一種增強(qiáng)特征的二維流場方向性稀疏紋理合成方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于流場可視化【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種流場紋理合成方法，特別涉及一種能夠展示流場方向并增強(qiáng)流場特征的二維流場稀疏紋理合成方法。本發(fā)明主要通過輸入流場數(shù)據(jù)，構(gòu)造一個覆蓋輸入流場定義域的正交控制網(wǎng)格，計(jì)算控制網(wǎng)格中每個網(wǎng)格單元的復(fù)雜度，依據(jù)網(wǎng)格單元的相似性將控制網(wǎng)格劃分為不同的區(qū)域，計(jì)算每個區(qū)域的復(fù)雜度并將每個區(qū)域標(biāo)記為可用區(qū)域，判斷是否存在可用區(qū)域以及輸出由所有streamlet組成的流場可視化圖像等步驟實(shí)施完成。本發(fā)明方法在droplet的分布以及streamlet的計(jì)算中融入流場行為和流動模式分析，按照本發(fā)明方法計(jì)算的streamlet在展示流場模式和流動方向，增強(qiáng)流場特征的同時，還使最終的可視化圖像具有比較明顯的視覺焦點(diǎn)，達(dá)到了改善流場可視化效果的目的。
【專利說明】一種增強(qiáng)特征的二維流場方向性稀疏紋理合成方法【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種流場紋理合成方法，特別涉及一種能夠展示流場方向并增強(qiáng)流場特征的二維流場稀疏紋理合成方法，屬于流場可視化【技術(shù)領(lǐng)域】?！颈尘凹夹g(shù)】[0002]在流場可視化領(lǐng)域，線積分卷積(LIC, Line Integral Convolution)是一種合成流場紋理的基本方法。該方法將輸入流場與隨機(jī)白噪聲紋理進(jìn)行卷積操作，得到一個反映流場模式的紋理圖像，從而實(shí)現(xiàn)流場的可視化(B.Cabral, C.Leedom.1maging vector fields using line integral convolution.1n Proc.SIGGRAPH’93，1993，pp.263-270.)。 LIC方法輸出的紋理是密集紋理(dense texture),可以反應(yīng)流場模式,但是并不包含確切的流場方向信息，不能區(qū)分正向流和反向流。為此,Wegenkittl等人提出了 0LIC(0riented LIC)方法，采用斜坡類型的卷積核，將輸入流場與稀疏白噪聲紋理進(jìn)行卷積操作，得到了能夠反映流場方向信息的紋理圖像(R.ffegenkittl, E.Groller, ff.Purgathofer.Animating flow fields!rendering of oriented line integral convolution.1n Proc.Computer Animation’ 93，1997，pp.15-21.)。通過OLIC方法得到的流場紋理，實(shí)際上是由大量小細(xì)流(streamlet)組成的稀疏紋理。每個streamlet都可以看作是一個小墨滴(droplet) 沿一小段流線(steamline)流動的痕跡。由于沿著流的方向，streamlet的光亮度逐漸增加，因此OLIC能夠消除LIC在表現(xiàn)流場方向信息時的二義性。為了提高OLIC的效率，Wegenkittl 等人進(jìn)一步提出了快速繪制 OLIC (FROLIC, Fast Rendering 0LIC)方法 (R.ffegenkittl and E.Groller.Fast Oriented Line Integral Convolution for vector field visualization via the Internet.1n Proc.1EEE Visualization^?, 1997, pp.309 -316.)。[0003]OLIC和FROLIC方法的可視化效果取決于所要求的稀疏輸入紋理。稀疏輸入紋理可以看作是droplet的集合。droplet的分布將決定最終輸出的可視化圖像。為了避免遺漏流場重要特征，droplet通常是密集分布的。然而,如果droplet太密集的話,會導(dǎo)致 streamlet之間互相重疊。這不僅會引起混淆，還會模糊流場的方向信息。此外,在OLIC和 FROLIC生成的流場紋理圖像中，streamlet通常是均勻分布的。這樣的流場圖像通常缺乏視覺焦點(diǎn)，難以強(qiáng)調(diào)流場特征。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種增強(qiáng)特征的二維流場方向性稀疏紋理合成方法。借助該方法解決現(xiàn)有OLIC方法由于streamlet密集分布而缺乏 視覺焦點(diǎn)、難以強(qiáng)調(diào)流場特征的問題，從而改善流場可視化效果。[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:[0006]一種增強(qiáng)特征的二維流場方向性稀疏紋理合成方法，包括以下步驟:[0007](1)輸入流場數(shù)據(jù)；[0008](2)構(gòu)造一個覆蓋輸入流場定義域的正交控制網(wǎng)格，網(wǎng)格單元的大小按照實(shí)際需要設(shè)定；
[0009](3)計(jì)算控制網(wǎng)格中每個網(wǎng)格單元的復(fù)雜度，方法是:計(jì)算每個網(wǎng)格單元中心點(diǎn)的旋度，將旋度值的大小作為網(wǎng)格單元的復(fù)雜度；
[0010](4)基于網(wǎng)格單元的相似性，將控制網(wǎng)格劃分為不同的區(qū)域；
[0011](5)計(jì)算每個區(qū)域的復(fù)雜度，并將每個區(qū)域標(biāo)記為可用區(qū)域，區(qū)域復(fù)雜度計(jì)算方法是:將區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格單元的復(fù)雜度累積起來求平均值，將該值作為區(qū)域復(fù)雜度；
[0012](6)判斷是否存在可用區(qū)域，如果存在可用區(qū)域，則轉(zhuǎn)步驟(7)，否則轉(zhuǎn)向步驟(9)；
[0013](7)取出具有最高復(fù)雜度的可用區(qū)域，放置一個droplet，并計(jì)算相應(yīng)的streamlet，方法是:在取出的具有最高復(fù)雜度的可用區(qū)域內(nèi)，選擇在該區(qū)域內(nèi)具有最大復(fù)雜度的單元格，在該單元格的中心放置一個droplet,然后依據(jù)該droplet計(jì)算streamlet,其中streamlet的長度與droplet所在區(qū)域的復(fù)雜度成反比，streamlet的寬度沿流動方向從一個預(yù)設(shè)的初始值逐漸遞增到一個限定的上限值；
[0014](8)將步驟7中的streamlet所觸及的區(qū)域標(biāo)記為不可用區(qū)域,然后轉(zhuǎn)向步驟(6);
[0015](9)輸出由所有streamlet組成的流場可視化圖像。
[0016]有益效果
[0017]本發(fā)明所述的一種增強(qiáng)特征的二維流場方向性稀疏紋理合成方法，與現(xiàn)有流場紋理合成方法(如LIC和OLIC方法)相比，具有以下幾個方面的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn):
[0018](I)本發(fā)明方法在droplet的分布以及streamlet的計(jì)算中融入了流場行為和流動模式分析。
[0019](2)按照本發(fā)明方法建立的流場紋理圖像是稀疏的，一般在流場臨界點(diǎn)附件或者流動模式變換比較大的地方會有較多的streamlet,而在別的地方則相對比較少，從而使最終的可視化圖像具有比較明顯的視覺焦點(diǎn)，而且視覺焦點(diǎn)是與流場特征關(guān)聯(lián)在一起的。
[0020](3)按照本發(fā)明方法計(jì)算的streamlet不僅表現(xiàn)了流場的方向信息，還表現(xiàn)了流場的區(qū)域復(fù)雜度，因?yàn)閟treamlet的長度是與區(qū)域復(fù)雜度相關(guān)的，streamlet越長其附近區(qū)域的復(fù)雜度就越低，反之亦然。
[0021](4)本發(fā)明方法在展示流場模式和流動方向的同時，增強(qiáng)了流場特征的表現(xiàn)，達(dá)到了改善流場可視化效果的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1本發(fā)明方法的流程圖
[0023]圖2示例流場的LIC紋理
[0024]圖3示例流場的正交控制網(wǎng)格
[0025]圖4單元格相似性判定示意圖
[0026]圖5示例流場控制網(wǎng)格的區(qū)域劃分結(jié)果
[0027]圖6示例流場初始處理結(jié)果
[0028]圖7示例流場進(jìn)一步處理結(jié)果
[0029]圖8示例流場最終處理結(jié)果[0030]圖9本發(fā)明方法與LIC和OLIC的對比結(jié)果(第一列為LIC的結(jié)果，第二列為OLC的結(jié)果，第三列為本發(fā)明方法的結(jié)果)
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式。
[0032]圖1給出了本發(fā)明所述方法的處理流程圖，其主要步驟如下:
[0033]步驟1、輸入流場數(shù)據(jù)。
[0034]本發(fā)明采用一個二維測試流場作為實(shí)施實(shí)例。該流場的定義域?yàn)閇O, 100] X [O, 100]，按照LIC方法合成的流場紋理如圖2所示。圖2所示的LIC紋理展現(xiàn)了該流場的流場模式，但是并沒有揭示具體的流向，即沒有區(qū)分正向流與反向流。另外，LIC紋理屬于密集紋理，各個區(qū)域的光亮度差異不大，缺乏明顯的視覺焦點(diǎn)。
[0035]步驟2、構(gòu)造正交控制網(wǎng)格。
[0036]按照流場的定義域大小，構(gòu)造一個正好覆蓋流場定義域的正交控制網(wǎng)格，網(wǎng)格單元的大小按照實(shí)際需要設(shè)定。一般可以根據(jù)流場的復(fù)雜程度進(jìn)行設(shè)定，對于較復(fù)雜的流場適合使用較密集的控制網(wǎng)格。在未知流場復(fù)雜程度的情況下，可將流場的定義網(wǎng)格當(dāng)作控制網(wǎng)格使用，即令控制網(wǎng)格與流場定義網(wǎng)格相同。
[0037]對于圖2所示的示例流場，本實(shí)施例所構(gòu)造的正交控制網(wǎng)格如圖3所示，該網(wǎng)格包含69X69個網(wǎng)格單元，每個網(wǎng)格單元的大小是0.69X0.69。
[0038]步驟3、計(jì)算網(wǎng)格單元的復(fù)雜度。
[0039]計(jì)算控制網(wǎng)格中每個網(wǎng)格單元復(fù)雜度的方法是:將網(wǎng)格單元中心點(diǎn)處的旋度值的大小作為網(wǎng)格單元的復(fù)雜度。
[0040]步驟4、基于網(wǎng)格單元的相似性，將控制網(wǎng)格劃分為不同的區(qū)域。
[0041]在區(qū)域劃分時，先取出具有最大復(fù)雜度的未劃分單元格作為種子單元格，將種子單元格附近所有與它相似的單元格劃分為一個區(qū)域，然后不斷重復(fù)該過程，直到所有單元格都被劃分完畢為止。
[0042]在判斷一個單元格(以下稱為目標(biāo)單元格)是否與種子單元格相似時，需要考慮這兩個單元格間的位置關(guān)系以及這兩個單元格格心向量的方向。具體方法是:以種子單元格的格心為原點(diǎn)、格心向量為長軸方向，作一個過目標(biāo)單元格格心的橢圓，將該橢圓的短軸長度作為一個衡量這兩個單元格距離的參數(shù)，稱之為橢圓距離E ;再令這兩個單元格格心向量的夾角為α ;如果E和α滿足以下關(guān)系式
[0043]a < Ta (1-(E/Te)2)， (I)
[0044]其中Ta是預(yù)先設(shè)定的向量夾角上界，ΤΕ是預(yù)先設(shè)定的橢圓距離上界；則判定這兩個單元格是相似的，否則就是不相似的。
[0045]圖4展示了種子單元格和目標(biāo)單元格之間的相對關(guān)系以及相應(yīng)的相似性判定參數(shù)，其中:深灰色單元格為種子單元格，V是該單元格的格心向量；淺灰色單元格為目標(biāo)單元格，V是其格心向量；a是V與V'之間的夾角；E是這兩個單元格之間的橢圓距離。如果這個兩個單元格的參數(shù)滿足關(guān)系式(I )，則認(rèn)為它們是相似的，反之則不相似。
[0046]對于圖2所示的示例流場，將Ta設(shè)定為0.18，將Te設(shè)定為15倍單元格寬度值，得到的區(qū)域劃分結(jié)果如圖5所示。[0047]步驟5、計(jì)算區(qū)域復(fù)雜度，并將每個區(qū)域標(biāo)記為可用區(qū)域。
[0048]區(qū)域復(fù)雜度計(jì)算方法是:將區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格單元的復(fù)雜度累積起來求平均值，將該值作為區(qū)域復(fù)雜度。
[0049]步驟6、判斷是否存在可用區(qū)域，如果存在可用區(qū)域，則轉(zhuǎn)步驟7，否則轉(zhuǎn)向步驟9。
[0050]步驟7、取出具有最高復(fù)雜度的區(qū)域,放置droplet,計(jì)算streamlet。
[0051]具體方法是:在取出的具有最高復(fù)雜度的可用區(qū)域內(nèi)，選擇在該區(qū)域內(nèi)具有最大復(fù)雜度的單元格，在該單元格的中心放置一個droplet,然后依據(jù)該droplet計(jì)算streamlet,其中streamlet的長度與droplet所在區(qū)域的復(fù)雜度成反比，streamlet的寬度沿流動方向從一個預(yù)設(shè)的初始值逐漸遞增到一個限定的上限值。
[0052]步驟8、將步驟7中的streamlet所觸及的區(qū)域標(biāo)記為不可用區(qū)域,然后轉(zhuǎn)向步驟6。
[0053]對于圖2所示的示例流場，在得到圖5所示的控制網(wǎng)格區(qū)域劃分結(jié)果后，按照步驟7和步驟8處理后得到的初始處理結(jié)果如圖6所示，其中可用區(qū)域填充為深灰色，不可用區(qū)域填充為黑色，streamlet采用白色繪制。
[0054]在圖6的基礎(chǔ)上，繼續(xù)按照步驟7和步驟8處理而得到的進(jìn)一步結(jié)果如圖7所示。
[0055]步驟9、輸出由所有streamlet組成的可視化圖像。
[0056]對于圖2所示的示例流場，按照本實(shí)施實(shí)例所闡述的處理過程進(jìn)行處理，所得到的最終處理結(jié)果如圖8所示。該圖包含了處理過程中所計(jì)算的所有streamlet。對比，圖2和圖8，可以看到圖8不僅用少量的streamlet描繪了整個流場的模式結(jié)構(gòu)、展示了明確的流動方向，還提供了明顯的視覺焦點(diǎn)、強(qiáng)調(diào)了流場基本特征。
[0057]為了進(jìn)一步展示本發(fā)明方法的有益效果，圖9給出了本發(fā)明方法與LIC方法和OLIC方法的對比結(jié)果，其中第一列為LIC的結(jié)果，第二列為OLIC的結(jié)果，第三列是按照本發(fā)明方法的處理結(jié)果。從對比結(jié)果看，本發(fā)明方法所建立的流場圖像清晰簡潔，在表現(xiàn)流場整體結(jié)構(gòu)和流動模式的同時，還提供了明顯的視覺焦點(diǎn)，通過視覺焦點(diǎn)增強(qiáng)了流場關(guān)鍵特征的展示，使整個流場結(jié)構(gòu)一目了然。因此，本發(fā)明方法的可視化效果要優(yōu)于LIC方法和OLIC方法。
[0058]應(yīng)該理解的是，本實(shí)施方式只是本發(fā)明實(shí)施的具體實(shí)例，不應(yīng)該是本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。在不脫離本發(fā)明的精神與范圍的情況下，對上述內(nèi)容進(jìn)行等效的修改或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種增強(qiáng)特征的二維流場方向性稀疏紋理合成方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)輸入流場數(shù)據(jù)；(2)構(gòu)造一個覆蓋輸入流場定義域的正交控制網(wǎng)格，網(wǎng)格單元的大小按照實(shí)際需要設(shè)定;(3)計(jì)算控制網(wǎng)格中每個網(wǎng)格單元的復(fù)雜度，方法是:計(jì)算每個網(wǎng)格單元中心點(diǎn)的旋度，將旋度值的大小作為網(wǎng)格單元的復(fù)雜度；(4)基于網(wǎng)格單元的相似性，將控制網(wǎng)格劃分為不同的區(qū)域；(5)計(jì)算每個區(qū)域的復(fù)雜度，并將每個區(qū)域標(biāo)記為可用區(qū)域，區(qū)域復(fù)雜度計(jì)算方法是: 將區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格單元的復(fù)雜度累積起來求平均值，將該值作為區(qū)域復(fù)雜度；(6)判斷是否存在可用區(qū)域，如果存在可用區(qū)域，則轉(zhuǎn)步驟(7)，否則轉(zhuǎn)向步驟(9)；(7)取出具有最高復(fù)雜度的可用區(qū)域,放置一個droplet,并計(jì)算相應(yīng)的streamlet,方法是:在取出的具有最高復(fù)雜度的可用區(qū)域內(nèi)，選擇在該區(qū)域內(nèi)具有最大復(fù)雜度的單元格， 在該單元格的中心放置一個droplet,然后依據(jù)該droplet計(jì)算streamlet,其中streamlet 的長度與droplet所在區(qū)域的復(fù)雜度成反比，streamlet的寬度沿流動方向從一個預(yù)設(shè)的初始值逐漸遞增到一個限定的上限值；(8)將步驟7中的streamlet所觸及的區(qū)域標(biāo)記為不可用區(qū)域，然后轉(zhuǎn)向步驟(6)；(9)輸出由所有streamlet組成的流場可視化圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)計(jì)算網(wǎng)格單元復(fù)雜度的方法是: 計(jì)算每個網(wǎng)格單元中心點(diǎn)的旋度，將旋度值的大小作為網(wǎng)格單元的復(fù)雜度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(4)將控制網(wǎng)格劃分為不同區(qū)域的方法是:先取出具有最大復(fù)雜度的未劃分單元格作為種子單元格，將種子單元格附近所有與它相似的單元格劃分為一個區(qū)域，然后不斷重復(fù)該過程，直到所有單元格都被劃分完畢為止。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，判斷單元格與種子單元格是否相似的方法是:以種子單元格的格心為原點(diǎn)、格心向量為長軸方向，作一個過目標(biāo)單元格格心的橢圓，將該橢圓的短軸長度作為一個衡量這兩個單元格距離的參數(shù)E ;再令這兩個單元格格心向量的夾角為α ;如果E和α滿足以下關(guān)系式α < Ta (1-(Ε/Τε)2)其中Ta是預(yù)先設(shè)定的向量夾角上界，ΤΕ是預(yù)先設(shè)定的橢圓距離上界；則判定這兩個單元格是相似的，否則就是不相似的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(5)計(jì)算區(qū)域復(fù)雜度的方法是:將區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格單元的復(fù)雜度累積起來求平均值，將該值作為區(qū)域復(fù)雜度。
【文檔編號】G06T11/40GK103606176SQ201310606504
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】張文耀, 劉北辰, 寧建國 申請人:北京理工大學(xué)