天文数据可视化方法、装置、计算机设备及可读存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了一种天文数据可视化方法、装置、计算机设备及可读存储介质，其中，该方法包括：将待可视化的天文浮点数据转换为像素数据存入图像文件；在图像处理器中创建粒子，初始化粒子坐标为规则网格分布，在粒子的材质中确定出粒子坐标与像素UV坐标的对应关系；读取所述图像文件，根据所述对应关系，将像素的数据赋值给对应的粒子，像素数据包括轨道参数；针对每个粒子，根据赋值所得的像素数据计算每个粒子的天文坐标；根据每个粒子的天文坐标和世界位置偏移属性，将每个粒子对应的像素偏移并显示在最终的天文坐标上。该方案通过GPU实现数据量庞大的天文数据的可视化的同时，有利于满足天文数据可视化的高精度要求。

【技术实现步骤摘要】
天文数据可视化方法、装置、计算机设备及可读存储介质
本专利技术涉及天文数据处理
，特别涉及一种天文数据可视化方法、装置、计算机设备及可读存储介质。
技术介绍
本专利技术所涉及的天文数据通常包含海量的天体数据信息，由于数量巨大，通常以粒子技术进行模拟演示。从可视化角度看，数据类型可分为外观数据和运动数据。外观数据包括天体的颜色、星等、尺寸、质量等所有可用于定义天体外观的信息，另外如磁场强度、特定物质的含量等等可量化的数据也均可定义为外观的可视化信息。定制外观相对易于实现，可通过定制多边形进行粒子替代，或者直接在粒子材质中将信息输出到自发光、颜色、不透明度等材质通道中实现。运动数据大致可以分为以下三种：动态轨道：包括椭圆轨道、抛物线轨道、近抛物线轨道等，通常行星及其卫星、绝大部分小行星、以及绝大部分人造卫星均为椭圆轨道，一部分彗星、小行星为抛物线或近抛物线轨道。这些轨道都可以用6个轨道根数来描述，包括平近点角、升交点黄经、近日点黄经、轨道倾角、偏心率、轨道半长轴，前四个根数均为角度单位，偏心率在0到1之间，决定了轨道是椭圆还是抛物线等形态，半长轴是长度单位；其中平近点角是随时间线性变化的变量，其余5个根数在常规计算中可视为常量。时序运动数据：一系列在特定时间点采样的离散数据，例如在138亿年的宇宙演化数据中，每1亿多年生成1组包含天体坐标、速度的数据，可将两段临近采样作为起始、终结值做插值计算来获得任意指定时间的天体坐标；静态天体：如恒星、梅西耶天体、河外星系等，在人类历史尺度的中短期内可视为静止，仅需将粒子定位到指定坐标即可；但在更长期的尺度仍有较小的位移变化，须将速度矢量等信息纳入运动计算，也可采用类似时序数据的插值计算；除此之外还有更复杂的天文学术领域的数据及计算方法，不在本专利技术所涉及的领域内，但以上的数据已涵盖了大部分通用应用场景，其中轨道计算涉及到了较为专业的天文计算，其中部分重要天体的轨道要求很高的精度，超出计算机的单精度甚至双精度浮点上限，为科学可视化带来较大的难度。天文数据的可视化由于其数据量庞大，通常都是在大型机上模拟，普通计算机的许多通用科学软件(包括Python平台)大多使用CPU计算，对GPU(GraphicsProcessingUnit，图形处理器)的支持有限，因此只进行小范围的模拟。而在通用GPU
，如影视动画制作软件、游戏引擎中，其GPU粒子技术大多使用动力学方式如各种力场或者约束算法来控制群体运动，更适于精确度要求较低的视觉特效领域，难以基于大规模输入科学数据来实现逐个粒子的运动控制，因此无法保证科学性，且通用GPU只能达到单浮点精度，无法满足高精度的要求。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种天文数据可视化方法，以解决现有技术中无法满足天文数据可视化的高精度要求的技术问题。该方法包括：将待可视化的天文浮点数据转换为像素数据存入图像文件；在图像处理器中创建粒子，初始化粒子坐标为规则网格分布，在粒子的材质中确定出粒子坐标与像素UV坐标的对应关系；读取所述图像文件，根据所述对应关系，将像素的像素数据赋值给对应的粒子，像素数据包括轨道参数；针对每个粒子，根据赋值所得的像素数据计算每个粒子的天文坐标；根据每个粒子的天文坐标和世界位置偏移属性，将每个粒子对应的像素偏移并显示在最终的天文坐标上。本专利技术实施例还提供了一种天文数据可视化装置，以解决现有技术中无法满足天文数据可视化的高精度要求的技术问题。该装置包括：数据转换模块，用于将待可视化的天文浮点数据转换为像素数据存入图像文件；粒子创建模块，用于在图像处理器中创建粒子，初始化粒子坐标为规则网格分布，在粒子的材质中确定出粒子坐标与像素UV坐标的对应关系；数据赋值模块，用于读取所述图像文件，根据所述对应关系，将像素的像素数据赋值给对应的粒子，像素数据包括轨道参数；天文坐标计算模块，用于针对每个粒子，根据赋值所得的像素数据计算每个粒子的天文坐标；可视化模块，用于根据每个粒子的天文坐标和世界位置偏移属性，将每个粒子对应的像素偏移并显示在最终的天文坐标上。本专利技术实施例还提供了一种计算机设备，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，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意的天文数据可视化方法，以解决现有技术中无法满足天文数据可视化的高精度要求的技术问题。本专利技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述任意的天文数据可视化方法的计算机程序，以解决现有技术中无法满足天文数据可视化的高精度要求的技术问题。在本专利技术实施例中，提出了将天文浮点数据转换为像素数据存入图像文件，然后，在图像处理器中创建粒子，初始化粒子坐标为规则网格分布，在粒子的材质中确定出粒子坐标与像素UV坐标的对应关系，进而读取图像文件，根据对应关系，将像素的像素数据赋值给对应的粒子，即可根据赋值所得的像素数据计算每个粒子的天文坐标，最后，根据每个粒子的天文坐标和世界位置偏移属性，即可将每个粒子对应的像素偏移并显示在最终的天文坐标上，实现天文数据可视化。与现有技术中通过CPU或GPU实现天文数据可视化的技术方案相比，本申请通过GPU实现数据量庞大的天文数据的可视化的同时，提出了基于像素的形式在GPU中实现实时计算和天体粒子的精确控制，使得可在通用平台的动画制作软件和游戏引擎中实现数百万天体的实时渲染；此外，以图像文件作为海量天文数据的载体，无须进行复杂的多边形建模，图像文件可一次性直接载入显存，进而在像素着色器中进行计算显示位置，并精确控制将天体的每一个像素偏移到计算所得的显示位置上，不涉及顶点计算，GPU处理过程不依赖顶点着色器(VertexShader)等其它处理管线，利用材质即可实现，图像渲染也能够达到像素级精度，有利于满足天文数据可视化的高精度要求。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的限定。在附图中：图1是本专利技术实施例提供的一种天文数据可视化方法的流程图；图2是本专利技术实施例提供的一种数据纹理的局部放大示意图；图3是本专利技术实施例提供的一种天文数据可视化场景的示意图；图4是本专利技术实施例提供的一种轨道像素偏移的示意图；。图5是本专利技术实施例提供的一种具体实施上述天文数据可视化方法的流程图；图6是本专利技术实施例提供的一种计算机设备的结构框图；图7是本专利技术实施例提供的一种天文数据可视化装置的结构框图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本专利技术做进一步详细说明。在此，本专利技术的示意性实施方式及其说明用于解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。在本专利技术实施例中，提供了一种天文数据可视化方法，如图1所示，该方法包括：步骤102：将待可视化的天文浮点数据转换为像素数据存入图像文件；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种天文数据可视化方法，其特征在于，包括：/n将待可视化的天文浮点数据转换为像素数据存入图像文件；/n在图像处理器中创建粒子，初始化粒子坐标为规则网格分布，在粒子的材质中确定出粒子坐标与像素UV坐标的对应关系；/n读取所述图像文件，根据所述对应关系，将像素的数据赋值给对应的粒子，像素数据包括轨道参数；/n针对每个粒子，根据赋值所得的像素数据计算每个粒子的天文坐标；/n根据每个粒子的天文坐标和世界位置偏移属性，将每个粒子对应的像素偏移并显示在最终的天文坐标上。/n

【技术特征摘要】
1.一种天文数据可视化方法，其特征在于，包括：
将待可视化的天文浮点数据转换为像素数据存入图像文件；
在图像处理器中创建粒子，初始化粒子坐标为规则网格分布，在粒子的材质中确定出粒子坐标与像素UV坐标的对应关系；
读取所述图像文件，根据所述对应关系，将像素的数据赋值给对应的粒子，像素数据包括轨道参数；
针对每个粒子，根据赋值所得的像素数据计算每个粒子的天文坐标；
根据每个粒子的天文坐标和世界位置偏移属性，将每个粒子对应的像素偏移并显示在最终的天文坐标上。


2.如权利要求1所述的天文数据可视化方法，其特征在于，在粒子的材质中确定出粒子坐标与像素UV坐标的对应关系，包括：
在粒子的材质中将粒子的坐标映射为UV坐标，确定出粒子的坐标与像素UV坐标的对应关系，其中，将像素UV坐标向右下偏移0.5像素。


3.如权利要求1所述的天文数据可视化方法，其特征在于，根据赋值所得的像素数据计算每个粒子的天文坐标，包括：
创建着色器函数、常量算子预计算和三角函数查表法，其中，所述着色器函数用于基于像素数据进行基础计算，常量算子预计算用于预先存储常量算子的像素数据形式的计算结果，三角函数查表法用于基于像素数据进行三角函数查表；
通过所述着色器函数、常量算子预计算和三角函数计算构建轨道公式，将每个粒子的像素数据输入轨道公式，将常量算子预计算结果和三角函数基于三角函数查表法获得的结果代入轨道公式，将轨道公式的计算结果转换为浮点数据，得到每个粒子的天文坐标。


4.如权利要求1所述的天文数据可视化方法，其特征在于，根据每个粒子的天文坐标和世界位置偏移属性，将每个粒子对应的像素偏移并显示在最终的天文坐标上，包括：
针对每个粒子，计算该粒子的多边形模型上每个像素的绝对世界位置相对该粒子中心坐标的偏移矢量；
将所述偏移矢量与该粒子的天文坐标相加，将相加结果作为最终的天文坐标，将该粒子对应的所有像素偏移并显示在最终的天文坐标上。


5.如权利要求1至4中任一项所述的天文数据可视化方法，其特征在于，还包括：
针对轨道形态的每个粒子，将该粒子以不闭合的圆环多边形进行粒子替代，中心点为原点，计算该粒子的圆环多边形上每个像素的世界坐标相对X轴正方...

【专利技术属性】
技术研发人员：席萌，韩叙，王燕平，宋宇莹，刘茜，李鹏，
申请(专利权)人：北京天文馆，
类型：发明
国别省市：北京;11