基于多密度层次的流场可视化方法技术

本发明专利技术涉及流场研究技术领域，为实现在多密度的可视化结果中，高密度层次的结果具有较少的流线，使用者可以清晰地观察到流场的大致结构，在低密度层次的流线结果中，使用者可以观察到更多的细节。本发明专利技术采用的技术方案是，基于多密度层次的流场可视化方法，首先使用一种混合算法生成低密度的可视化结果，在该混合算法中，首先利用基于熵值的种子点选取算法保证流线的覆盖性，然后利用控制网格的方式保证流线的均匀性；最后在低密度的可视化结果上，使用基于流线属性对流线进行筛选，最终获得不同密度的可视化结果；在多密度的可视化结果中，高密度层次的结果具有较少的流线。本发明专利技术主要应用于流场研究场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及科学计算可视化，流场研究等
，具体讲,涉及基于多密度层次的流场可视化方法。
技术介绍
在大数据时代，可视化为数据处理的提供了新手段。医学、气象、仿真等领域都存在大量流场现象，从大规模复杂的实验数据中发现流场规律、清晰地观察到流场的特征是科研研究中普遍存在的问题。可视化技术可以为此提供良好的解决方法。对流场现象进行可视化是科学计算可视化领域的主流研究方向之一，已经有许多相关方面的研究，主要的研究方法包括直接可视化、基于纹理的流场可视化、基于特征的流场可视化及基于几何的流场可视化等。直接可视化一般在流场中放置采样点，通过对采样点点的矢量值进行显示，也可以采用颜色或箭头等方式来显示流场中的信息，这种方法实现简单，但不能展示数据的内在联系性。基于纹理的可视化主要使用纹理的方式来显示，常用方法有：点噪声法[1]，线卷积积分法[2]，纹理平流法[3]等，纹理的方式可以很清晰的绘制出图像细节，但是计算代价较高。基于特征的可视化主要依据流场拓扑结构来显示流场结构信息，这种方式可以简化数据量，把握流场本质，但是容易丢失流场部分信息。基于几何的流场可视化用线、面、体、几何元素描述流场，可以获得良好的视觉感知，但容易在高维情况下造成混乱与遮挡。基于几何的流场可视化主要方法是流线可视化，即根据粒子追踪来获得流场特征线。在二维和三维流场中有很多的种子点生成算法，如等距离布种策略[4]、基于流场拓扑引导的布种方法[5]、最远种子点法[6]、基于图像的种子点放置策略[7]、基于对偶流线的布种方法[8]、基于熵理论的布种方法[9]等。其中等距离布种策略直观易于理解，但由于采用局部最优的策略，无法保证全部流线在图中的均匀分布；基于流场拓扑引导的布种方法基于临界点进行种子点放置，临界点周围的特征很清晰，但不能保证流线的均匀性；最远种子点法采用的策略不适合应用于大型数据集，另外当密度增大时会出现流线不连续情况；基于图像的种子点放置策略用能量函数生成均匀流线，但耗时较长；基于对偶流线的布种方法使用了贪心算法的思想来生成流线，保证了流线的覆盖性和连续性，并且可以扩展到曲面上，但很难扩展到三维领域；基于熵理论的流线种子点选择算法使用了矢量场信息化的信息框架，以独特的视角诠释了流线生成的信息意义。此外，国内王少荣等人提出了基于出入度的布种策略[10]，定义了一个出入流差异矩阵，主要优点是解决了视觉上效果不连续问题。2014年，王少荣等人还提出了基于聚类的二维向量场可视化方法[11]。该方法有很好的鲁棒性，但仅局限于二维矢量场。在流线可视化中除了种子点选取方法之外，Gunther等人提出基于流线的优化算法[12]，这种算法先随机生成流线，然后对流线进行全局优化处理，主要优点是在保证重要的结构信息不缺失的情况下允许实时的浏览整个流场，但无法处理大规模数据集。参考文献：[1]VanWijkJJ.Spotnoisetexturesynthesisfordatavisualization[A]In：ProceedingsofACMSIGGRAPHComputerGraphics[C].LasVegas,USA：1991，25(4)∶309-318.[2]CabralB,LeedomLC.Imagingvectorfieldsusinglineintegralconvolution[A]In：Proceedingsofthe20thannualconferenceonComputergraphicsandinteractivetechniques[C].Anaheim,CA,USA：1993∶263-270.[3]MaxN,CrawfisR,WilliamsD.Visualizingwindvelocitiesbyadvectingcloudtextures[A]In：Proceedingsofthe3rdconferenceonVisualization'92[C].Boston,Massachusetts,USA；1992∶179-184.[4]JobardB,LeferW.Creatingevenly-spacedstreamlinesofarbitrarydensity[M].Austria：SpringerVienna,1997.43-55[5]VermaV,KaoD,PangA.Aflow-guidedstreamlineseedingstrategy[A]In：ProceedingsoftheconferenceonVisualization'00[C].ILosAlamitos,CA,USA：2000∶163-170.[6]MebarkiA,AlliezP,DevillersO.Farthestpointseedingforefficientplacementofstreamlines[A]In：ProceedingsofIEEEVisualization2005[C].Baltimore,Maryland.：2005∶479-486.[7]LiL,ShenHW.Image-basedstreamlinegenerationandrendering[J].VisualizationandComputerGraphics,2007,13(3)∶630-640.[8]RosanwoO,PetzC,ProhaskaS,etal.Dualstreamlineseeding[A]In：ProceedingsofPacificVisualizationSymposium[C].Beijing,China：2009∶9-16.[9]XuL,LeeTY,ShenHW.Aninformation-theoreticframeworkforflowvisualization[J].VisualizationandComputerGraphics,2010,16(6)：1216-1224.[10]王少荣，吴迪，汪国平.一种流线放置方法[J].软件学报，2012，23(2)：42-52.[11]王少荣，汪国平.基于聚类的二维向量场可视化[J].计算机辅助设计与图形学报，2014，26(10)：1593-1602.[12]GüntherT,C,TheiselH.Opacityoptimizationfor3Dlinefields[J].ACMTransactionsonGraphics(TOG),2013,32(4)∶120.
技术实现思路
为克服现有技术的不足，实现在多密度的可视化结果中，高密度层次的结果具有较少的流线，使用者可以清晰地观察到流场的大致结构，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多密度层次的流场可视化方法，其特征是，首先使用一种混合算法生成低密度的可视化结果，在该混合算法中，首先利用基于熵值的种子点选取算法保证流线的覆盖性，然后利用控制网格的方式保证流线的均匀性；最后在低密度的可视化结果上，使用基于流线属性对流线进行筛选，最终获得不同密度的可视化结果；在多密度的可视化结果中，高密度层次的结果具有较少的流线，使用者可以清晰地观察到流场的大致结构，在低密度层次的流线结果中，使用者可以观察到更多的细节。

【技术特征摘要】
1.一种基于多密度层次的流场可视化方法，其特征是，首先使用一种混合算法生成低密度的
可视化结果，在该混合算法中，首先利用基于熵值的种子点选取算法保证流线的覆盖性，
然后利用控制网格的方式保证流线的均匀性；最后在低密度的可视化结果上，使用基于流
线属性对流线进行筛选，最终获得不同密度的可视化结果；在多密度的可视化结果中，高
密度层次的结果具有较少的流线，使用者可以清晰地观察到流场的大致结构，在低密度层
次的流线结果中，使用者可以观察到更多的细节。
2.如权利要求1所述的基于多密度层次的流场可视化方法，其特征是，基于混合算法的流线
生成包括两个步骤：基于熵值的种子点选取算法和基于网格的空白域填充算法；
1.1种子选取算法
使用香农熵来选出包含临界点的种子点集合，通过选取熵值较大的点可以选出流场的
临界点：
H(X)=-ΣxP(x)log2P(x)---(1)]]>式(1)中H(X)是某一点的熵值，P(x)是在该点邻域内x这一方向出现的概率，x表
示向量的方向，通过计算可视化区域内每个点的邻域熵值来选出熵值较大的点作为种子点
来绘制流线；
种子点选取完成后，使用四阶龙格库塔方法来计算流线；
1.2空白域填充算法
空白域填充算法是将整个流场分为很多小的网格，网格的大小由用户自定义完成，而
后在生成流线时标记流线所经过的网格，然后检测相连的空白网格，用其代表空白域，然
后将每一个空白域的中心作为种子点，生成流线。然后重新计算空白域重复上述操作，当
空白域的规模低于某一阈值时，将停止绘制；
1.2.1网格标记
根据当前流线进行边界初始化和流线标记的工作：首先，对当前流场进行整个流场边
界网格的确定，假设流...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世光，宋汉戈，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12