一种增强特征的二维流场方向性稀疏纹理合成方法

摘要

本发明属于流场可视化技术领域，涉及一种流场纹理合成方法，特别涉及一种能够展示流场方向并增强流场特征的二维流场稀疏纹理合成方法。本发明主要通过输入流场数据，构造一个覆盖输入流场定义域的正交控制网格，计算控制网格中每个网格单元的复杂度，依据网格单元的相似性将控制网格划分为不同的区域，计算每个区域的复杂度并将每个区域标记为可用区域，判断是否存在可用区域以及输出由所有streamlet组成的流场可视化图像等步骤实施完成。本发明方法在droplet的分布以及streamlet的计算中融入流场行为和流动模式分析，按照本发明方法计算的streamlet在展示流场模式和流动方向，增强流场特征的同时，还使最终的可视化图像具有比较明显的视觉焦点，达到了改善流场可视化效果的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种流场纹理合成方法，特别涉及一种能够展示流场方向并增 强流场特征的二维流场稀疏纹理合成方法，属于流场可视化技术领域。

背景技术

在流场可视化领域，线积分卷积（LIC，Line Integral Convolution）是一种 合成流场纹理的基本方法。该方法将输入流场与随机白噪声纹理进行卷积操作， 得到一个反映流场模式的纹理图像，从而实现流场的可视化（B.Cabral,C. Leedom.Imaging vector fields using line integral convolution.In Proc. SIGGRAPH’93,1993,pp.263-270.）。LIC方法输出的纹理是密集纹理（dense  texture），可以反应流场模式，但是并不包含确切的流场方向信息，不能区分正 向流和反向流。为此，Wegenkittl等人提出了OLIC（Oriented LIC）方法，采用 斜坡类型的卷积核，将输入流场与稀疏白噪声纹理进行卷积操作，得到了能够 反映流场方向信息的纹理图像（R.Wegenkittl,E.W.Purgathofer. Animating flow fields:rendering of oriented line integral convolution.In Proc. Computer Animation’93,1997,pp.15-21.）。通过OLIC方法得到的流场纹理，实 际上是由大量小细流（streamlet）组成的稀疏纹理。每个streamlet都可以看作是 一个小墨滴（droplet）沿一小段流线（steamline）流动的痕迹。由于沿着流的方 向，streamlet的光亮度逐渐增加，因此OLIC能够消除LIC在表现流场方向信息 时的二义性。为了提高OLIC的效率，Wegenkittl等人进一步提出了快速绘制 OLIC（FROLIC，Fast Rendering OLIC）方法（R.Wegenkittl and E.Fast  Oriented Line Integral Convolution for vector field visualization via the Internet.In  Proc.IEEE Visualization’97,1997,pp.309-316.）。

OLIC和FROLIC方法的可视化效果取决于所要求的稀疏输入纹理。稀疏输 入纹理可以看作是droplet的集合。droplet的分布将决定最终输出的可视化图像。 为了避免遗漏流场重要特征，droplet通常是密集分布的。然而，如果droplet太 密集的话，会导致streamlet之间互相重叠。这不仅会引起混淆，还会模糊流场 的方向信息。此外，在OLIC和FROLIC生成的流场纹理图像中，streamlet通常 是均匀分布的。这样的流场图像通常缺乏视觉焦点，难以强调流场特征。

发明内容

本发明的目的是提供一种增强特征的二维流场方向性稀疏纹理合成方法。 借助该方法解决现有OLIC方法由于streamlet密集分布而缺乏视觉焦点、难以 强调流场特征的问题，从而改善流场可视化效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种增强特征的二维流场方向性稀疏纹理合成方法，包括以下步骤：

（1）输入流场数据；

（2）构造一个覆盖输入流场定义域的正交控制网格，网格单元的大小按照 实际需要设定；

（3）计算控制网格中每个网格单元的复杂度，方法是：计算每个网格单元 中心点的旋度，将旋度值的大小作为网格单元的复杂度；

（4）基于网格单元的相似性，将控制网格划分为不同的区域；

（5）计算每个区域的复杂度，并将每个区域标记为可用区域，区域复杂度 计算方法是：将区域内所有网格单元的复杂度累积起来求平均值，将该值作为 区域复杂度；

（6）判断是否存在可用区域，如果存在可用区域，则转步骤（7），否则转 向步骤（9）；

（7）取出具有最高复杂度的可用区域，放置一个droplet，并计算相应的 streamlet，方法是：在取出的具有最高复杂度的可用区域内，选择在该区域内具 有最大复杂度的单元格，在该单元格的中心放置一个droplet，然后依据该droplet 计算streamlet，其中streamlet的长度与droplet所在区域的复杂度成反比， streamlet的宽度沿流动方向从一个预设的初始值逐渐递增到一个限定的上限值；

（8）将步骤7中的streamlet所触及的区域标记为不可用区域，然后转向步 骤（6）；

（9）输出由所有streamlet组成的流场可视化图像。

有益效果

本发明所述的一种增强特征的二维流场方向性稀疏纹理合成方法，与现有 流场纹理合成方法（如LIC和OLIC方法）相比，具有以下几个方面的特点和 优点：

（1）本发明方法在droplet的分布以及streamlet的计算中融入了流场行为 和流动模式分析。

（2）按照本发明方法建立的流场纹理图像是稀疏的，一般在流场临界点附 件或者流动模式变换比较大的地方会有较多的streamlet，而在别的地方则相对比 较少，从而使最终的可视化图像具有比较明显的视觉焦点，而且视觉焦点是与 流场特征关联在一起的。

（3）按照本发明方法计算的streamlet不仅表现了流场的方向信息，还表现 了流场的区域复杂度，因为streamlet的长度是与区域复杂度相关的，streamlet 越长其附近区域的复杂度就越低，反之亦然。

（4）本发明方法在展示流场模式和流动方向的同时，增强了流场特征的表 现，达到了改善流场可视化效果的目的。

附图说明

图1本发明方法的流程图

图2示例流场的LIC纹理

图3示例流场的正交控制网格

图4单元格相似性判定示意图

图5示例流场控制网格的区域划分结果

图6示例流场初始处理结果

图7示例流场进一步处理结果

图8示例流场最终处理结果

图9本发明方法与LIC和OLIC的对比结果（第一列为LIC的结果，第二 列为OLC的结果，第三列为本发明方法的结果）

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明优选的实施方式。

图1给出了本发明所述方法的处理流程图，其主要步骤如下：

步骤1、输入流场数据。

本发明采用一个二维测试流场作为实施实例。该流场的定义域为[0,100]× [0,100]，按照LIC方法合成的流场纹理如图2所示。图2所示的LIC纹理展现 了该流场的流场模式，但是并没有揭示具体的流向，即没有区分正向流与反向 流。另外，LIC纹理属于密集纹理，各个区域的光亮度差异不大，缺乏明显的视 觉焦点。

步骤2、构造正交控制网格。

按照流场的定义域大小，构造一个正好覆盖流场定义域的正交控制网格， 网格单元的大小按照实际需要设定。一般可以根据流场的复杂程度进行设定， 对于较复杂的流场适合使用较密集的控制网格。在未知流场复杂程度的情况下， 可将流场的定义网格当作控制网格使用，即令控制网格与流场定义网格相同。

对于图2所示的示例流场，本实施例所构造的正交控制网格如图3所示， 该网格包含69×69个网格单元，每个网格单元的大小是0.69×0.69。

步骤3、计算网格单元的复杂度。

计算控制网格中每个网格单元复杂度的方法是：将网格单元中心点处的旋 度值的大小作为网格单元的复杂度。

步骤4、基于网格单元的相似性，将控制网格划分为不同的区域。

在区域划分时，先取出具有最大复杂度的未划分单元格作为种子单元格， 将种子单元格附近所有与它相似的单元格划分为一个区域，然后不断重复该过 程，直到所有单元格都被划分完毕为止。

在判断一个单元格（以下称为目标单元格）是否与种子单元格相似时，需 要考虑这两个单元格间的位置关系以及这两个单元格格心向量的方向。具体方 法是：以种子单元格的格心为原点、格心向量为长轴方向，作一个过目标单元 格格心的椭圆，将该椭圆的短轴长度作为一个衡量这两个单元格距离的参数， 称之为椭圆距离E；再令这两个单元格格心向量的夹角为α；如果E和α满足 以下关系式

α＜T_α(1-(E/T_E)²)，    (1)

其中T_α是预先设定的向量夹角上界，T_E是预先设定的椭圆距离上界；则判定这 两个单元格是相似的，否则就是不相似的。

图4展示了种子单元格和目标单元格之间的相对关系以及相应的相似性判 定参数，其中：深灰色单元格为种子单元格，V是该单元格的格心向量；浅灰 色单元格为目标单元格，V′是其格心向量；α是V与V′之间的夹角；E是这两 个单元格之间的椭圆距离。如果这个两个单元格的参数满足关系式（1），则认 为它们是相似的，反之则不相似。

对于图2所示的示例流场，将T_α设定为0.18,将T_E设定为15倍单元格宽度 值，得到的区域划分结果如图5所示。

步骤5、计算区域复杂度，并将每个区域标记为可用区域。

区域复杂度计算方法是：将区域内所有网格单元的复杂度累积起来求平均 值，将该值作为区域复杂度。

步骤6、判断是否存在可用区域，如果存在可用区域，则转步骤7，否则转 向步骤9。

步骤7、取出具有最高复杂度的区域，放置droplet，计算streamlet。

具体方法是：在取出的具有最高复杂度的可用区域内，选择在该区域内具 有最大复杂度的单元格，在该单元格的中心放置一个droplet，然后依据该droplet 计算streamlet，其中streamlet的长度与droplet所在区域的复杂度成反比， streamlet的宽度沿流动方向从一个预设的初始值逐渐递增到一个限定的上限值。

步骤8、将步骤7中的streamlet所触及的区域标记为不可用区域，然后转向 步骤6。

对于图2所示的示例流场，在得到图5所示的控制网格区域划分结果后， 按照步骤7和步骤8处理后得到的初始处理结果如图6所示，其中可用区域填 充为深灰色，不可用区域填充为黑色，streamlet采用白色绘制。

在图6的基础上，继续按照步骤7和步骤8处理而得到的进一步结果如图7 所示。

步骤9、输出由所有streamlet组成的可视化图像。

对于图2所示的示例流场，按照本实施实例所阐述的处理过程进行处理， 所得到的最终处理结果如图8所示。该图包含了处理过程中所计算的所有 streamlet。对比，图2和图8，可以看到图8不仅用少量的streamlet描绘了整个 流场的模式结构、展示了明确的流动方向，还提供了明显的视觉焦点、强调了 流场基本特征。

为了进一步展示本发明方法的有益效果，图9给出了本发明方法与LIC方 法和OLIC方法的对比结果，其中第一列为LIC的结果，第二列为OLIC的结果， 第三列是按照本发明方法的处理结果。从对比结果看，本发明方法所建立的流 场图像清晰简洁，在表现流场整体结构和流动模式的同时，还提供了明显的视 觉焦点，通过视觉焦点增强了流场关键特征的展示，使整个流场结构一目了然。 因此，本发明方法的可视化效果要优于LIC方法和OLIC方法。

应该理解的是，本实施方式只是本发明实施的具体实例，不应该是本发明 保护范围的限制。在不脱离本发明的精神与范围的情况下，对上述内容进行等 效的修改或变更均应包含在本发明所要求保护的范围之内。