[發明專利]等值面構建方法及其應用

在審

• 申請號: 201810374844.0
• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108597031A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 何曉曦;聶星超;王亞東
• 申請（專利權）人: 成都信息工程大學;西南民族大學
• 主分類號: G06T19/00
• 分類號: G06T19/00
• 代理公司: 成都賽恩斯知識產權代理事務所(普通合伙) 51212
• 代理人: 張帆

本發明公開一種等值面構建方法及其應用。針對現有技術將三維標量數據離散化成為規則的六面體或四面體產生的精度不足、環境依賴性大的技術缺陷，本發明提供一種等值面構建方法。方法首先建立三維空間數據場各層橫截面上的等值線標量函數，其次以等值線幾何中心為起點，以等值線上各點為終點作向量，再次用樣條曲線相連兩兩相鄰層的橫截面上向量終點，再次由頂層橫截面、底層橫截面、樣條曲線構成曲面線框模型，最后由曲面線框模型得到等值面。本發明還提供該方法在氣象要素動態數據場可視化、人體醫學三維空間數據場可視化中的應用。本發明方法能夠適用于不規則三維空間數據場的三維等值面提取，使用范圍廣泛。方法原理科學，過程簡便、計算量小。

技術領域

本發明涉及一種等值面構建方法及其應用，特別是涉及一種基于三維立體剖分法的三維空間等值面構建方法及其應用，屬于用于計算機制圖的3D建模領域。

背景技術

等值面的構建技術是三維空間數據場(體數據)可視化的重要組成部分。等值面可視化利用現有的、由硬件實現的畫面繪制功能構作清晰的三維空間數據場中的表面圖像，其圖形生成及變換速度較快，因而被廣泛地應用于科學及工程計算結果數據的顯示中。

現有技術中，對三維空間數據等值面的提取算法有三維標量場的Marching Cubes(MC)和Marching Tetrahedra(MT)兩種方法。MC算法的主要思想是檢測與等值面相交的體素單元并計算交點的坐標，然后對不同的相交情況利用查找表在體素單元內構建相應的網格拓撲關系。其方法過程是把三維標量數據離散化成為規則的六面體，遍歷每個六面體，在六面體每個邊上插值出等值點，然后再連接這些等值點，形成等值多邊形即等值面。作為三維重建算法中的經典算法，MC算法雖然能夠快速提取等值面，但是在多邊形連接時存在模型二義性的問題。MT算法與MC算法類似，但更為簡單，頂點的取值只有兩種不同的情況，即只有一個頂點函數值大于等值面數值(和三個頂點函數值大于等值面閾值情況對稱)和兩個頂點函數值大于等值面數值的情況，相應對于生成等值面上的一個或兩個三角形。由于四面體是最簡單的多面體，其它任何類型的多面體都可以剖分解析為四面體，因而可以廣泛適用于各類體數據。MT算法能夠解決MC算法的二義性問題，并且能夠提高等值面的提取精度，但是卻與MC算法一樣只適合用在三維空間規則分布的動態數據場中。對于不規則數據場則存在將數據場剖分為一致四面體存在復雜性，而一旦剖分的四邊形不一致，將最終導致建立的等值面不連續。在氣象領域中，由于氣壓、溫度、風場等要素的空間數據場很少可能屬于規則分布的動態數據，因而現有的MC算法、MT算法難以適用。

發明內容

本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種等值面構建方法。該方法過程簡捷，且能夠適用于不規則三維空間數據場的三維等值面提取。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種等值面構建方法，其特征在于：依如下步驟實施：

步驟S1、在三維空間數據場中繪制橫截面，建立各層橫截面上的等值線標量函數；

步驟S2、在各層橫截面上，計算等值線上各點的坐標均值，記錄為等值線幾何中心坐標；

步驟S3、在各層橫截面上，以幾何中心為起點，以等值線上各點為終點作向量，并記錄每條向量的起點、終點坐標；

步驟S4、用樣條曲線相連兩兩相鄰層的橫截面上向量終點

若相鄰橫截面上相同方向的向量有多條，用樣條曲線連接兩兩相鄰層的橫截面上相同方向對應長度的向量終點；反之用樣條曲線連接兩兩相鄰層的橫截面上方向一致的向量的終點；

步驟S5、由頂層橫截面、底層橫截面、樣條曲線構成曲面線框模型；

步驟S6、由曲面線框模型得到等值面。