CN108573080B - 基于有效信息的流场可视化视图量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其中包括定义所述流场可视化视图中的可视化元素，用于表征流场可视化视图的几何形状；定义可视化元素的自然信息NI，用于表征可视化元素固有信息；定义可视化元素的环境因子EF，用于表征可视化元素的自然信息表达比例；根据自然信息NI与环境因子EF的积，计算可视化元素的有效信息EI；根据流场可视化视图中所有可视化元素的有效信息EI的和，计算流场可视化视图的有效信息EI_view；根据流场可视化视图的有效信息EI_view的值判断流场可视化视图的有效性。本发明能够使用具体量化方法及标准实现对流场可视化视图的量化评估，能够利用客观的数值表达和量化计算区别不同可视化视图之间的差异。

Description

基于有效信息的流场可视化视图量化方法

技术领域

本发明涉及科学计算可视化技术领域，尤其涉及一种基于有效信息的流场可视化视图量化方法。

背景技术

在目前的科学计算领域中，可视化(Visualization)是一种可以利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像显示并用于进行交互处理的技术。可视化能够将数字信息变为直观、形象的图像信息，有利于研究者进行观察和模拟。

当可视化视图客观属性上的差异比较微弱时，可视化效果并没有清晰的质量区别，仅依赖人的主观感觉对可视化视图进行有效、准确的衡量或比较是十分困难的，即主观属性在判断流场可视化视觉效果方面具有脆弱性。目前，现有的流场可视化研究主要是提出或改进可视化方法或提高计算效率，而尚且没有较好的可视化视图量化方法。

由于在一定视觉效果阈值之上的不同可视化视图，从定性的角度难以对其进行准确的对比。因此，亟需兼顾可视化视图的可用性与有效性，提出更精确有效的计算方案，用于对流场可视化视图的有效性进行更具体的量化。

发明内容

针对现有技术在可视化视图的评估和量化上的不足，本发明提供一种基于有效信息的流场可视化视图量化方法，借助可视化视图的有效信息作为可视化视图的有效性标准，并对其进行数值表达和量化计算，能够便捷而准确地比较流场不同可视化视图的水准和可视化元素放置方法的优劣。

第一方面，本发明提供一种基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其中，

步骤一：定义所述流场可视化视图中的可视化元素，用于表征所述流场可视化视图中使用的几何形状；

步骤二：定义所述可视化元素的自然信息NI，用于表征所述可视化元素的固有信息；

步骤三：定义所述可视化元素的环境因子EF，用于表征所述可视化元素在所述流场可视化视图中的所述自然信息表达的比例；

步骤四：根据所述自然信息NI与所述环境因子EF的积，计算所述可视化元素的有效信息EI；

步骤五：根据所述流场可视化视图中所有所述可视化元素的有效信息EI的和，计算所述流场可视化视图的有效信息EI_view；

步骤六：根据所述流场可视化视图的有效信息EI_view的值判断所述流场可视化视图的有效性。

可选地，上述可视化元素为直接可视化图标、几何可视化矢量图形或特征可视化流场特征。

可选地，上述可视化元素的数量是有限个所述直接可视化图标的箭头或流场拓扑视图的拓扑曲线；或无限个所述几何可视化矢量线。

可选地，上述可视化元素的自然信息NI为矢量线长度或者矢量线上各积分点变量数值、平均曲率、平均梯度、平均涡度或平均散度。

可选地，上述可视化元素的环境因子EF为流场形状、流场维度、目标矢量线附近其他矢量线数量、流场重要特征的数量和位置、或矢量线距离较近的重要特征的距离。

可选地，上述可视化元素的环境因子EF为正有理数。

可选地，上述可视化元素的有效信息EI为所述自然信息NI与所述环境因子EF的积，即

可选地，上述可视化元素的有效信息EI为所述自然信息NI与所述环境因

EI＝NI^m×EFⁿ,m＞0,n＞0

子EF的正相关关系叠加，即

可选地，上述可视化视图的有效信息EI_view为各所述可视化元素的有效信息EI的和，即

可选地，上述可视化视图的有效信息EI_view的值正相关于所述流场可视化视图的有效性。

本发明实施例提供的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，使用具体的量化方法及标准实现了对流场可视化视图的量化评估，能够利用客观的数值表达和量化计算区别不同可视化视图之间的差异，完善了现有技术中对可视化视图评估和量化的不足。

附图说明

图1a为现有技术中液体火箭发动机内部的种子点均匀分布的粒子运动流程可视化示意图；

图1b为现有技术中液体火箭发动机内部的种子点随机分布的粒子运动流程可视化示意图；

图2为本发明的基于有效信息的流场可视化视图量化方法流程图；

图3a为本发明一实施例中典型水流流经静止圆柱体的二维时变流场中某一时间片流场的图标法示意图；

图3b为本发明一实施例中典型水流流经静止圆柱体的二维时变流场中某一时间片流场的流线示意图；

图4a至4c为本发明另一实施例中典型水流流经静止圆柱体的二维时变流场时不同流线数量的可视化示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在流场可视化视图的现有技术中，对于可视化图形较为复杂、线条繁多且可视化视图客观属性差异比较微弱时，人眼对可视化图的差异并没有辨别能力，仅仅依赖人的主观感觉对可视化视图进行有效、准确的衡量或比较十分困难。图1a和图1b示出了液体火箭发动机内部的粒子运动流场可视化视图。在图1a中，在液体火箭发动机流场内部选择了一个球形子区域作为种子点的选择区域，其中种子点均匀分布；在图1b中，选择与图1a相同的液体火箭发动机流场内部的球形子区域作为种子点的选择区域，其中种子点随机分布。如图所示，人眼对图1a和图1b两者的可视化效果并没有清晰区别的能力。这种对比说明，不同可视化视图如果达到一定视觉效果水准之上，研究人员从定性角度就难以对其进行准确的对比。

本发明对可视化视图进行了量化参数定义，并基于此提供一种基于有效信息的流场可视化视图量化方法：

可视化元素(Visualization Element)：指可视化视图中使用的几何形状，例如直接可视化中的图标、几何可视化中的矢量图形、特征可视化中的流场特征等。可视化元素的数量可以是有限个，诸如直接可视化的图标法中依赖原始矢量数据的箭头、流场拓扑视图中拓扑曲线的数量等；也可以是无限个，诸如几何可视化中的矢量线。特别的，在本发明中，可视化元素仅指在当前可视化视图中显示的可视化元素。

可视化元素的自然信息(Natural Information，简记为NI)：也称作可视化元素的固有信息，指可视化元素自身拥有的，不被其他因素影响的信息和属性。例如矢量线，其自然信息包括矢量线的长度，矢量线上各积分点的变量数值、平均曲率、平均梯度、平均涡度、平均散度等信息。

可视化元素的环境因子(Environmental Factor，简记为EF)：表征环境因素对可视化元素的信息表达能力的影响。环境因子可定义为一个正的有理数。例如在几何可视化中，比较常见且易于理解的环境因素包括流场的形状与维度、一条矢量线附近一定范围内的其他矢量线的数量、流场内重要特征的数量和位置、矢量线距离较近的重要特征的距离等，环境因子是根据各个环境因素在一定标准下定义并相互作用获得的具体数值。可视化元素的环境因子也可理解为可视化元素在当前可视化视图中自然信息表达的比例，可视化元素的环境因子的数值越高，表示在当前视图中，该元素受环境对显示效果的干扰越少，反之则表示该元素的表达能力受到较多的干扰。

可视化元素的有效信息(Effective Information，简记为EI)：在当前可视化视图中，某个可视化元素可见时，该可视化元素表达的有效信息的量。由于环境因子表示的可视化元素自然信息的表达比例，因此可视化元素的有效信息定义可定义为自然信息与环境因子的积，即：

需要说明的是，此处的积运算不代表简单的乘法，而指一切合理的正相关关系的叠加，实际上等价于：

EI＝NI^m×EFⁿ,m＞0,n＞0 (2)

可视化视图的有效信息(Effective Information of Visualization View，简记为EI_view)：定义为当前视图中所有可见的可视化元素的有效信息的和。由于可视化元素环境因子的定义和可视化元素有效信息的计算过程中已经考虑了可视化元素的上下文关系对可视化元素有效信息的影响，因此可视化视图的有效信息可直接将各可视化元素的有效信息求和，即：

特别的，本发明定义的可视化元素自然信息(NI)、环境因子(EF)均为无量纲量，因此计算得到的可视化元素/视图的有效信息(EI/EI_view)也是无量纲量。可视化视图的有效信息是衡量可视化视图有效性的最终标准。

本发明提供的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其流程图如图2所示。其中，S21表示定义流场可视化视图中的可视化元素，用于表征流场可视化视图中使用的几何形状；S22表示定义可视化元素的自然信息NI，用于表征可视化元素的固有信息；S23表示定义可视化元素的环境因子EF，用于表征可视化元素在流场可视化视图中的自然信息表达的比例；S24表示根据自然信息NI与环境因子EF的积，计算可视化元素的有效信息EI；S25表示根据流场可视化视图中所有可视化元素的有效信息EI的和，计算流场可视化视图的有效信息EI_view；S26表示根据流场可视化视图的有效信息EI_view的值判断流场可视化视图的有效性。

本发明一实施例提供的基于有效信息的典型水流流经静止圆柱体的二维时变流场可视化视图的量化方法，能够在特定的可视化视图中对上述参数定义进行具体量化并计算有效信息。该典型水流流经静止圆柱体的二维时变流场由数值模拟软件gerris生成，在该流场中，水流在静止不动的固体圆柱体前分流，经过圆柱体之后合流，受内部的相互作用影响，形成互相交叉且随流动变大的涡。为便于说明与计算，本实施例仅选取其中一个时间片，该时间片流场的图标法如图3a所示，该时间片流场的流线如图3b所示。

具体的，本实施例选择流线作为参数中的“可视化元素”。

具体的，本实施例选择固定时间内流线的长度L和该长度上流线的平均曲率Curv_avr的乘积作为“可视化元素的自然信息”。其中，曲率(Curvature)的计算方式为：设曲线C是光滑的，曲线上点M对应于弧s，在点M处切线的倾角为α，曲线上另外一点N对应于弧s+Δs，在点N处切线的倾角为α+Δα，则曲线在点处的曲率为

曲率在几何上用来表示曲线弯曲的程度，曲率越大，弯曲的程度就越大。

进一步地，由于曲率可以很好地表示流线方向的变化，因此选用平均曲率作为衡量流线自然信息的主要依据，长度则用于避免流线过短导致的信息减少。实际上，L*Curv_avr这一乘积在计算中等价于在流线上每隔固定的流线长度取样，并对流线在取样点处的曲率求和。

具体的，本实施例从三方面定义“可视化元素的环境因子”。一是流场中流线的数量，记为N_stream；二是流线一定范围内其他流线的数量，但由于该数值的定义模糊，计算复杂，因此该参数使用与其他可见流线的平均距离最小值代替，记为D_min；其中，流线距离的计算方式为：在初始时刻t₀从流场内(包含边界)两个不同的点A和B出发的两个粒子p₁,p₂沿流场当前时刻的矢量进行位移，粒子p₁,p₂在t时刻(t＞t₀)所在位置的距离，称为流线在t时刻的瞬时距离。流线在时间[t₀,t₁](t₁＞t₀)内的瞬时距离的平均值，称为流线在时间[t₀,t₁]内的平均距离；三是流线距离关键特征的距离，由于在本实施例中，核心特征(涡)都在矩形的横分割中线附近，因此本实施例选择流线与该线的平均距离作为这一参数，记为D_feature。

进一步地，流线与其他流线之间的距离越大，包含的有效信息就相对较多，为计算与比较方便起见，在此选择使用简单的一阶正相关关系，即EI∝D_min；同时，如果与核心特征距离越近，对核心特征的描述作用就越大，即EI∝1/D_feature。因此，流线的环境因子可定义为D_min/(N_stream*D_feature)。

在本发明上述实施例的参数定义的基础上，典型水流流经静止圆柱体的二维时变流场可视化视图中单个流线的有效信息由式(5)获得：

EI_stream＝L*Curv_avr*D_min/(N_stream*D_feature) (5)

特别的，上式中D_feature对某些流场的特殊元素而言可能为0，在本实施例中并未出现该情况，此时满足该条件的流线具有特殊性——流线本身即为流场的特征，可以将D_feature为0的流线作为可视化视图中的固定元素来处理。

再进一步地，流线实际上是根据速度获得的点组成的折线，而非完整的曲线，计算曲率需要对数据进行大量处理，因此，在本例中使用流线上点的“方向变化角”来代替曲率。对于流线上的一点P_k，记其沿流线方向的下一点为P_k+1，记流线在P_k与P_k+1上的积分矢量分别为V_k与V_k+1，则V_k与V_k+1的方向差异，即可用来模糊表示该点处流线弯曲的程度，定义流线在P_k点的方向变化角为：

此时式(5)可转化为：

根据式(7)即可获得单条流线的有效信息，将可视化视图中流线的有效信息求和，即可求得可视化视图的有效信息。

本发明另一实施例提供了典型水流流经静止圆柱体的二维时变流场使用不同流线分布的视图。图4a，图4b，图4c分别对应流线数量为13条、11条和11条。在本实施例中，设置每条流线的积分时间步长一致，均为0.01个时间步，积分长度为7，即每条流线上都包含701个点(包括起点和终点)。图4a和图4b中的流线种子点(起始点)在x＝-0.5,y∈[-0.45,0.45]的线段上平均分布，而图4c中的种子点则以位于(-0.5,0)处的种子点为中心，向两侧的种子点距离呈等差数列分布。根据人的直观感觉，对三个流场可能有不同的偏好，但如果要衡量视图对流场描述的有效性，使用基于有效信息的可视化视图量化方法则可以获取一个明确的结果。

在本实施例中，首先将生成的各可视化视图流线以VTK标准格式导出成文本文件，导出的VTK文件主要包含三部分信息：①点信息，包含流线视图中所有流线上的点的三维坐标(在二维流场中所有点的Z轴坐标为0)；②切向量信息，包含各点上流线切向量的三维分量(在二维流场中所有切向量的Z方向分量都为0)；③流线信息，包含流线数量以及每条流线包含的点在点集合中的索引。

随后，读取组成各条流线的点坐标和各点上的切向量信息，根据式(7)，计算获得三个流场中每一条流线的∑α_p,D_min,D_feature、有效信息EI_stream和视图的有效信息EI_view。在本实施例中，三个视图中可视化元素的自然信息、环境因子和可视化视图有效信息的计算结果如表1(计算结果保留4位有效数字)：

表1实施例流场中不同可视化视图的有效信息计算结果

根据计算结果可知，在式(7)设定的评价标准下，图4b被认为能够展示更多的有效信息，图4c次之，图4a的有效信息量相对最少。

本发明提供的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，能够通过具体的有效信息的量化方法及标准实现对流场可视化视图的量化评估，能够利用客观的数值表达和量化计算区别不同可视化视图之间的差异。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：定义所述流场可视化视图中的可视化元素，用于表征所述流场可视化视图中使用的几何形状；

步骤二：定义所述可视化元素的自然信息NI，用于表征所述可视化元素自身拥有的不受外部影响的信息和属性；

步骤三：定义所述可视化元素的环境因子EF，所述环境因子EF是根据各个环境因素在一定标准下定义并相互作用获得的具体数值，用于表征所述可视化元素在所述流场可视化视图中的所述自然信息表达的比例；

步骤四：对所述自然信息NI与所述环境因子EF进行积运算，得到所述可视化元素的有效信息EI，所述积运算为正相关关系的叠加；

步骤五：根据所述流场可视化视图中所有所述可视化元素的有效信息EI的和，计算所述流场可视化视图的有效信息EI_view；

步骤六：根据所述流场可视化视图的有效信息EI_view的值判断所述流场可视化视图的有效性。

2.根据权利要求1所述的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其特征在于，所述可视化元素为直接可视化图标、几何可视化矢量图形或特征可视化流场特征。

3.根据权利要求2所述的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其特征在于，所述可视化元素是有限个直接可视化图标的箭头或流场拓扑视图的拓扑曲线；或无限个几何可视化矢量线。

4.根据权利要求1所述的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其特征在于，所述可视化元素的自然信息NI为矢量线长度，矢量线上各积分点的变量数值、平均曲率、平均梯度、平均涡度或平均散度。

5.根据权利要求1所述的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其特征在于，所述可视化元素的环境因子EF为流场形状、流场维度、目标矢量线附近其他矢量线数量、流场重要特征的数量和位置、或矢量线距离较近的重要特征的距离。

6.根据权利要求5所述的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其特征在于，所述可视化元素的环境因子EF为正有理数。

7.根据权利要求1所述的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其特征在于，所述可视化元素的有效信息EI为所述自然信息NI与所述环境因子EF的积，即

上式的积运算包括一切合理的正相关关系的叠加，即等价于：

EI＝NI^m×EFⁿ,m>0,n>0。

8.根据权利要求1所述的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其特征在于，所述可视化视图的有效信息EI_view为各所述可视化元素的有效信息EI的和，即

9.根据权利要求8所述的基于有效信息的流场可视化视图量化方法，其特征在于，所述可视化视图的有效信息EI_view的值正相关于所述流场可视化视图的有效性。

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