一种低分辨率海洋环境数据可视化海陆边界处理方法与流程

本发明属于数据可视化领域，涉及海洋环境数据可视化，特别是涉及一种低分辨率海洋环境数据可视化海陆边界处理方法。

背景技术：

海洋环境数据可视化能够将繁杂的海洋环境基础数据以图形、图像的方式进行直观地展现，有助于提高科研人员对海洋现象和活动规律的感知和理解能力，是进行海洋科学研究不可或缺的重要手段。然而，受到海洋环境调查和模式运算能力的限制，测量统计和模式运算得到数据的空间分辨率普遍较低，常用的数据空间分辨率有1°、1/2°、1/4°、1/8°，数据网格相对稀疏，直接对原始数据进行可视化极易在海陆边界处出现数据缺失，产生“锯齿”现象，影响可视化显示效果。因此，需要对低分辨率的原始海洋环境数据进行一系列的数据和图像处理，从而实现海洋环境可视化数据在海陆边界处的吻合和平滑过渡，最终达到比较理想的可视化效果。

技术实现要素：

本发明的目的是解决低分辨率海洋环境数据可视化过程中，海陆边界“锯齿”现象明显的问题，提出了一种低分辨率海洋环境数据可视化海陆边界处理方法。

本发明具体步骤如下：

步骤一、数据预处理，利用普通克里金插值算法对稀疏的原始海洋环境数据进行插补，填补陆地区域缺失数据。

步骤二、纹理映射，创建一幅与fbo(framebufferobject)绑定的二维图像纹理，纹理分辨率与陆地过滤纹理的分辨率一致。通过设置图像纹理的纹理参数，利用opengl的双线性插值，把低分辨率的数据纹理渲染到高分辨率的图像纹理上。

步骤三、高斯滤波，高斯滤波的目的是消除预处理数据中的高频噪声，更好地体现数据的空间分布规律。高斯滤波是比较耗时的过程，本发明使用预先计算好的3×3的高斯滤波核，通过opengl着色语言在片元着色器中实现高斯滤波的并行计算。

步骤四、颜色映射，将一维归一化的颜色传输函数作为颜色查找纹理，利用渲染到纹理技术，把经过纹理映射和高斯滤波后的图像纹理的属性值映射成颜色值。

步骤五、陆地过滤，利用多重纹理映射技术，将陆地过滤纹理与颜色映射后的图像纹理结合，把图像纹理中陆地部分的透明度属性alpha值设为0，剔除掉陆地。

步骤六、海陆边界模糊滤波，通过对图像纹理的透明度属性alpha值利用3×3的高斯滤波核进行高斯模糊滤波，将细小的锯齿消除掉，在海陆边界上形成平滑的过渡。

本发明设计了两个片元着色器：片元着色器1实现高斯滤波、颜色映射和陆地过滤处理，片元着色器2实现海陆边界模糊滤波处理。

片元着色器1中的算法为：

片元着色器2中的算法为：

本发明在不改变原始海洋环境数据空间分辨率的前提下，使用opengl着色语言，结合多重纹理映射、渲染到纹理和图像模糊滤波等相关技术进行实时的图像渲染，实现了低分辨率海洋环境数据可视化过程中，海陆边界的吻合和平滑过渡处理，解决了海陆边界“锯齿”现象明显的问题，算法效率较高，可推广应用于海洋环境数据可视化领域。

附图说明

图1低分辨率海洋环境数据可视化海陆边界处理方法流程；

图2低分辨率海洋环境数据可视化纹理处理流程；

图3原始海洋表层温度数据纹理显示效果；

图4数字地球场景中原始海洋表层温度数据显示效果；

图5预处理数据纹理显示效果；

图6片元着色器1处理后纹理显示效果；

图7片元着色器2处理后纹理显示效果；

图8数字地球场景中本发明方法处理后纹理显示效果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种低分辨率海洋环境数据可视化海陆边界处理方法进行详细的描述。

本发明完整的数据处理流程如图1所示，图2给出了不同阶段纹理的处理流程。

图3是黄、渤海区域部分海水表面温度原始数据的可视化效果，图4是在数字地球场景中原始数据的显示效果，从图中可以看出海陆边界存在明显的“锯齿”现象。本发明首先对原始数据进行预处理，利用普通克里金算法插补陆地缺失的数据，并将数据映射到高分辨率(同陆地过滤纹理)的图像纹理上，如图5所示为预处理数据纹理显示效果。然后，利用片元着色器1依次进行高斯滤波(消除高频噪声)、颜色映射和陆地过滤等操作，获得如图6所示纹理。最后，再利用片元着色器2对图6中得到纹理的透明度属性alpha值进行高斯滤波，从而实现对海陆边界的模糊滤波处理，图7是片元着色器2处理后纹理的显示效果。图8是在数字地球场景中应用本发明方法处理后纹理的显示效果。对比图4和图8可以看出：本发明提出的方法显著改善了低分辨率海洋环境数据可视化过程中海陆边界存在的“锯齿”现象。

技术特征：

1.一种低分辨率海洋环境数据可视化海陆边界处理方法，其步骤如下：

步骤一、数据预处理，利用普通克里金插值算法对稀疏的原始海洋环境数据进行插补，填补陆地区域缺失数据；

步骤二、纹理映射，利用渲染到纹理技术，将低分辨率的数据纹理渲染到高分辨率的图像纹理上；

步骤三、高斯滤波，通过opengl着色语言在片元着色器中对图像纹理进行高斯滤波消除预处理数据中的高频噪声；

步骤四、颜色映射，将一维归一化的颜色传输函数作为颜色查找纹理，把经过纹理映射和高斯滤波后的图像纹理的属性值映射成颜色值；

步骤五、陆地过滤，利用多重纹理映射技术，将陆地过滤纹理与颜色映射后的图像纹理结合，把图像纹理中陆地部分的透明度属性alpha值设为0，剔除掉陆地；

步骤六、海陆边界模糊滤波，通过对图像纹理的透明度属性alpha值进行高斯模糊滤波，将细小的锯齿消除掉，在海陆边界上形成平滑的过渡。

技术总结
本发明为一种低分辨率海洋环境数据可视化海陆边界处理方法，其目的是解决低分辨率海洋环境数据可视化过程中，海陆边界“锯齿”现象明显的问题，包括以下步骤：步骤一、数据预处理；步骤二、纹理映射；步骤三、高斯滤波；步骤四、颜色映射；步骤五、陆地过滤；步骤六、海陆边界模糊滤波。其有益效果是在不改变原始海洋环境数据空间分辨率的前提下，使用OpenGL着色语言，结合多重纹理映射、渲染到纹理和图像模糊滤波等相关技术进行实时的图像渲染，实现低分辨率海洋环境数据可视化过程中，海陆边界的吻合和平滑过渡处理，解决了海陆边界“锯齿”现象明显的问题，算法效率较高，可推广应用于海洋环境数据可视化领域。

技术研发人员：笪良龙;孙雪海;张林
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军潜艇学院
技术研发日：2019.04.11
技术公布日：2020.10.23