面向大规模时变海洋环境数据场的高效体绘制与剖分方法

Volume rendering is an important method to visualize 3D data field of ocean environment in marine geographic information system. However, current researches on volume rendering from GIS field are mainly about the direct uses of the existing methods, which can not answer these challenges when facing marine environment. In this study we aim at the characteristics of marine geographic information system, such as large-scale and time-varying datasets, the demands of high rendering efficiency and self-contained volume clipping. We intend to think through the basic computer graphics theories, to explore and research on several fundamental and important topics about the combination of volume rendering and marine GIS: ①A GPU based bounding-geometry extracting method for the valid part of the 3D data field will be proposed, which can achieve empty-space-skipping optimization for time-varying 3D data field. ②Develop the theory of virtual texture from 2D to 3D, which will be an efficient way to manage large-scale 3D data field. ③Propose a volume rendering method based on defer rendering, which can achieve clipping visualization with any kind of geometry surface, and can further enhance the time efficiency for the whole algorithm. This study will proposed a state-of-the-art volume rendering method, which can efficiently render large-scale time-varying 3D data field, and can clip the data field with any geometry surface, which will give a strong support of the visualization and analysis of the dynamic changing process of the ocean environment for marine geographic information system.

体绘制是海洋地理信息系统中对三维环境数据场进行可视化与可视分析的重要方法，但目前本领域对体绘制的研究更多是对已有基本方法的直接运用，尚不能满足海洋环境应用场景的特殊需要。本课题针对海洋地理信息系统中三维环境数据场数据量大、数据时变性强、体绘制效率要求高、剖分分析功能要求完备等特点，从底层图形原理出发，重点探索、研究体绘制与海洋地理信息系统融合的若干关键性、基础性问题：①提出一种基于GPU的有效数据包围几何体实时提取算法，实现时变数据场的空域跳过效率优化；②将虚拟纹理算法从二维拓展到三维，实现GPU驱动的大规模数据场高效率组织调度；③基于延迟渲染原理实现任意形状的体绘制剖分显示，以及整体算法集成与效率进一步优化。本课题的研究能够支撑大规模时变海洋环境三维数据场的高效率体绘制表达，并能够以任意形状的剖面对数据场进行剖分显示，可为海洋地理信息系统中海洋环境时空过程的表达与分析提供有力支撑。

体绘制是对三维栅格数据场进行科学计算可视化的重要方法，对于海洋地理信息系统中各种类型环境要素的表达和分析具有重要意义。本项目针对海洋地理信息系统中三维环境数据场数据量大、数据时变性强、体绘制效率要求高、剖分分析功能要求完备等特点进行针对性研究。主要研究内容包括：（1）基于GPU的有效数据包围几何体实时提取算法，实现时变数据场的空域跳过效率优化；（2）基于虚拟纹理原理的三维栅格场数据高效组织调度方法；（3）基于延迟渲染原理的体绘制剖分显示，以及整体算法集成与效率进一步优化。取得的研究成果包括：（1）提出并实现了一种基于GPU的中心剖分移动立方体等值面提取方法，能够使用几何着色器从时变栅格数据场中实时提取Voronoi剖分下的等值面，有效实现体绘制的加速，并能够避免边界体素的裁剪效应；（2）提出了一种具有地理参考的虚拟纹理构建方法，通过预渲染、计算着色器采样获取到所需的数据分层分块信息，实现了GPU加速的栅格数据场组织与调度；（3）利用延迟渲染架构，根据对光线投射代理几何体和裁剪面进行预渲染得到屏幕空间世界位置信息，对光线投射起始位置进行选取和优化，实现了任意形状裁剪面的体绘制剖分，并进一步提升了实时绘制效率。通过以上研究，能够有效提升体绘制方法在海洋地理信息系统中进行应用的效率和能力，为动态海洋环境的表达与分析提供支撑。