CN104658027A - 一种面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋信息技术和计算机可视化领域，具体涉及一种面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算法。本发明首先建立基于不规则流场数据的四面体控制网格，通过空间分布概率的种子点生成算法和动态自适应积分步长的龙格库塔二阶积分算法，求得三维流场的流线原型。在此基础上，编写GPU绘制代码，通过几何元着色器对流线进行实时动态渲染处理，来得到能够定量表达不规则流场流速、流向等信息的动态逼真流线可视化表达。该算法可用于POM模式数据等各种不规则海洋流场模式数据、实测数据的流线、迹线等动态可视化分析表达，具有稳定性好、解决迫切实际问题可行性高的特点。

Description

一种面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算法

技术领域

本发明属于海洋信息技术和计算机可视化领域，具体涉及一种面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算法。

背景技术

美国计算机科学家布鲁斯·麦考梅克在其1987年关于科学可视化的定义之中，首次阐述了科学可视化的目标和范围：“利用计算机图形学来创建视觉图像，帮助人们理解科学技术概念或结果的那些错综复杂而又往往规模庞大的数字表现形式”。在计算机学科的分类中，利用人眼的感知能力对数据进行交互的可视表达以增强认知的技术，称为可视化。它将不可见或难以直接显示的数据转化为可感知的图形、符号、颜色、纹理等，增强数据识别效率，传递有效信息。可视化是认知的过程，即形成某个物体的感知图像，强化认知理解。因此，其终极目的是对事物规律的洞悉。可视化技术在医学、生物学、气象学、地学等领域都有着广泛的应用。将可视化技术应用于海洋学领域，对于揭示海洋现象、研究海洋动力过程具有重要作用。

    目前，数字海洋建设已经列入到“国家十二五海洋科学和技术发展规划纲要”中。纲要明确指出：“推进我国数字海洋建设，基本形成辅助决策信息支撑能力，建立公众基础信息服务、海洋管理基础信息服务和海洋环境基础信息服务等业务化应用系统。”党的十八大第一次提出“海洋强国”的概念，建设海洋强国不仅具有重要的现实意义，更具有更高层次的战略意义。国内外的新趋势对海洋科技发展提出了新的更高要求，迫切需要海洋科技加快发展，以科技创新驱动海洋经济发展，提高海洋开发、控制和综合管理能力，促进海洋经济发展方式转变和海洋事业协调发展，为建设创新型国家做出贡献。海洋流场数据集中体现了海洋动力过程的动态特征，对中大尺度海洋现象的产生、演化及动力机制研究具有重要意义。

    流场可视化的方法有很多，比如直接直接可视化、基于纹理的可视化、基于几何的可视化、基于特征的可视化、基于分区的可视化，基于几何形状的可视化是用矢量线诸如流线、迹线、脉线、时线等来显示流场数据的方法。以3D流线可视化为例,在任意一点，矢量线的方向与该点的矢量方向一致,可以清晰地表达矢量场的状态和整体特征，流线可视化技术的研究已经成为可视化研究十分活跃的课题。

    目前的流线可视化技术在流线构造的速度上,相对较慢;在流线绘制真实感的效果上,还不太理想。这些方法的效果与种子点即矢量线的起始点的位置和数量关系密切。基于几何的流线可视化方法面临的瓶颈问题有大数据集、交互、种子点、流线放置、计算时间和不规则网格、感知度等。在矢量场可视化领域中，不规则数据的三维动态可视化是一个研究难点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实现针对三维不规则流场数据的动态流线可视化算法。该算法可用于不规则矢量场数据的分析可视化研究，对模式数据、实测数据等进行流线、迹线等动态可视化表达，具有稳定性好、解决迫切实际问题可行性高的特点。

　　本发明的技术方案，面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算发，包括如下步骤：

1)        提出一种基于空间分辨率的种子点生成算法生成流线；

2)        根据不规则矢量场的数据分布，构建四面体计算网格，控制流线分布；

3)        采用高感知度的三维流线动态可视化算法，以动态三维流线的方式表达流场拓扑结构。

　　海洋及大气矢量场数据集中体现了海洋动力过程的动态特征，对中大尺度海洋现象的产生、演化及动力机制研究具有重要意义。研究海洋流场的时空连续流线可视化技术，逐步实现面向不规则流场数据三维时空连续动态可视化表达，并提取典型拓扑特征，对于透明表达海洋现象、研究海洋动力过程具有重要意义。随着海洋数据获取的手段多种多样，海洋三维体数据的格式也因此具有多源、异构的特点。尤其是在近海、河口等处，地形对流场的运动作用明显，数据采集和存储多采用拟合地形的不规则坐标系，如图1，这对流场的可视化计算带来困难。

　　本发明的有益效果在于：基于四面体结构构造控制网格，可用于不规则海洋流畅数据建模；生成基于空间分辨率的种子点能够最大限度的保证流线的长度，并覆盖整个流场区域；通过GPU中的几何着色器对流线进行动态几何变形，使流线结构清晰生动。通过颜色映射和透明度的赋值准则，不仅定性表达流场拓扑，还能定量表现流场的内部细节，因此与其他算法相比更能帮助海洋学家分析海洋。

附图说明

图1　不规则海洋流场数据结构示意图；

图2  几何着色器中流线几何生成原理；

图3  几何着色器中颜色映射示意图；

图4  算法总体流程图；

图5  三维流线算法绘制结果。

具体实施方式

　　下面结合流线生成过程和说明书附图给出本发明的具体实施方式。

基于四面体的不规则流场数据控制网格建模

　　对于不规则流场数据需要构建非结构化四面体网格。非结构化四面体网格没有规则的拓扑结构，也没有水平坐标的转换概念，因此具有灵活性。和其他结构化网格不同，除了存储各点坐标以外，还需要保存网格的几何连结关系。在初始化阶段，首先对不规则三维流场数据构建六面体网格，再将四面体剖分成6个四面体。根据用户的需求，自定义网格的分辨率，进而指导流线的分辨率，不至于太杂乱。为了加速流线计算过程的点定位，从而加速矢量插值过程，将四面体网格之间的拓扑关系保存到特定数据结构中。

对于静态环境，这种网格化建模只需执行一次。

基于空间分辨率的种子点生成策略

 关于流线的放置策略，普遍认为按照给定情况用一系列流线充满某整个区域并且流线比较均匀即满足实际要求。因此，目前对流线放置策略的质量没有明确的判断标准和定义，通常认为长流线的放置策略比短流线的质量更佳。通过确定流场中种子点的相对位置，即可确定流线放置策略。本文提出一种最长联通量的种子点放置策略，具体思路是：首先把数据预处理阶段的六面体网格作为控制网格，通过该控制网格指导流线的放置。首先对控制网格进行初始化即空，查找控制网格的最大空域，计算该空域的中心点，该点作为种子点进行流线放置，对流线经过的网格进行填充。接着在控制网格中继续查找最大空域，直到控制网格全部被填充时算法停止，该方法计算量小，可操作性强，能够自然的体现流场拓扑结构，能够获得比较理想的可视化效果。

四面体网格中点定位

 点定位问题是流场可视化中非常重要的问题，传统上普遍采用通过雅克比矩阵将曲线形网格的物理空间转换成为正交网格的计算空间中的方法来解决这一问题。本发明采用类似于法矢量算法的体积坐标法判断点与四面体的关系，避免重复计算。同样先定位到六面体，再根据体积坐标的符号关系和四面体拓扑关系定位到四面体中。任给定P(x,y,z),按有限元理论,P在四面体P1P2P3P4中的体积坐标是：

      (1)

对流线进行求解分析的必要条件是必须获取该曲线上任一点的速度，通常曲线上各点的速度都是由离散的四面体，利用插值的方法获取。本文采用体积加权平均，原理如下：对矢量场中的任意一点P，其与四面体中任意一个面构成一个新的四面体，根据构成四面体的体积坐标权重插值点的分量值。如下面公式所示：

    (2)

动态积分步长策略：

在构建流线的过程中，合理的选择积分步长将会大大提高计算精度和速度，从而节省大量的计算时间。如果选择的积分步长较小，则会造成计算次数较多，从而延长计算时间，降低计算速度。于此相反，如果步长设定较大，则会提高计算误差，从而大大降低结果的准确性。本发明采用动态步长的方法进行流线积分。步长的选取考虑两方面的因素：

1）根据速度矢量方向的变化控制积分步长

若流线上前后两点的速度矢量之间的夹角过大，表明此处流线的偏折较剧烈，就需要对积分步长进行控制。速度矢量夹角的计算公式为：

    (3)

其中，(Δxk，Δyk，Δzk)为Pk点与Pk+1点位置矢量的差；(Δxk-1，Δyk-1，Δzk-1 )为Pk-1点与Pk点位置矢量的差。则积分步长为式中和分别表示流线上相邻两点的切矢量偏转最大角和最小角。角度越小，流线偏折越小，步长相应变大；角度越大，流线偏折越剧烈，步长相应变小。

2）根据单元格的内切球半径确定积分步长

如果积分步长太小，积分次数过多，可能在同一个四面体内不停地积分，使得效率大幅度降低，在这种情况下取该四面体的内切球半径为积分步长，从而跳出该四面体单元，如下图。该方法的特点是能够有效解决流线构造过程中效率低下的问题，其基本原理是当在某个四面体网格中的积分步长过小时，可自动获取该网格的内切球半径作为新的积分步长，以达到提高运算效率、节省计算时间的目的。时间积分步长t的计算过程如下。 其中，P_x，P_y，P_z分别为点P在 x，y，z 方向上的速度。

       (4)

流线几何图形的生成：

经过积分之后的结果大体如下图所示，要想取得较好的动态表达效果，我们充分应用GPU的运算和几何变形能力。Geometry Shader（几何元着色器）是继Vertex Shader和Fragment Shader之后，由第四代显卡着色架构正式引入的第三个着色器。在OpenGL3.x中也成为核心，使图形程序开发者在可编程渲染管道下能够更大的发挥自由度。本文通过几何变形，将输入的线转变成流线管，并添加箭头，就可以表达流线的意义，同样，也可以进行其他变形，例如点、圆片、条带等。如图2，将生成的流线轨迹线进行变形，每个顶点生成垂直于线轴的8个点构成一个圆环，每个点与原始点的三维坐标偏移如下式5，其中dvector为流线轨迹某点的切向方向，圆周上的每个点偏角为。将流线轨迹中的所有点都作如上处理并作连接就能生成对应的流线管，同样道理也可以在头部生成圆锥体，使流线更加生动。

    (5)

    只是定性的表达流线分布是不能满足海洋科学研究的需求，我们在综合流速的分布，将流速信息也表达出来，也可以将海水温度信息、盐度信息按照一定的颜色分布表达出来，这样就可以定量的表达海洋信息并做比较研究，结果参考图3。除了颜色映射，我们还可以定义流线的透明度，结合系统时间更新机制，控制不同时刻的流线顶点的透明度，进而实现动态效果。这种方法尤其在表达基于时间尺度的迹线、时线可视化方面同样具有很强的应用价值。

算法流程：

算法流程如图4。

传统的三维流线生成算法通过矩阵转换来进行计算空间和物理空间的转换，精度低、效率差。本算法不仅使用四面体控制网格进行流线放置控制，提高了流场细节的表达密度，以动态形式表达和颜色映射等方式能够生动地展示流场拓扑和海洋属性，更适用于分析海洋。

基本思想是：在初始化阶段，对不规则三维流场数据构建六面体网格，再将四面体剖分成6个四面体。根据用户的需求，自定义网格的分辨率，进而指导流线的分辨率，不至于太杂乱。为了加速流线计算过程的点定位，从而加速矢量插值过程，将四面体网格之间的拓扑关系保存到特定数据结构中。

算法如下：

步骤l：设定六面体网格分辨率，将每个六面体拆分，构建四面体网格，将所有四面体单元赋给一个“空”状态，选定数据中心位置为首条流线的起始位置，转步骤2；

步骤2：以得到的点为起始点，采用二阶龙格库塔算法对流线分别向前向后积分，生成流线关键点，将生成的新的点保存至流线中，将流线经过的网格置为“满”状态，转步骤3；

步骤3：将生成的新点依照体积坐标定位到所在的四面体单元中，插值出对应的流场速度；判断改点是否处于无效值区域或速度为0，是则结束本方向的积分，直到另一方向积分也结束，保存该流线，转步骤4；否则转步骤2；

步骤4：从剩余所有空状态的网格最大联通区域中选出区域中心作为新流线的起点，转步骤2；

步骤5：遍历所有状态为空的六面体网格单元，执行步骤4；直到所有单元都为“满”转步骤6；

步骤6：将保存的所有流线附加包含几何变形、颜色映射、动态播放策略的渲染特效，转步骤7。

步骤7：结束。

至此，实现了面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算法，以中国近海POM模式流场数据为例，绘制结果如图5。

Claims (6)

1.面向不规则海洋流场数据的三维流线动态可视化算法，其特征在于，该算法包括：一种基于空间分辨率的种子点生成算法，一种针对不规则流场数据的四面体网格建模算法，一种高视觉感知度的三维流线可视化算法；其中：

（1）基于空间分辨率的种子点生成算法，用于生成流线种子起始点，控制流线之间的间距，制定流线放置策略；

（2）不规则流场数据的四面体网格建模算法，用于拟合不规则流场数据的空间结构，建立四面体网格，作为流线步长积分的单元和控制网格；

（3）高视觉感知度的三维流线可视化算法，用于将积分出的三维流线采用适合表达流场语义的方式绘制表达，提高用户的视觉信息获取。

2.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，所述种子点生成算法是基于四面体控制网格中的联通区域和空间分辨率进行的，在种子点放置过程和流线生成过程，对流线经过的控制网格进行填充，在未填充有效区域作为备选种子点区域。

3.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，所述面体网格建模算法基于四面体单元，将矢量数据场分割成四面体单元，定义邻接关系；逐步将点定位到矢量场中四面体单元内；根据定位点速度矢量方向的变化量自适应确定积分步长。

4.根据权利要求1的算法，其特征在于，所述高视觉感知度的三维流线可视化算法表达定性和部分定量的语义：线或箭头的方向表达流场流向，通过图元疏密程度、尾迹长短、图元尺寸表达，配合前景颜色、背景颜色高感知的表达流场语义信息。

5.根据权利要求1的算法，其特征在于，首先对流场矢量数据进行预处理，然后建立四面体控制网格，在运用龙格库塔四阶函数进行积分，最后对流线采用高感知度的视觉表达方式表达流场语义。

6.根据权利要求1的方法，包括以下步骤：

（1）根据流场矢量数据进行数据预处理，记录流场语义信息和无效信息；

（2）采用考虑空间分布率的种子点生成算法，放置三维流线并控制流线间距；

（3）根据不规则数据的空间结构，建立四面体网格结构，存储邻接关系；

（4）采用龙格库塔四阶积分算分对数据进行几何积分，生成流线控制点；

（5）采用高感知度的图元表达方法，提高用户体验，表达流场语义信息；

（6）编辑流线安交互参数，绘制流线，表达流场信息。