剔除没有针对水环境三维场景 中的节点，也没有在水环境三维场景中利用BSP树结构进行优化。
[0005] 由于水环境三维图形绘制的特殊性，目前没有一种公开的快速绘制方法专门针对 水污染环境三维图形，利用BSP树结构，综合运用视域剔除、基于案例推理的选择等技术进 行快速显示，以满足快速显示水环境三维图形的需求。因此，需要一种水污染环境快速显示 方法及系统。而本发明能够很好地解决上面的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于解决了上述现有技术的不足，提供了一种水污染环境三维快速显 示方法和系统，该系统划分三维场景结构，构建水域、空域的场景节点、对象节点，根据五类 国家标准生成水质图形，构建水质图形节点，利用场景节点、对象节点以及水质图形节点构 建基于BSP结构的场景树，场景树结构清晰，构建速度快；以对象节点为组织单元，在整个植 染过程中，保持场景树整体结构不变，利于对象查找。
[0007] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:本发明提供了一种水环境污染三维 快速显示方法，该方法包括预处理步骤:将水域分块，根据划分的场景结构构建BSP场景树； 对于每个传感器所在的水域，根据国家五类水质标准构建案例库;将传感器感知到的信息 存放在数据库中。渲染步骤:使用视域剔除技术;根据基于案例推理选择方法来确定水质等 级，显示对应的水质图形;通过点选对象来显示该片水域水质信息，具体来说，预处理步骤 包括以下步骤：
[0008] 步骤1:将水域分块，每块水域都由相应的传感器负责感知水域信息，并定时传回 信息，将传感器感知到的信息保存到数据库中；
[0009] 步骤2:以水域对象节点为组织单位，构建BSP场景树；
[0010] 步骤3:根据国家五类水质标准，构建案例库。
[0011] 渲染步骤包括以下步骤：
[0012] 步骤4:根据传感器感知信息，计算与案例库中案例相似程度，判断水质等级，查找 对应案例中水质图形的标识号；
[0013] 步骤5:基于所述BSP树与包围盒进行视域剔除；
[0014] 步骤6:根据得到的水质图形标识号，选择对应的水质图形，显示水质图形；
[0015]步骤7:水污染环境三维快速显示系统提供三维漫游与水质信息查询功能。
[0016] 进一步的，本发明所述步骤1中根据传感器将水域分块，每块水域都由对应的传感 器感知信息，并且每经过固定时间间隔，将感知信息传回，并保存在数据库中。
[0017] 进一步的，本发明所述步骤2中构建BSP树包括以下步骤：
[0018]步骤2-1:将水环境三维场景分为水域和空域，利用场景节点组织水域和空域，将 水域场景节点和空域场景节点连接在BSP场景树的根节点上，场景节点记录一个AABB包围 盒(Axis-Aligned Bounding Box,轴对齐包围盒），其值是其子节点包围盒的并集，执行步 骤 2-2;
[0019] 步骤2-2:将当前水域一分为二，每块水域用场景节点组织，并将新生成的两个节 点连接在上一层的场景节点；划分水域时，同时当前空域一分为二，每块空域用场景节点组 织并将新生成的两个节点连接在上一层的场景节点。若当前水域传感器数量不为1，继续执 行步骤2-2;否则停止划分水域、空域，执行步骤2-3;
[0020] 步骤2-3:当前水域中的传感器数量为1，对应该水域和空域的场景节点已为BSP场 景树的底层节点，构建当前水域对象节点和空域对象节点，并连接在其对应场景节点上。水 域对象节点记录一个AABB包围盒，并包含负责感知该水域信息的传感器标识号。根据国家 五类水质标准，生成对应的五种水质图形，并构建水质图形节点，连接在水域对象节点上。 每个水域对象节点包含五种水质图形节点，每个图形节点包含0ΒΒ包围盒（Oriented Bounding Box，有向包围盒），并记录该水质图形标识号；
[0021]进一步的，本发明所述步骤3中根据国家规定的标准，水质等级分为五类，根据五 类等级构建案例。每个传感器构建一个案例库，每个案例库中包含五组案例。其中，案例表 示〇15={11^1及爲}，其中0 1{表示案例库中第1^条案例仏=1，~5)的标识号；51表示该案例 所对应传感器标识号；Ik为当前案例标识号，在系统中唯一确定该案例；Fk =(fh k，f2,k~ fq,k)为水环境的特征描述，q为特征数，fi,k为溶解氧、f2,k为总氮、f3,k为总磷、f4,k为总 氨......;Wk表不这个案例水质图形标识号。
[0022] 进一步的，本发明所述步骤4中基于案例推理的图形选择方法，判断水质等级，选 择相应的水质图形标识号，具体包括以下步骤：
[0023] 步骤4-1:计算每一条水域案例Ck与Fj的相似度 其中ε i为加权系数，满足t = 1 :; ?=1
[0024] 步骤4_2:若(^=11^(5;[111(1'」，010)，则记录水质图形^;
[0025] 步骤4-3:在对象节点的子节点中查找Wk所对应的水质图形，记录该水质图形标识 号。
[0026] 进一步的，本发明所述步骤5中，利用BSP结构场景树，完成视域剔除，达到提升渲 染效率的目的，具体包括以下步骤：
[0027] 步骤5-1:遍历BSP场景树，将场景树中的场景节点AABB包围盒与当前视域进行求 交运算，若相交，则继续遍历该节点的子节点；若该子节点为场景节点，继续执行步骤5 -1; 若子节点为对象节点，执行步骤5-2;若场景节点AABB包围盒不与当前视域相交，则说明其 子节点都不在视域中，终止遍历；
[002