CN115423917B - 一种全球三维风场实时绘制方法及*** - Google Patents

一种全球三维风场实时绘制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全球三维风场实时智能绘制方法及***，属于计算机图像渲染技术领域，方法包括：获取离散风场数据保存到风场速度图中；从风场速度图中采集矢量数据和速度映射图；采集预先构建的半径为地球赤道半径的球冠网格模型中顶点所在位置的风场速度图，通过矢量数据从风场速度图中获取向量模为风场速度，根据速度映射图指定顶点的颜色，根据矢量数据计算出下一个顶点的位置，重复采集风场速度图和计算下一顶点位置的过程直至风场速度或生成的顶点数量达到预设目标；将生成的顶点按生成顺序绘制成曲线后传入片元着色器，根据传入时间和顶点的纹理坐标设置片元的透明度值；根据相机与地球表面的高度关系设置球冠网格模型的显示状态。

Description

一种全球三维风场实时绘制方法及***
技术领域
本发明涉及一种全球三维风场实时绘制方法及***，属于计算机图像渲染技术领域。
背景技术
三维虚拟仿真技术已广泛应用于数字地球、数字城市、数字流域等领域，风场渲染是三维仿真***中重要的部分；目前大多数风场绘制，都是利用RTT（渲染到纹理）的上一帧风场图，叠加到当前渲染的粒子的图像上，以显示风场数据；这些方法在相机移动后，由于上一帧图像差别过大，必须清空重新开始叠加，所以降低了用户体验，影响了可视化效果；并且这些方法都不能用于绘制三维风场，无法显示在三维数字地球中，减弱了沉浸感，不能用于三维数字地球等三维虚拟仿真领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全球三维风场实时绘制方法及***，实现三维风场的实时智能绘制，提高可视化效果。
为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种全球三维风场实时绘制方法，包括：
获取离散风场数据并将其保存到风场速度图中；
从风场速度图中采集矢量数据和速度映射图；
采集预先构建的半径为地球赤道半径的球冠网格模型中顶点所在位置的风场速度图，通过矢量数据从风场速度图中获取向量模为风场速度，根据速度映射图指定顶点的颜色，根据矢量数据计算出下一个顶点的位置，重复采集风场速度图和计算下一个顶点位置的过程直至风场速度或生成的顶点数量达到预设目标；
将生成的顶点按照生成顺序绘制成曲线后传入片元着色器，根据传入时间和顶点的纹理坐标动态设置片元的透明度值；
根据相机与地球表面的高度关系设置球冠网格模型的显示状态，得到全球三维风场。
结合第一方面，进一步的，将离散风场数据保存到风场速度图中，具体包括：
将从原始netcfg文件中读取的经纬高对应风场速度图的UVW分量进行空间映射，其中经纬高对应的（左下低）点映射UVW分量的（0,0,0），经纬高对应的（右上高）点映射UVW分量的（1,1,1），每个点位的经纬高所对应的风速信息保存在风场速度图的RGB通道中。
结合第一方面，进一步的，所述球冠网格模型通过以下方法预先构建：
根据OPENGL相机在世界坐标的空间位置，获取OPENGL相机所在球面的经纬点作为中心点位置，将地球赤道半径作为半径，创建一个球冠网格模型，其中均匀分布有128*128个顶点。
结合第一方面，进一步的，所述速度映射图中包含1维颜色和数值映射图。
结合第一方面，进一步的，风场速度达到预设目标，具体包括：风场速度小于0.01。
结合第一方面，进一步的，生成的顶点数量达到预设目标，具体包括：生成的顶点数量超过10个。
结合第一方面，进一步的，根据传入时间和顶点的纹理坐标动态设置片元的透明度值，具体包括：
将传入时间加上顶点的纹理坐标乘以纹理的透明度值，得到片元的透明度值，据此进行片元透明度的设置。
结合第一方面，进一步的，所述球冠网格模型预先构建有多个，根据相机与地球表面的高度关系设置不同球冠网格模型的显示状态为显示或隐藏，以实现多细节层次的显示。
第二方面，本发明还提供了一种全球三维风场实时绘制***，包括：
数据获取模块：用于获取离散风场数据并将其保存到风场速度图中；
数据采集模块：用于从风场速度图中采集矢量数据和速度映射图；
顶点生成模块：用于采集预先构建的半径为地球赤道半径的球冠网格模型中顶点所在位置的风场速度图，通过矢量数据从风场速度图中获取向量模为风场速度，根据速度映射图指定顶点的颜色，根据矢量数据计算出下一个顶点的位置，重复采集风场速度图和计算下一个顶点位置的过程直至风场速度或生成的顶点数量达到预设目标；
透明度设置模块：用于将生成的顶点按照生成顺序绘制成曲线后传入片元着色器，根据传入时间和顶点的纹理坐标动态设置片元的透明度值；
显示状态设置模块：用于根据相机与地球表面的高度关系设置球冠网格模型的显示状态，得到全球三维风场。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
本发明提供的一种全球三维风场实时绘制方法及***，通过相机与地球表面的高度关系设置球冠网格模型的显示状态，以实现多细节层次的显示，达到从太空到地面无缝过渡的效果，平滑过渡，实现从各个角度观察全球三维风场效果，使全球风场显示提升到了三维；本发明方案所述的绘制方法和相机的实时位置无关，实现了在相机移动时的全球风场渲染；根据传入时间和顶点的纹理坐标动态设置片元的透明度值，动态改变片元的透明度值，实现了风场流动拖影效果，提高可视化效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种全球三维风场实时绘制方法的流程图。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例
如图1所示，本发明实施例提供的一种全球三维风场实时绘制方法，包括：
S1、获取离散风场数据并将其保存到风场速度图中。
本步骤为数据准备过程，从原始netcfg文件中读取离散风场数据，离散风场数据包括经纬高，将离散风场数据保存到风场速度图（三维纹理）中。
将从原始netcfg文件中读取的经纬高对应风场速度图的UVW分量进行空间映射，其中经纬高对应的（左下低）点映射UVW分量的（0,0,0），经纬高对应的（右上高）点映射UVW分量的（1,1,1），每个点位的经纬高所对应的风速信息保存在风场速度图的RGB通道中。
S2、从风场速度图中采集矢量数据和速度映射图。
预先定义一个速度映射图（1维颜色与数值映射图）存放在风场速度图中，从风场速度图中得到矢量数据（UVW）。
S3、采集预先构建的半径为地球赤道半径的球冠网格模型中顶点所在位置的风场速度图，通过矢量数据从风场速度图中获取向量模为风场速度，根据速度映射图指定顶点的颜色，根据矢量数据计算出下一个顶点的位置，重复采集风场速度图和计算下一个顶点位置的过程直至风场速度或生成的顶点数量达到预设目标。
根据OPENGL相机在世界坐标的空间位置，获取OPENGL相机所在球面的经纬点作为中心点位置，将地球赤道半径作为半径，预先创建一个球冠网格模型，其中均匀分布有128*128（行数*列数）数量的顶点。
本步骤为着色器计算过程，在几何着色器中，采集均匀分布的128*128（行数*列数）个顶点中顶点所在位置的风场速度图，通过步骤S2中采集的矢量数据（UVW）从风场速度图中获取向量模作为风场速度，再根据步骤S2中采集的速度映射图（1维颜色与数值映射图）指定各顶点的颜色，并根据矢量数据（UVW）计算出下一个顶点的位置。
重复获取上述采集顶点所在位置的风场速度图、计算下一个顶点位置的步骤，直到生成的顶点数量超过10个或风场速度小于0.01，停止计算，结束几何着色器中的操作。
S4、将生成的顶点按照生成顺序绘制成曲线后传入片元着色器，根据传入时间和顶点的纹理坐标动态设置片元的透明度值。
将步骤S3中生成的顶点按照生成顺序绘制成一条曲线，将其传入片元着色器。
在片元着色器中，将上述曲线的传入时间（动态值）加上顶点的纹理坐标（静态值）乘以纹理的透明度值，得到片元的透明度值，据此进行片元透明度的设置，可以动态改变片元的透明度值，以实现风场流动拖影效果。
S5、根据相机与地球表面的高度关系设置球冠网格模型的显示状态，得到全球三维风场。
本步骤为实时控制显示层次的过程，根据地球范围预先生成三层低、中、高等级的球冠网格模型到场景可渲染节点，根据相机与地球表面的高度关系设置不同球冠网格模型的显示状态为显示或隐藏，得到最终的实时的全球三维风场，以实现多细节层次的显示，达到从太空到地面无缝过渡的效果。
实施例
本发明实施例提供的一种全球三维风场实时绘制***，包括：
数据获取模块：用于获取离散风场数据并将其保存到风场速度图中；
数据采集模块：用于从风场速度图中采集矢量数据和速度映射图；
顶点生成模块：用于采集预先构建的半径为地球赤道半径的球冠网格模型中顶点所在位置的风场速度图，通过矢量数据从风场速度图中获取向量模为风场速度，根据速度映射图指定顶点的颜色，根据矢量数据计算出下一个顶点的位置，重复采集风场速度图和计算下一个顶点位置的过程直至风场速度或生成的顶点数量达到预设目标；
透明度设置模块：用于将生成的顶点按照生成顺序绘制成曲线后传入片元着色器，根据传入时间和顶点的纹理坐标动态设置片元的透明度值；
显示状态设置模块：用于根据相机与地球表面的高度关系设置球冠网格模型的显示状态，得到全球三维风场。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种全球三维风场实时绘制方法，其特征在于，包括：
获取离散风场数据并将其保存到风场速度图中；
从风场速度图中采集矢量数据和速度映射图；
在几何着色器中采集预先构建的半径为地球赤道半径的球冠网格模型中顶点所在位置的风场速度图，通过矢量数据从风场速度图中获取向量模为风场速度，根据速度映射图指定顶点的颜色，根据矢量数据计算出下一个顶点的位置，在几何着色器中重复采集风场速度图和计算下一个顶点位置的过程直至风场速度或生成的顶点数量达到预设目标；
将几何着色器生成的顶点按照生成顺序绘制成曲线后传入片元着色器，根据传入时间和顶点的纹理坐标动态设置片元的透明度值；
根据相机与地球表面的高度关系设置球冠网格模型的显示状态，得到全球三维风场。
2.根据权利要求1所述的一种全球三维风场实时绘制方法，其特征在于，将离散风场数据保存到风场速度图中，具体包括：
将从原始netcfg文件中读取的经纬高对应风场速度图的UVW分量进行空间映射，其中经纬高对应的（左下低）点映射UVW分量的（0,0,0），经纬高对应的（右上高）点映射UVW分量的（1,1,1），每个点位的经纬高所对应的风速信息保存在风场速度图的RGB通道中。
3.根据权利要求1所述的一种全球三维风场实时绘制方法，其特征在于，所述球冠网格模型通过以下方法预先构建：
根据OPENGL相机在世界坐标的空间位置，获取OPENGL相机所在球面的经纬点作为中心点位置，将地球赤道半径作为半径，创建一个球冠网格模型，其中均匀分布有128*128个顶点。
4.根据权利要求1所述的一种全球三维风场实时绘制方法，其特征在于，所述速度映射图中包含1维颜色和数值映射图。
5.根据权利要求1所述的一种全球三维风场实时绘制方法，其特征在于，风场速度达到预设目标，具体包括：风场速度小于0.01。
6.根据权利要求1所述的一种全球三维风场实时绘制方法，其特征在于，生成的顶点数量达到预设目标，具体包括：生成的顶点数量超过10个。
7.根据权利要求1所述的一种全球三维风场实时绘制方法，其特征在于，根据传入时间和顶点的纹理坐标动态设置片元的透明度值，具体包括：
将传入时间加上顶点的纹理坐标乘以纹理的透明度值，得到片元的透明度值，据此进行片元透明度的设置。
8.根据权利要求1所述的一种全球三维风场实时绘制方法，其特征在于，所述球冠网格模型预先构建有多个，根据相机与地球表面的高度关系设置不同球冠网格模型的显示状态为显示或隐藏，以实现多细节层次的显示。
9.一种全球三维风场实时绘制***，其特征在于，包括：
数据获取模块：用于获取离散风场数据并将其保存到风场速度图中；
数据采集模块：用于从风场速度图中采集矢量数据和速度映射图；
顶点生成模块：用于在几何着色器中采集预先构建的半径为地球赤道半径的球冠网格模型中顶点所在位置的风场速度图，通过矢量数据从风场速度图中获取向量模为风场速度，根据速度映射图指定顶点的颜色，根据矢量数据计算出下一个顶点的位置，在几何着色器中重复采集风场速度图和计算下一个顶点位置的过程直至风场速度或生成的顶点数量达到预设目标；
透明度设置模块：用于将几何着色器中生成的顶点按照生成顺序绘制成曲线后传入片元着色器，根据传入时间和顶点的纹理坐标动态设置片元的透明度值；
显示状态设置模块：用于根据相机与地球表面的高度关系设置球冠网格模型的显示状态，得到全球三维风场。
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