[發明專利]基于多密度層次的流場可視化方法

有效

• 申請號: 201610123731.4
• 申請日: 2016-03-04
• 公開（公告）號: CN105653881B
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發明（設計）人: 劉世光;宋漢戈
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及流場研究技術領域，為實現在多密度的可視化結果中，高密度層次的結果具有較少的流線，使用者可以清晰地觀察到流場的大致結構，在低密度層次的流線結果中，使用者可以觀察到更多的細節。本發明采用的技術方案是，基于多密度層次的流場可視化方法，首先使用一種混合算法生成低密度的可視化結果，在該混合算法中，首先利用基于熵值的種子點選取算法保證流線的覆蓋性，然后利用控制網格的方式保證流線的均勻性；最后在低密度的可視化結果上，使用基于流線屬性對流線進行篩選，最終獲得不同密度的可視化結果；在多密度的可視化結果中，高密度層次的結果具有較少的流線。本發明主要應用于流場研究場合。

技術領域

本發明涉及科學計算可視化，流場研究等技術領域，具體講,涉及基于多密度層次的流場可視化方法。

背景技術

在大數據時代，可視化為數據處理的提供了新手段。醫學、氣象、仿真等領域都存在大量流場現象，從大規模復雜的實驗數據中發現流場規律、清晰地觀察到流場的特征是科研研究中普遍存在的問題。可視化技術可以為此提供良好的解決方法。

對流場現象進行可視化是科學計算可視化領域的主流研究方向之一，已經有許多相關方面的研究，主要的研究方法包括直接可視化、基于紋理的流場可視化、基于特征的流場可視化及基于幾何的流場可視化等。直接可視化一般在流場中放置采樣點，通過對采樣點點的矢量值進行顯示，也可以采用顏色或箭頭等方式來顯示流場中的信息，這種方法實現簡單，但不能展示數據的內在聯系性。基于紋理的可視化主要使用紋理的方式來顯示，常用方法有：點噪聲法[1]，線卷積積分法[2]，紋理平流法[3]等，紋理的方式可以很清晰的繪制出圖像細節，但是計算代價較高。基于特征的可視化主要依據流場拓撲結構來顯示流場結構信息，這種方式可以簡化數據量，把握流場本質，但是容易丟失流場部分信息。基于幾何的流場可視化用線、面、體、幾何元素描述流場，可以獲得良好的視覺感知，但容易在高維情況下造成混亂與遮擋。

基于幾何的流場可視化主要方法是流線可視化，即根據粒子追蹤來獲得流場特征線。在二維和三維流場中有很多的種子點生成算法，如等距離布種策略[4]、基于流場拓撲引導的布種方法[5]、最遠種子點法[6]、基于圖像的種子點放置策略[7]、基于對偶流線的布種方法[8]、基于熵理論的布種方法[9]等。其中等距離布種策略直觀易于理解，但由于采用局部最優的策略，無法保證全部流線在圖中的均勻分布；基于流場拓撲引導的布種方法基于臨界點進行種子點放置，臨界點周圍的特征很清晰，但不能保證流線的均勻性；最遠種子點法采用的策略不適合應用于大型數據集，另外當密度增大時會出現流線不連續情況；基于圖像的種子點放置策略用能量函數生成均勻流線，但耗時較長；基于對偶流線的布種方法使用了貪心算法的思想來生成流線，保證了流線的覆蓋性和連續性，并且可以擴展到曲面上，但很難擴展到三維領域；基于熵理論的流線種子點選擇算法使用了矢量場信息化的信息框架，以獨特的視角詮釋了流線生成的信息意義。此外，國內王少榮等人提出了基于出入度的布種策略[10]，定義了一個出入流差異矩陣，主要優點是解決了視覺上效果不連續問題。2014年，王少榮等人還提出了基于聚類的二維向量場可視化方法[11]。該方法有很好的魯棒性，但僅局限于二維矢量場。在流線可視化中除了種子點選取方法之外，Gunther等人提出基于流線的優化算法[12]，這種算法先隨機生成流線，然后對流線進行全局優化處理，主要優點是在保證重要的結構信息不缺失的情況下允許實時的瀏覽整個流場，但無法處理大規模數據集。

參考文獻：

[1]Van Wijk J J.Spot noise texture synthesis for data visualization[A]In：Proceedings ofACMSIGGRAPH Computer Graphics[C].Las Vegas,USA：1991，25(4)∶309-318.