一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法，属于海洋环境要素可视化领域。首先对对三维抛物线方程模型求出的海洋水下声波声强传播损失数据进行预处理；然后针对图像平面像素，按既定方向发出的各条光线分别进行自适应间距采样，计算各条光线上所有重采样点的坐标，采用三线性插值算法对所有的重采样点进行插值。最后按照用户需求对插值后的重采样点数值设定不同的颜色值和不透明度，进行数据分类并合成，完成海洋水声场的三维可视化图像。本发明专利技术通过对水声场三维数据体素的划分，有效减少无效体素中重采样点的数量，进而提高三维可视化的效率，在保证图像质量的前提下，可视化速度更快。

A 3D Visualization Method of Ocean Underwater Acoustic Field Based on Improved Ray Projection Algorithms

The invention discloses a three-dimensional visualization method of ocean underwater acoustic field based on an improved ray casting algorithm, which belongs to the field of visualization of ocean environmental elements. Firstly, the loss data of underwater acoustic intensity propagation obtained from the three-dimensional parabolic equation model are preprocessed. Then, for the image plane pixels, the coordinates of all resampling points on each ray are calculated by adaptive spacing sampling according to the light emitted in the given direction, and the trilinear interpolation algorithm is used to calculate the coordinates of all resampling points on each ray. Some resampling points are interpolated. Finally, different color values and opacity are set for the interpolated resampling points according to the user's needs, and the data are classified and synthesized to complete the three-dimensional visualization of ocean acoustic field. The invention effectively reduces the number of re-sampling points in invalid voxels by dividing the voxels of underwater acoustic field three-dimensional data, thereby improving the efficiency of three-dimensional visualization, and the visualization speed is faster on the premise of ensuring image quality.

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法
本专利技术属于海洋环境要素可视化领域，是一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法。
技术介绍
海洋环境极其复杂，海水中的多种海洋要素如海水温度、海洋锋、涡旋以及内波等的存在会影响水下声波的传播；另外，复杂的海底地形也是影响声波在水下传播的重要因素。这种影响表现为声强的衰减，随着水平距离和深度的增加，声强逐渐衰减。海洋水声场是声波在海洋中传播时受到各种因素综合影响，声强随三维空间的变化而变化的一种标量场。海洋水声场是物理存在的，但没有物体形态，因此，不能肉眼直观地观察其形态结构，不能够定性地分析水声场的分布规律，这就影响了人们对水声场的充分利用。为了解决这个问题，利用可视化技术对海洋水声场进行三维可视化呈现，在图形界面上真实显示水声场的形态结构，有利于人们对水声场的直观把握和定性分析，并根据分析得到水声场的分布规律，更充分地利用水声场的特性应用在探索海洋的人类活动。目前国内外研究主流的可视化方法可分为两类，即基于体数据的直接体绘制方法(以下简称体绘制方法)和基于等值面的面绘制方法(以下简称面绘制方法)。面绘制方法绘制图像清晰并且效率较高，但是该方法不能显示水声场的全部信息。所以在水声场的可视化方法中，采用体绘制方法的较多，它为三维水声场提供了一种有效的全局特性可视化方法。由于水声场的数据庞大，在重采样和图像合成阶段的计算量会非常庞大，导致绘制效率低下。如文献1：杨廷武在《基于三维纹理的水下三维声场直接体可视化》一文中，应用基于硬件加速的三维纹理直接可视化技术实现了海洋水声场三维可视化，该方法能够生成高质量的可视化图像并且具有不错的实时性。文献2：曾艳阳在《水声场的三维可视化及实时绘制技术研究》一文中，研究了两种水声场实时绘制技术：并行绘制技术和GPU加速技术，这两种方法都有效提高三维可视化速度。文献3：孙学海在《水下三维声场仿真与可视化方法研究》一文中，改进了基于三维纹理映射的体绘制算法，引入渲染到纹理的步骤使数据重采样、颜色映射和光照计算等环节可以实时进行，该方法实现了海洋水声场的快速计算和实时体绘制。但是，这些方法都较依赖于图形硬件的性能来加快海洋水声场三维可视化的速度，因此也较容易受限于图形硬件的性能好坏。
技术实现思路
本专利技术为了实现海洋水声场的三维可视化，为作战指挥员等使用者准确了解水声场分布形态提供帮助，提出了一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法。包括以下步骤：步骤一、对三维抛物线方程模型求出的海洋水下声波声强传播损失数据进行预处理；具体处理过程如下：水声场以声源为中心，得到若干方位的二维水声场原始数据，分别存储在txt文件中，依次对每个txt文件进行数据提取并按方位顺序汇总到一个txt文件中，最后存储到三维数组中。步骤二、针对图像平面像素，按既定方向发出的各条光线分别进行自适应间距采样，计算各条光线上所有重采样点的坐标。具体步骤如下：步骤201、将图像平面像素转换到水声场所在的世界坐标系中，得到其在世界坐标系下的坐标；针对平面中某一条光线L，某点像素的坐标分量为(x,y,z)，转换到世界坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)；光线数学表达式为：(m,n,l)为光线L的方向。步骤202、通过求解光线L和水声场圆柱包围盒的数学关系的起止交点，得到该光线初始采样点的坐标。首先，通过任意常数c计算光线数学表达式，得到三个坐标分量；然后，结合圆柱包围盒的数学表达式，得到关于c的一元二次不等式：圆柱包围盒的数学表达式为：式中，rmax为圆柱半径，zmax为圆柱的高度。关于c的一元二次不等式为：继续，当一元二次不等式中判别式Δ＞0时，得到光线L与沿z轴无限延伸的圆柱侧面的两个交点，求出c的两个解：判别式为：c的两个解如下：进而得到光线L与圆柱侧面的第一个交点p1和第二个交点p2的坐标；坐标如下：最后，将两个交点p1和p2的z坐标带入圆柱包围盒的数学表达式中，得到不同情况下光线L与圆柱包围盒的交点；有如下几种情况：①z1＞zmax，z2＞zmax或者z1＜0，z2＜0；光线L在圆柱包围盒的上方或者下方，与圆柱包围盒没有交点。②z1＞zmax，0＜z2＜zmax或者z1＜0，0＜z2＜zmax。光线L与圆柱包围盒有两个交点，并且进入圆柱包围盒的交点在圆柱顶面或者底面上，出圆柱包围盒的交点在圆柱侧面上。③0＜z1＜zmax，z2＜0或者0＜z1＜zmax，z2＞zmax。光线L与圆柱包围盒有两个交点，并且进入圆柱包围盒的交点在圆柱侧面上，出圆柱包围盒的交点在圆柱顶面或者底面上。④z1＞zmax，z2＜0或者z1＜0，z2＞zmax。光线L与圆柱包围盒有两个交点，且两个交点分别在圆柱顶面和底面上。⑤0＜z1＜zmax，0＜z2＜zmax，光线L与圆柱包围盒有两个交点，且两个交点都在圆柱侧面上，两个交点的坐标即为对应交点p1和p2。综上，便完成了光线L与圆柱包围盒起止交点的求解，起始交点即为光线L的初始采样点坐标。步骤203、由光线L的初始采样点开始，根据奈奎斯特采样定理设定的步长，计算下一个重采样点坐标；计算公式如下：式中，(x1,y1,z1)为当前采样点的位置坐标，初始取值初始采样点坐标值。(x2,y2,z2)为下一采样点的位置坐标，delt为设定的采样步长。步骤204、将求得的下一个重采样点的坐标由直角坐标转换为柱坐标；步骤205、判断转换为柱坐标的该重采样点所在的体素是否为无效体素，如果是，则改变采样步长为1，否则，保持原有采样步长。体素是重采样点所在的一个扇形柱状区域，由柱坐标系来表示。通过重采样点柱坐标求出所在体素的8个顶点的柱坐标，进而确定重采样点所在体素。判断依据为：求体素8个顶点数值的平均值，如果大于设定的声呐优质因子FOM，即视为无效体素。步骤206、返回步骤203，重复计算下一个重采样点坐标，直到对光线L采样完毕。步骤207、重复步骤201直到屏幕像素的所有光线全部遍历完毕，完成所有重采样点坐标计算。步骤三、利用三维数组中的数据，采用三线性插值算法对所有的重采样点进行插值。步骤四、按照用户需求对插值后的重采样点数值设定不同的颜色值和不透明度，完成数据分类。步骤五、将屏幕上所有像素按光线方向从初始采样点开始，对各光线上的重采样点的颜色值和不透明度进行合成，完成海洋水声场的三维可视化图像；合成公式如下：其中：s(u,v)为屏幕上像素(u,v)的颜色值，c(ei)表示第i个采样点的颜色值，n表示采样点的数量；α(ej)表示第个j采样点的不透明度，c(e0)表示水声场包围盒初始采样点的颜色值。本专利技术的优点在于：本专利技术一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法，通过对水声场三维数据体素的划分，调整无效体素的采样步长，有效减少了无效体素中重采样点的数量，进而提高三维可视化的效率，使海洋水声场三维可视化在保证图像质量的前提下，可视化速度更快。附图说明图1为本专利技术提出的基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法的流程图；图2为本专利技术对水声场三维数据的组织方式的示意图。图3为本专利技术对重采样点插值的示意图。图4为本专利技术对数据颜色分类的示意图。图5为本专利技术海洋水声场的三维可视化效果图。具体实施方式下面将结合附图和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、对三维抛物线方程模型求出的海洋水下声波声强传播损失数据进行预处理；步骤二、针对图像平面像素，按既定方向发出的各条光线分别进行自适应间距采样，计算各条光线上所有重采样点的坐标；具体步骤如下：步骤201、将图像平面像素转换到水声场所在的世界坐标系中，得到其在世界坐标系下的坐标；针对平面中某一条光线L，某点像素的坐标分量为(x,y,z)，转换到世界坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)；光线数学表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种基于改进的光线投射算法的海洋水声场三维可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、对三维抛物线方程模型求出的海洋水下声波声强传播损失数据进行预处理；步骤二、针对图像平面像素，按既定方向发出的各条光线分别进行自适应间距采样，计算各条光线上所有重采样点的坐标；具体步骤如下：步骤201、将图像平面像素转换到水声场所在的世界坐标系中，得到其在世界坐标系下的坐标；针对平面中某一条光线L，某点像素的坐标分量为(x,y,z)，转换到世界坐标系下的坐标为(x0,y0,z0)；光线数学表达式为：(m,n,l)为光线L的方向；步骤202、通过求解光线L和水声场圆柱包围盒的数学关系的起止交点，得到该光线初始采样点的坐标；首先，通过任意常数c计算光线数学表达式，得到三个坐标分量；然后，结合圆柱包围盒的数学表达式，得到关于c的一元二次不等式：圆柱包围盒的数学表达式为：式中，rmax为圆柱半径，zmax为圆柱的高度；关于c的一元二次不等式为：继续，当一元二次不等式中判别式Δ＞0时，得到光线L与沿z轴无限延伸的圆柱侧面的两个交点，求出c的两个解：判别式为：c的两个解如下：进而得到光线L与圆柱侧面的第一个交点p1和第二个交点p2的坐标；坐标如下：最后，将两个交点p1和p2的z坐标带入圆柱包围盒的数学表达式中，得到不同情况下光线L与圆柱包围盒的交点；完成光线L与圆柱包围盒起止交点的求解，起始交点即为光线L的初始采样点坐标；步骤203、由光线L的初始采样点开始，根据奈奎斯特采样定理设定的步长，计算下一个重采样点坐标；计算公式如下：式中，(x1,y1,z1)为当前采样点的位置坐标，初始取值初始采样点坐标值；(x2,y2,z2)为下一采样点的位置坐标，delt为设定的采样步长；步骤204、将求得的下一个重采样点的坐标由直角坐标转换为柱坐标；步骤205、判断转换为柱坐标的该重采样点所在的体素是否为无效体素，如果是，则改变采样步长为1，否则，保持原有采样步长；步骤206、返回步骤203，重复计算下一个重采样点坐标，直到对光线L采样完毕；步骤207、重复步骤201直到屏幕像素的所有光线全部遍历完毕，完成所有重采样点坐标计算；步骤三、利用三维数组中的数据，采用三线性插值算法对所有的重采样点进行插值；步骤四、按照用...

【专利技术属性】
技术研发人员：高峰，程海涛，刘厂，赵玉新，何忠杰，郭健，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23