基于gpu的多时间帧高感知度二维流线组织算法

基于gpu的多时间帧高感知度二维流线组织算法
【专利摘要】本发明提出了一种基于GPU并行计算的多时间帧高感知度二维流线组织算法，将纹理作为主要的数据载体和中间过程辅助工具，来实现不同时间点的数据读入及流线生成，每相同时间间隔下，为显存调入两张相邻时间帧数据纹理供GPU使用，对这两帧数据纹理进行插值，以获得更加平滑的流线动画效果；整个几何流线的生成过程都在GPU中进行，能节省大量的时间成本；基于矢量点速率大小来控制流线密度，高速率区绘制稠密流线，低速率区绘制稀疏流线，也可让用户交互设置感兴趣速度区间，指定区间内绘制稠密流线，区间外绘制稀疏流线；对已生成的流线轨迹符号映射，以符号更加形象逼真的表达矢量场的流动情况，通过对符号的纹理坐标改变，实现符号动画的效果，在帧与帧过度时，通过对符号的变形操作，实现更加流畅的动画效果。
【专利说明】
基于GPU的多时间帧高感知度二维流线组织算法
技术领域
[0001] 本发明涉及GPU并行计算、海洋可视化、二维流线几何算法领域，具体为一种基于 GPU并行计算的多时间帧高感知度二维流线组织算法。
【背景技术】
[0002] 矢量场可视化是科学计算可视化中最具挑战的研究课题之一，它以直观的图形图 像显示矢量场的运动，透过抽象数据有效洞察矢量域内涵本质和变化规律，广泛应用于计 算机流体力学、航空动力学、大气物理和气象分析等领域。
[0003] 目前，矢量场可视化方式可以主要分为三种：一，基于网格点的直接可视化；二， 基于几何计算的可视化；三，基于纹理计算的可视化。基于网格点的直接可视化主要方式是 矢量箭头表示法，其优点是原理简单、计算简便，在CPU中可以快速呈现绘制效果，缺点是 矢量箭头是基于网格点的可视化表达，网格点以外的矢量场领域无法被可视化出来，其表 达的矢量场信息非常有限，只能大概体现矢量场的特征情况；基于几何计算的可视化方法， 主要有streamline，StreakLine，TimeLine等技术，其优点是能够非常精准的模拟矢量场 的轨迹位置，缺点是，目前成熟的几何计算可视化方法都是需要在CPU中进行大量的数据 预处理，对于小数据可视化来说，其时间耗散还勉强可以接受，但对于大数据而言，其时间 耗散是一个非常致命的问题，假设显存足够、计算机配置良好，处理一个GB级以上的数据， 其时耗必须以天做基数计算。同时，在正常情况下，显存也是一个必须要考虑的问题。基于 纹理计算的可视化方法，最常见的方法是LIC(Line Integral Convolution)方法，基于GPU 运算，可比CPU提高三倍以上的处理速度，传入一张白噪声纹理，通过流线积分卷积方式向 前向后积分，模拟矢量场轨迹，其优点是速度快、绘制的是高密度可视化图形，能够表达矢 量域的特征细节，缺点是，该绘制技术是基于像素的积分卷积方式，绘制出的流线轨迹并不 能像几何计算那样精准，是相对较粗略的流线绘制技术。而目前对矢量流线的动画技术大 概分为两种，其一，多时间帧替换方式，本方式在CPU中生成多时间帧的流线几何数据，再 随时间更换帧数据，以此达到动画的效果，本方法的优点在于，原理简单实现容易；缺点在 于，对内存、显存有一定的要求、帧替换过渡不一定流场，同时属于时耗性计算；其二，基于 粒子追踪的动画方式，本方式在GPU中实现，实时改变流线的纹理坐标位置，实现流线的流 动。其优点是动画流畅、美观，缺点是不适合不稳定场的表达。
[0004] 本专利提出的基于GPU的多时间帧高感知度二维流线组织算法，在GPU中通过几 何运算，实现流线的数据预处理，能在保证较小时耗的基础之上实现较为精确的流线绘制， 同时，以纹理为载体、实时传入2张相邻时间点的矢量场数据（而非白噪声），通过反距离插 值处理，将时间帧细化，能在极低的显存需求下对不稳定场实现流线动画效果；其次通过 笛卡尔网格控制原理，基于流场速率来控制流线密度，默认情况下使高速区能表达更多的 矢量场细节、低速区表达较少的矢量场细节，在处理大数据时，能节省更多的处理时间，同 时，增加交互窗口，使矢量场表达更加具有交互性能，能基于用户的喜好，对感兴趣区域显 示更多细节其他区域显示较少细节；最后，通过对流线预处理轨迹进行符号映射，用符号来 形象表达流向、流速，并通过变形效果来实现时间帧之间的流场过渡，能达到更加优秀的方 向性和视觉效果。

【发明内容】

[0005] 基于GPU并行计算的多时间帧高感知度二维流线组织算法，从以下几个方面实 现：
[0006] (1)多时间帧矢量数据预处理。创建多个纹理，每个纹理存储一个时间点的矢量数 据，通过纹理单元的R/G/B/A值来存储每个矢量数据的分量速度。将所有的纹理都存在同 一个文件目录下，方便调用。
[0007] (2)矢量数据纹理显存调度。由用户设定调度时间间隔，每时间间隔下只调入两张 相邻时间点数据纹理，一旦纹理使用完以后，即可调出显存，再调入新的相邻纹理，在整个 流线动画过程中，保证显存中只具有两张数据纹理供GPU计算使用，以节省计算机显存。
[0008] (3)GPU中基于时间帧的插值。显存中的两张矢量数据纹理代表着该时间区域的最 早时间帧T1的数据与最晚时间帧T2的数据，则在T1与T2之间的矢量数据需要通过实时 的插值来获得，获得计算机的当前运算时间信息，计算其在Tl、T2中的占比，通过时间占比 与Tl、T2的矢量数据信息，来计算当前时间下的矢量数据。
[0009] (4)基于GPU的几何流线生成。在GPU中进行流线的几何计算而非像素估算，需要 借助一张寄存中间变量的二维纹理M以及一张充当笛卡尔控制网格的三维纹理T，由用户 指定流线间距阈值D sep，由第一个种子点开始通过Runge-Kutta四阶积分向前向后积分出 流线轨迹，新生成的积分点P，需要映射到笛卡尔控制网格T中，进行合法性检查，如果P周 围没有一个点使得该点到P的距离小于D sep那么该点为合法点，将该点存入三维纹理T的对 应纹理单元中，做合法性检测使用，同时也将该点存入对应二维纹理M的对应纹理单元中， 以使得生成下一个种子点。
[0010] (5)矢量点速率控制流线生成密度。本算法通过矢量点的速率来控制流线间距大 小，以此达到高速区展现更多矢量场细节，低速区展现较少矢量场细节，以节约运算时间成 本的目的。假设当前矢量点的速率为，矢量流场域中最大速度为v_，最小速度v_， 用户设定的最大流线间距为〇_，则当前矢量点的流线间距应该控制在D ramnt范围内：
[0012] 同时也可以凭借此方法，实现与用户的交互功能，由用户设置感兴趣速度区间，对 此区间的流线进行稠密绘制（即流线间距保持在较小水平），此区间外的流线进行稀疏绘 制（即流线间距保持在较大水平），在不失去高关注区域流线细节的前提下，节省时间开 销。
[0013] (6)符号映射。在GPU中对生成的流线轨迹点进行符号映射，用形象生动的符号形 象来仿真流场的流动方向和大小，更加逼真美观。由用户指定一帧流线的生命周期，在生命 周期结束之前，符号动画只凭借当前时间下的矢量数据进行，当前帧流线生命周期结束，则 符号开始以下一帧矢量数据模式流动，在进行帧与帧之间的动画切换时，对映射符号进行 变形处理，使得动画过渡自然，通过变换符号的纹理坐标，实现符号的流动。
【附图说明】
[0014] 图1基于GPU与数据纹理的矢量场流线组织策略
[0015] 图2基于矢量点速率的流线密度控制策略
【具体实施方式】
[0016] 为了实现对矢量流场的高感知度图像表达，下面进行详细的说明：
[0017] 1.基于GPU与数据纹理的矢量场流线组织策略
[0018] 基于GPU并行计算的二维流线表达，其步骤如图1所示：
[0019] (1)需对原始多时间点矢量数据进行数据预处理，将单个矢量场数据的速度分量 存入创建的二维纹理单元中，每张纹理存储一个时间点数据，多张纹理以一定的命名规律 保存在同一个文件目录下；
[0020] (2)由用户设定时间间隔，该间隔时间内调入相邻两张纹理进入显存中，做计算支 持，当时间间隔结束、显存中使用完毕的纹理将被调出显存，重新从外存中调入新的数据纹 理进入显存中，进行运算支持，始终保持显存中只存在两张数据纹理；
[0021] (3)在GPU运算过程中，由用户设置一帧流线的生命周期，则生命周期开始时，流 线按照该帧数据模式生成、动画，生命周期结束，流线则转入下一帧数据模式进行生成与动 画；
[0022] (4)创建一张三维纹理T用作笛卡尔控制网格、一张二维纹理M用作中间变量存储 纹理，抛洒起始积分种子点，计算当前流线间距阈值D eu"ent，通过Rung-Kutta四阶积分，生 成下一个积分点P，将新生成的积分点映射到三维笛卡尔控制网格T中，进行合法性检测， 如果在三维笛卡尔控制网格中没有一个点X，使得|XP| < Deu"ent，则P点为合法点，将P点 存入T的对应位置，并将P保存在中间变量存储纹理M中，供下一次种子点生成使用。
[0023] (5)对组织好的流线轨迹进符号映射，通过不断改变纹理坐标，来改变符号的位 置，以实现动画的效果，通过符号变形操作，实现两相邻帧动画的平滑过渡。
[0024] 2.基于矢量点速率的矢量场流线密度控制策略
[0025] 本策略具有一定的交互性能，如图2所示：
[0026] (1)默认情况下，由用户设置最大流线间距Dmax，同时获得矢量场的最大速度 Vmax，最小速度Vmin及当前速度Vcurrent
[0027] (2)通过公式 来求得当前时间、 ， 当前矢量点速率下的流线间距最小阈值，本公式的处理方式可以理解为，当矢量点速率大 于一定的值V0时，流线间距一直维持在最小间距值dmin的程度下（为了防止流线过于密 集、导致矢量场扰动和紊乱的情况）；当不超过V0时，Dcurrent通过当前矢量点速率在最大 速度最小速度中的占比情况求得。以此可以实现在高速率区间绘制稠密的流线，在低速率 区间绘制稀疏的流线，保证矢量场信息量的前提下，尽可能地降低时间成本。
[0028] (3)当用户有自己的感兴趣领域时，也可设置速率区间（公式如下），对于指定速 率区间内的流线，进行稠密绘制，对于指定速率区间外的流线，进行稀疏绘制，以此来达到 对用户选择区域信息细节重点呈现及节省时间的目的。
【主权项】
1. 基于GPU并行计算的多时间帧高感知度二维流线算法，其特征在于3个部分： (1) 本算法中的纹理主要作为数据载体和中间过程辅助工具而存在（而非纹理白噪 声），将矢量场的不同时间点数据存入不同纹理像素中，每固定时间距离下，实时向GPU中 传入2张相邻时间帧纹理，并及时更换纹理，以做动画计算，一方面保证了显存中只载入2 张纹理，不至于显存不足，另一方面，能实现流场的动画效果。 (2) 本算法是基于GPU并行计算的矢量场几何流线运算方法，而非基于GPU的像素估计 流线运算，也非基于CPU的几何流线运算方法； (3) 本算法基于矢量点速率来控制流线密度，对高速区域能表达更多细节，低速区域表 达较少细节，节省了处理时间又不至于忽略用户感兴趣的区域细节。2. 根据权利要求1所述的基于GPU并行计算的多时间帧高感知度二维流线算法，特征 (1)中表述，本算法的纹理主要用于两个地方：其一，预处理数据阶段，将矢量场单个时间 帧数据存于同一类型的不同纹理文件中，存放于同一目录下，由用户设置调入纹理的时间 间隔，每时间段中只调入相邻两时间纹理，进入显存，在GPU中根据动画的时间，基于显存 中已存的两张数据纹理做插值，得出当前动画时间帧的矢量场数据，以达到流畅地动画帧 更换效果；其二，几何流线生成阶段，需要在GPU中创建一张三维纹理T，充当笛卡尔网格， 进行基于流速的密度控制，需要创建一张二维纹理M，来保存几何流线数据点生成的中间数 据及该时间帧下流线最终数据。3. 根据权利要求1所述的基于GPU并行计算的多时间帧高感知度二维流线算法，特 征（2)中表述，本算法所有的几何数据运算都是GPU进行的，在GPU中实现两帧数据纹理 的反距离插值，以获得当前时间帧下的数据纹理，同时选中第一个积分的种子点，利用四阶 Runge-Kutta积分，向前向后积分出下一个矢量点的位置，同时通过笛卡尔网格控制技术， 监测新积分出的矢量点是否是合法点（即是否满足与周围点的距离要求），如果是合法点， 则继续进行积分，如果不是合法点，则停止积分。4. 根据权利要求1所述的基于GPU并行计算的多时间帧高感知度二维流线算法，特征 (3)中表述，本算法基于矢量速率来控制流线密度，矢量速率越大，流线间距阈值越小，则该 区域能生成更多的流线，矢量速率越小，流线间距阈值越大，则该区域生成较少的流线，这 样在处理海洋大数据时，能保证在不牺牲高速区矢量场细节的情况，节省更多的处理时间。 同时，本方法具有一定的交互性能，可让用户设置感兴趣矢量速率区间，对该区间绘制更加 稠密的流线，以表达更多的信息，其他区域绘制较为稀疏的流线，以节省绘制时间。
【文档编号】G06T1/20GK105894438SQ201410712711
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月20日
【发明人】田丰林, 陈戈, 马纯永, 蒋雨池
【申请人】中国海洋大学