基于WebGL并行插值方法、系统、介质和设备与流程

本发明涉及插值计算，尤其涉及一种基于webgl并行的克里金插值方法、系统、介质和设备。

背景技术：

1、当前，现实生活中经常需要运用空间插值算法来进行插值模拟，以计算获取空间中未知点的信息，插值算法广泛运用于水利、气象、遥感、地质、土壤、环境污染等多个行业领域。常用的空间插值算法包括反距离权重法、泰森多边形法、样条函数插值、自然邻域法和克里金(kriging)插值算法等。其中，克里金插值算法可以计算出误差衡量，满足了更多的实际应用需求，较符合实际情况，应用范围更加广泛。

2、克里金插值算法不足之处在于其计算处理速度相对较慢，其计算处理时间与样本点数量呈幂次级趋势增长，数据量越大，处理时间越长；如若在web端运行克里金插值算法，当样本数稍多，将造成用户界面卡顿现象。究其原因，javascript是利用单核资源，在单线程上运行的，单线程运行耗时过长任务时，容易造成渲染线程阻塞，从而造成界面卡顿现象。不少学者使用web workers及webassembly技术进行了优化，进到一定提升，但终究还是基于cpu单核处理流程，效率提升仍然不够理想。现有并行技术如cuda、opencl、openmp等均不适用于web浏览器。

3、因而，为解决现有技术中存在的问题，亟待提出一种方法，满足在web端实时运行克里金插值算法，满足用户实时交互需求，满足页面流畅加载效果。本发明提出基于webgl克里金插值算法，一种适用于web浏览器的方法，可充分利用gpu进行并行加速计算，将算法密集运算部分移植至显卡着色器中，实现更快加速效果，满足页面流畅加载效果，大大提升处理的数据量。web端的运用将大大扩大应用范围。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于webgl并行插值方法、系统、介质和设备。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于webgl并行插值方法，方法包括：

3、插值建模步骤：构建用于模拟插值点之间的空间关系的半方差图，并输出插值样本点加权调整后的变量值；

4、插值计算渲染管线构建步骤：封装并传递插值样本点加权调整后的变量值，构建待渲染模型所需的多种资源，构建用于插值计算的插值计算渲染管线；

5、插值预测步骤：在插值计算渲染管线中，采用webgl着色器进行插值预测求解，将插值计算方程写入着色器中，对计算渲染管线进行渲染，计算出待预测插值点的属性值；

6、最终屏幕渲染管线构建步骤：构建最终屏幕渲染管线，将最终渲染结果输出至用户展示界面。

7、本发明实施例中，上述基于webgl并行插值方法还包括：插值计算渲染管线为克里金插值计算渲染管线。

8、本发明实施例中，上述插值建模步骤还包括：

9、建模初始化步骤：通过异值处理、半方差计算、曲线拟合及选取变异函数理论模型，完成建模的初始化；

10、计算插值样本点加权调整后的变量值步骤：利用克里金法，通过变异函数模型优化计算每个采样点的权重，对任意点的属性值进行预测，计算获取插值样本点加权调整后的变量值。

11、本发明实施例中，上述建模初始化步骤还包括：

12、异值处理步骤：移除插值样本数据中的异常极值，并在插值预测步骤中，将异常极值添加回去；

13、半方差计算步骤：基于插值半方差公式计算已知样本点的半方差；

14、曲线拟合步骤：将插值样本数据点进行分组，得到多组距离与半方差关系组，依据每组关系组的平均距离与平均半方差，拟合得到模型曲线；

15、变异函数理论模型选取步骤：选取变异函数理论模型，计算获得模型参数。

16、本发明实施例中，上述插值计算渲染管线构建步骤还包括：

17、样本点数据封装与传递步骤：新建数据纹理，依据样本点数据量，设计数据纹理的尺寸及形状，设置数据纹理的各种数据类型，将存储插值点数据的数组传递到数据纹理的图片中，每个插值点对应数据纹理的一个像素。

18、本发明实施例中，上述插值计算渲染管线构建步骤还包括：

19、数据准备步骤：输入渐变色带纹理及生成的数据纹理；

20、初始化渲染管线构建步骤：构建待渲染模型所需的多种资源，将模型参数以uniform形式传递至片元着色器；计算样本点属性最大值及最小值，将模型类型及样本点数以uniform形式传递至片元着色器；模型参数包括：

21、变程、基台、拱高、块金常数。

22、本发明实施例中，上述插值预测步骤还包括：

23、针对每一次渲染过程，遍历所有样本纹理点，执行操作：依据纹理尺寸，求出每个纹理点的纹理坐标；采样得到每个纹理点的空间坐标与属性值；基于半方差距离公式，计算与纹理点至待预测点的空间距离；依据传入的模型类型选取相应的变异函数模型；依据选择的变异函数模型，计算出相应权重值；基于权重值，依据克里金插值计算公式，计算出相应的待预测点的属性值，并将属性值进行归一化处理。

24、本发明提供一种基于webgl并行插值系统，采用如上所述基于webgl并行插值方法，系统包括：

25、插值建模模块：构建用于模拟插值点之间的空间关系的半方差图，并输出插值样本点加权调整后的变量值；

26、插值计算渲染管线构建模块：封装并传递插值样本点加权调整后的变量值，构建待渲染模型所需的多种资源，构建用于插值计算的插值计算渲染管线；

27、插值预测模块：在插值计算渲染管线中，采用webgl着色器进行插值预测求解，将插值计算方程写入着色器中，对计算渲染管线进行渲染，计算出待预测插值点的属性值；

28、最终屏幕渲染管线构建模块：构建最终屏幕渲染管线，将最终渲染结果输出至用户展示界面。

29、本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的基于webgl并行插值方法的步骤。

30、本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上所述的基于webgl并行插值方法的步骤。

31、本方法发明的有益效果是：

32、1)kriging插值广泛运用于水利、气象、遥感、地质、土壤、环境污染等多个行业领域，而随着互联网的不断普及和webgl等技术的迅速发展，数字孪生和物联网技术已经开始向web端延伸，本发明提出在web端进行高效、实时的kriging插值，将有效增加用户的便利性、提高效率和实时交互性。实现更快加速效果，满足web页面流畅加载效果；2)本发明方法提出对渲染方法加速进行测试，实验环境使用硬件配置：2.3ghz八核intel core i9处理器(16gb内存)，amd radeon pro 5500m(4gb)显卡；软件配置：macos monterey操作系统，基于google chrome 107浏览器。分别选取10、100、1000、10000、100000个随机样本点，512*512、1024*1024网格分辨率等参数组合进行实验测试，每个网格点将进行一次插值计算，随着样本点数量级的增大，cpu运行时间增加，且超过10000点cpu运行时间显著增长；gpu相应的运行时间增加缓慢；本发明并行算法相较于cpu的加速比介于27至86之间，加速效果明显。

33、本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。