一種面向不規(guī)則海洋流場數(shù)據(jù)的三維流線動態(tài)可視化算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋信息技術(shù)和計算機(jī)可視化領(lǐng)域，具體涉及一種面向不規(guī)則海洋流 場數(shù)據(jù)的三維流線動態(tài)可視化算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 美國計算機(jī)科學(xué)家布魯斯·麥考梅克在其1987年關(guān)于科學(xué)可視化的定義之中，首 次闡述了科學(xué)可視化的目標(biāo)和范圍："利用計算機(jī)圖形學(xué)來創(chuàng)建視覺圖像，幫助人們理解科 學(xué)技術(shù)概念或結(jié)果的那些錯綜復(fù)雜而又往往規(guī)模龐大的數(shù)字表現(xiàn)形式"。在計算機(jī)學(xué)科的 分類中，利用人眼的感知能力對數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的可視表達(dá)以增強(qiáng)認(rèn)知的技術(shù)，稱為可視化。 它將不可見或難以直接顯示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可感知的圖形、符號、顏色、紋理等，增強(qiáng)數(shù)據(jù)識 別效率，傳遞有效信息?？梢暬钦J(rèn)知的過程，即形成某個物體的感知圖像，強(qiáng)化認(rèn)知理解。 因此，其終極目的是對事物規(guī)律的洞悉?？梢暬夹g(shù)在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、氣象學(xué)、地學(xué)等領(lǐng)域都 有著廣泛的應(yīng)用。將可視化技術(shù)應(yīng)用于海洋學(xué)領(lǐng)域，對于揭示海洋現(xiàn)象、研究海洋動力過程 具有重要作用。
[0003] 目前，數(shù)字海洋建設(shè)已經(jīng)列入到"國家十二五海洋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要"中。 綱要明確指出："推進(jìn)我國數(shù)字海洋建設(shè)，基本形成輔助決策信息支撐能力，建立公眾基礎(chǔ) 信息服務(wù)、海洋管理基礎(chǔ)信息服務(wù)和海洋環(huán)境基礎(chǔ)信息服務(wù)等業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)。"黨的十八 大第一次提出"海洋強(qiáng)國"的概念，建設(shè)海洋強(qiáng)國不僅具有重要的現(xiàn)實意義，更具有更高層 次的戰(zhàn)略意義。國內(nèi)外的新趨勢對海洋科技發(fā)展提出了新的更高要求，迫切需要海洋科技 加快發(fā)展，以科技創(chuàng)新驅(qū)動海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高海洋開發(fā)、控制和綜合管理能力，促進(jìn)海洋 經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和海洋事業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，為建設(shè)創(chuàng)新型國家做出貢獻(xiàn)。海洋流場數(shù)據(jù)集中 體現(xiàn)了海洋動力過程的動態(tài)特征，對中大尺度海洋現(xiàn)象的產(chǎn)生、演化及動力機(jī)制研究具有 重要意義。
[0004] 流場可視化的方法有很多，比如直接直接可視化、基于紋理的可視化、基于幾何的 可視化、基于特征的可視化、基于分區(qū)的可視化，基于幾何形狀的可視化是用矢量線諸如流 線、跡線、脈線、時線等來顯示流場數(shù)據(jù)的方法。以3D流線可視化為例，在任意一點(diǎn)，矢量 線的方向與該點(diǎn)的矢量方向一致，可以清晰地表達(dá)矢量場的狀態(tài)和整體特征，流線可視化 技術(shù)的研究已經(jīng)成為可視化研究十分活躍的課題。
[0005] 目前的流線可視化技術(shù)在流線構(gòu)造的速度上，相對較慢；在流線繪制真實感的效 果上，還不太理想。這些方法的效果與種子點(diǎn)即矢量線的起始點(diǎn)的位置和數(shù)量關(guān)系密切。 基于幾何的流線可視化方法面臨的瓶頸問題有大數(shù)據(jù)集、交互、種子點(diǎn)、流線放置、計算時 間和不規(guī)則網(wǎng)格、感知度等。在矢量場可視化領(lǐng)域中，不規(guī)則數(shù)據(jù)的三維動態(tài)可視化是一個 研究難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種實現(xiàn)針對三維不規(guī)則流場數(shù)據(jù)的動態(tài)流線可視化算 法。該算法可用于不規(guī)則矢量場數(shù)據(jù)的分析可視化研究，對模式數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)等進(jìn)行流 線、跡線等動態(tài)可視化表達(dá)，具有穩(wěn)定性好、解決迫切實際問題可行性高的特點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案，面向不規(guī)則海洋流場數(shù)據(jù)的三維流線動態(tài)可視化算發(fā)，包括 如下步驟： 1) 提出一種基于空間分辨率的種子點(diǎn)生成算法生成流線； 2) 根據(jù)不規(guī)則矢量場的數(shù)據(jù)分布，構(gòu)建四面體計算網(wǎng)格，控制流線分布； 3) 采用高感知度的三維流線動態(tài)可視化算法，以動態(tài)三維流線的方式表達(dá)流場拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)。
[0008] 海洋及大氣矢量場數(shù)據(jù)集中體現(xiàn)了海洋動力過程的動態(tài)特征，對中大尺度海洋現(xiàn) 象的產(chǎn)生、演化及動力機(jī)制研究具有重要意義。研究海洋流場的時空連續(xù)流線可視化技術(shù)， 逐步實現(xiàn)面向不規(guī)則流場數(shù)據(jù)三維時空連續(xù)動態(tài)可視化表達(dá)，并提取典型拓?fù)涮卣鳎瑢τ?透明表達(dá)海洋現(xiàn)象、研究海洋動力過程具有重要意義。隨著海洋數(shù)據(jù)獲取的手段多種多樣， 海洋三維體數(shù)據(jù)的格式也因此具有多源、異構(gòu)的特點(diǎn)。尤其是在近海、河口等處，地形對流 場的運(yùn)動作用明顯，數(shù)據(jù)采集和存儲多采用擬合地形的不規(guī)則坐標(biāo)系，如圖1，這對流場的 可視化計算帶來困難。
[0009] 本發(fā)明的有益效果在于：基于四面體結(jié)構(gòu)構(gòu)造控制網(wǎng)格，可用于不規(guī)則海洋流暢 數(shù)據(jù)建模；生成基于空間分辨率的種子點(diǎn)能夠最大限度的保證流線的長度，并覆蓋整個流 場區(qū)域；通過GPU中的幾何著色器對流線進(jìn)行動態(tài)幾何變形，使流線結(jié)構(gòu)清晰生動。通過顏 色映射和透明度的賦值準(zhǔn)則，不僅定性表達(dá)流場拓?fù)洌€能定量表現(xiàn)流場的內(nèi)部細(xì)節(jié)，因此 與其他算法相比更能幫助海洋學(xué)家分析海洋。
【附圖說明】
[0010] 圖1不規(guī)則海洋流場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2幾何著色器中流線幾何生成原理； 圖3幾何著色器中顏色映射示意圖； 圖4算法總體流程圖； 圖5三維流線算法繪制結(jié)果。
【具體實施方式】
[0011] 下面結(jié)合流線生成過程和說明書附圖給出本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0012] 基于四面體的不規(guī)則流場數(shù)據(jù)控制網(wǎng)格建模 對于不規(guī)則流場數(shù)據(jù)需要構(gòu)建非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格沒有規(guī)則的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也沒有水平坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換概念，因此具有靈活性。和其他結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不同，除了存 儲各點(diǎn)坐標(biāo)以外，還需要保存網(wǎng)格的幾何連結(jié)關(guān)系。在初始化階段，首先對不規(guī)則三維流場 數(shù)據(jù)構(gòu)建六面體網(wǎng)格，再將四面體剖分成6個四面體。根據(jù)用戶的需求，自定義網(wǎng)格的分辨 率，進(jìn)而指導(dǎo)流線的分辨率，不至于太雜亂。為了加速流線計算過程的點(diǎn)定位，從而加速矢 量插值過程，將四面體網(wǎng)格之間的拓?fù)潢P(guān)系保存到特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
[0013] 對于靜態(tài)環(huán)境，這種網(wǎng)格化建模只需執(zhí)行一次。
[0014] 基于空間分辨率的種子點(diǎn)生成策略 關(guān)于流線的放置策略，普遍認(rèn)為按照給定情況用一系列流線充滿某整個區(qū)域并且流線 比較均勻即滿足實際要求。因此，目前對流線放置策略的質(zhì)量沒有明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)和定義， 通常認(rèn)為長流線的放置策略比短流線的質(zhì)量更佳。通過確定流場中種子點(diǎn)的相對位置，即 可確定流線放置策略。本文提出一種最長聯(lián)通量的種子點(diǎn)放置策略，具體思路是：首先把 數(shù)據(jù)預(yù)處理階段的六面體網(wǎng)格作為控制網(wǎng)格，通過該控制網(wǎng)格指導(dǎo)流線的放置。首先對控 制網(wǎng)格進(jìn)行初始化即空，查找控制網(wǎng)格的最大空域，計算該空域的中心點(diǎn)，該點(diǎn)作為種子點(diǎn) 進(jìn)行流線放置，對流線經(jīng)過的網(wǎng)格進(jìn)行填充。接著在控制網(wǎng)格中繼續(xù)查找最大空域，直到控 制網(wǎng)格全部被填充時算法停止，該方法計算量小，可操作性強(qiáng)，能夠自然的體現(xiàn)流場拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)，能夠獲得比較理想的可視化效果。
[0015] 四面體網(wǎng)格中點(diǎn)定位 點(diǎn)定位問題是流場可視化中非常重要的問題，傳統(tǒng)上普遍采用通過雅克比矩陣將曲線 形網(wǎng)格的物理空間轉(zhuǎn)換成為正交網(wǎng)格的計算空間中的方法來解決這一問題。本發(fā)明采用類 似于法矢量算法的體積坐標(biāo)法判斷點(diǎn)與四面體的關(guān)系，避免重復(fù)計算。同樣先定位到六面 體，再根據(jù)體積坐標(biāo)的符號關(guān)系和四面體拓?fù)潢P(guān)系定位到四面體中。任給定P (x，y，z)，按 有限元理論，P在四面體P1P2P3P4中的體積坐標(biāo)是：
【主權(quán)項】
1. 面向不規(guī)則海洋流場數(shù)據(jù)的三維流線動態(tài)可視化算法，其特征在于，該算法包括： 一種基于空間分辨率的種子點(diǎn)生成算法，一種針對不規(guī)則流場數(shù)據(jù)的四面體網(wǎng)格建模算 法，一種高視覺感知度的三維流線可視化算法；其中： (1) 基于空間分辨率的種子點(diǎn)生成算法，用于生成流線種子起始點(diǎn)，控制流線之間的間 距，制定流線放置策略； (2) 不規(guī)則流場數(shù)據(jù)的四面體網(wǎng)格建模算法，用于擬合不規(guī)則流場數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)，建 立四面體網(wǎng)格，作為流線步長積分的單元和控制網(wǎng)格； (3) 高視覺感知度的三維流線可視化算法，用于將積分出的三維流線采用適合表達(dá)流 場語義的方式繪制表達(dá)，提高用戶的視覺信息獲取。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的算法，其特征在于，所述種子點(diǎn)生成算法是基于四面體控制 網(wǎng)格中的聯(lián)通區(qū)域和空間分辨率進(jìn)行的，在種子點(diǎn)放置過程和流線生成過程，對流線經(jīng)過 的控制網(wǎng)格進(jìn)行填充，在未填充有效區(qū)域作為備選種子點(diǎn)區(qū)域。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的算法，其特征在于，所述面體網(wǎng)格建模算法基于四面體單元， 將矢量數(shù)據(jù)場分割成四面體單元，定義鄰接關(guān)系；逐步將點(diǎn)定位到矢量場中四面體單元內(nèi)； 根據(jù)定位點(diǎn)速度矢量方向的變化量自適應(yīng)確定積分步長。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的算法，其特征在于，所述高視覺感知度的三維流線可視化算法表 達(dá)定性和部分定量的語義：線或箭頭的方向表達(dá)流場流向，通過圖元疏密程度、尾跡長短、 圖元尺寸表達(dá)，配合前景顏色、背景顏色高感知的表達(dá)流場語義信息。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的算法，其特征在于，首先對流場矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后建立四 面體控制網(wǎng)格，在運(yùn)用龍格庫塔四階函數(shù)進(jìn)行積分，最后對流線采用高感知度的視覺表達(dá) 方式表達(dá)流場語義。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括以下步驟： (1) 根據(jù)流場矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，記錄流場語義信息和無效信息； (2) 采用考慮空間分布率的種子點(diǎn)生成算法，放置三維流線并控制流線間距； (3) 根據(jù)不規(guī)則數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)，建立四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，存儲鄰接關(guān)系； (4) 采用龍格庫塔四階積分算分對數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何積分，生成流線控制點(diǎn)； (5) 采用高感知度的圖元表達(dá)方法，提高用戶體驗，表達(dá)流場語義信息； (6) 編輯流線安交互參數(shù)，繪制流線，表達(dá)流場信息。
【專利摘要】本發(fā)明屬于海洋信息技術(shù)和計算機(jī)可視化領(lǐng)域，具體涉及一種面向不規(guī)則海洋流場數(shù)據(jù)的三維流線動態(tài)可視化算法。本發(fā)明首先建立基于不規(guī)則流場數(shù)據(jù)的四面體控制網(wǎng)格，通過空間分布概率的種子點(diǎn)生成算法和動態(tài)自適應(yīng)積分步長的龍格庫塔二階積分算法，求得三維流場的流線原型。在此基礎(chǔ)上，編寫GPU繪制代碼，通過幾何元著色器對流線進(jìn)行實時動態(tài)渲染處理，來得到能夠定量表達(dá)不規(guī)則流場流速、流向等信息的動態(tài)逼真流線可視化表達(dá)。該算法可用于POM模式數(shù)據(jù)等各種不規(guī)則海洋流場模式數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)的流線、跡線等動態(tài)可視化分析表達(dá)，具有穩(wěn)定性好、解決迫切實際問題可行性高的特點(diǎn)。
【IPC分類】G06T13-60
【公開號】CN104658027
【申請?zhí)枴緾N201510070179
【發(fā)明人】紀(jì)鵬波, 陳戈, 田豐林, 蘇琪
【申請人】中國海洋大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月11日