CN114154374A - 一种基于图像的数值模拟后处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图像的数值模拟后处理方法，包括将基于有限差分的数值模拟结果或规则网格的计算结果，沿x/y/z轴方向剖切后截面直接保存为像素记录格式的图片，每个网格为对应图片中的m行m列像素，沿切片方向每个网格对应m个切片。每个网格按其原始位置对应切面图像顺序号、图片中的横向和纵向位置，数值模拟结果按照一定的规则对应到像素各通道的颜色值，生成灰度图或彩色图。数值模拟结果保存为一系列切片图片或对同一时刻的某一结果的切片图片生成动画。对任意单方向的系列切片图片进行三维显示方法，进行任意方向的剖切和选择性透明，从而实现对模拟结果的内部观察或具有不同组成部分的观察分析。

Description

一种基于图像的数值模拟后处理方法
技术领域
本发明涉及数值模拟仿真技术领域，尤其涉及一种基于图像的数值模拟后处理方法。
背景技术
数值模拟仿真是优化的普遍采用的方法。数值模拟基于对象模型的离散后的模型进行相应学科的数学偏微分物理方程求解，得到的结果以离散模型表达。数组模拟常用的离散方法有有限差分和有限元等。尤其对于有限差分网格，由于采用六面体网格，对于形状复杂和薄壁物体的模拟网格经常数据量很大，计算结果很大，使得存储需求量大，数据传输量大。而且基于图形学进行模拟结果的后处理显示大数据时缓慢、卡顿或退出，耗费内存大，对显卡要求高，对计算机性能要求高。而且显示后保存成图片的仅为部分结果，不能满足深入分析需求，如要对结果进行深入分析，还需要重新进行模拟结果的显示。
发明内容
发明目的
本发明的目的即在于应对现有技术中所存在的问题，提供一种基于图像的数值模拟后处理方法，以便提高数值模拟结果处理的独立性和效率，借助于图像处理的优势，拓展数值模拟结果分析的深度和广度。
本发明提供了一种基于图像的数值模拟后处理方法，包括以下步骤：
步骤1、将数值模拟结果分层保存成系列切片图像；
步骤2、将系列切片图像生成动画；
步骤3、基于系列切片图像进行三维重构，在三维立体模型下进行任意切面显示，采用透明处理，进行内部观察；
所述步骤1进一步包括：
基于有限差分的数值模拟结果，按x或y或z方向从一端到另一端逐层切片，并将切面保存为像素记录格式的图片，其中每个有限差分网格对应到一个像素，沿切片方向的网格编号写入对应图片的文件名中；将数值模拟结果按选取渲染色标转换为红绿蓝三个通道的颜色值，以最大值对应纯红色，最小值对应纯蓝色，转换公式分别表示为如式(1)、式(2)所示：
t<tmid:
Figure BDA0003382347860000021
t≥tmid:
Figure BDA0003382347860000022
式中ri、gi、bi分别为红、绿、蓝三通道像素值，tmax、tmin、tmid分别为模拟结果中的最大值、最小值和中间值；Smax为像素最大值，在每个颜色通道用8位表示的情况下，Smax＝255；
对于无模拟网格的像素位置，该位置的颜色设为默认的纯黑或纯白颜色作为背景色；
在每幅切片图像中扩展出区域，输出连续过度的色标条，表示颜色与模拟结果值的对应关系；色标条的颜色数量不少于10个，在旁边输出其对应模拟结果物理量的值；
将数值模拟结果的模型名称、模拟日期时间、模拟物理量名称、单位写入每幅切片图像文件；
在每幅切片图像中标记出最大模拟结果位置和最小模拟结果位置,并在切片图像中圈出对应的模拟结果最大值和最小值；
所述步骤3进一步包括：
对系列切片图像进行三维重构，在重构模型上进行任意方向的剖切和选择性透明处理，以实现对模拟结果的内部形貌观察或具有不同组成部分的观察分析；
将生成的系列切片图像按照位置编号进行堆叠，直接生成一个三维立方体，该三维对立方体能够按任意方向和步长的连续剖切，单独显示截面或显示任意一侧的剖切结果；
将背景颜色像素设置为全透明以呈现整个物体的外型轮廓信息；其他部位信息根据像素值设置不同的阈值，不同的像素值区间设置为不同的透明程度，以方便观察物体的内部信息；
对于保存矢量分量的单个切片图像，将颜色值对应于深度而设置，其中，纯红为负的最大深度，沿负方向最大突出；纯绿色深度为0，深度位置不变；纯蓝色为正的最大深度，沿正方向突出，使得单个切片图像产生凹凸效果，从而直观体现出矢量分量的方向和大小。
优选地，对所述切片图像进行平滑处理，使得图像中颜色过渡更加流畅；所述切片图像格式保存为bmp格式，或压缩为jpg、png、tiff、gif格式。
优选地，将同一断面随时间变化或同一时刻随空间变化的断面的数值模拟结果保存为系列切片，或将多幅图像处理成mpg、avi、rm、gif格式的动画。
优选地，步骤1中，对于标量结果，数值模拟物理量的结果分别对应到像素的红、绿、蓝通道值；对于矢量或张量，数值模拟结果的一个分量或合成量对应到像素的红、绿、蓝通道值。
优选地，步骤1中，像素值和模拟结果的对应关系按照单一颜色从浅到深或不同色标卡进行转换来设置。
优选地，步骤3中，选择图像堆叠的方式进行三维重构，采用VTK模块进行三维重构和选择性透明。
优选地，步骤1中，有限差分模型中每个网格被对应为m*m*m的像素阵列，该像素阵列中每个像素的取值按该网格及其周边网格插值得到的模拟结果值，根据公式(1)、(2)转换计算而得到，从而提高图像的精度。
优选地，步骤1中，沿倾斜方向切片，保存倾斜方向的系列切片，在步骤2 中保存成沿倾斜方向的动画。
附图说明
图1是本发明实施例中轮毂铸件铸造过程温度场同一时刻不同截面的温度分布图像。
图2是本发明实施例中轮毂铸件铸造过程温度场同一位置不同时刻的温度分布图像。
图3是本发明实施例中轮毂铸件铸造过程温度场同一时刻的温度分布图像的三维显示与剖切。
具体实施方式
下面参照附图来详细说明本发明所述基于图像的数值模拟后处理方法。需要申明的是，这里的说明及具体实施例只用于示例性地阐述本发明的思想和原理，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，仅展示了部分功能，而不是全部功能，它们不应被视为对本发明保护范围的限定，任何不脱离本发明灵魂和主旨的修改及替代都落入本发明的范围。
本发明所述一种基于图像的数值模拟后处理方法，包括以下步骤：
步骤1、将数值模拟结果分层保存成系列切片图像；
步骤2、将系列切片图像生成动画；
步骤3、基于系列切片图像进行三维重构，在三维立体模型下进行任意切面显示，采用透明处理，进行内部观察；
所述步骤1进一步包括：
基于有限差分的数值模拟结果，按x或y或z方向从一端到另一端逐层切片，并将切面保存为像素记录格式的图片，其中每个有限差分网格对应到一个像素，沿切片方向的网格编号写入对应图片的文件名中。将数值模拟结果按选取渲染色标转换为红绿蓝三个通道的颜色值，以最大值对应纯红色，最小值对应纯蓝色为例，转换公式为：
t<tmid:
Figure BDA0003382347860000051
t≥tmid:
Figure BDA0003382347860000052
式中,ri、gi、bi分别为红、绿、蓝三通道像素值，tmax、tmin、tmid分别为模拟结果中的最大值、最小值和中间值；Smax为像素最大值，在每个颜色通道用8位表示的情况下，Smax＝255；
对于无模拟网格的像素位置，该位置的颜色设为默认的纯黑或纯白颜色作为背景色
在每幅切片图像中扩展出区域，输出连续过度的色标条，表示颜色与模拟结果值的对应关系。色标条的颜色数量不少于10个，在旁边输出其对应模拟结果物理量的值。
将数值模拟结果的模型名称、模拟日期时间、模拟物理量名称、单位等信息写入每幅切片图像文件。
在每幅切片图像中标记出最大模拟结果位置和最小模拟结果位置。可在切片图像中圈出对应的模拟结果最大值和最小值。
所述步骤3进一步包括：
对系列切片图像进行三维重构，在重构模型上进行任意方向的剖切和选择性透明处理，以实现对模拟结果的内部形貌观察或具有不同组成部分的观察分析。
将生成的系列切片图像按照位置编号进行堆叠，直接生成一个三维立方体。对立方体可实现任意方向和步长的连续剖切，可单独显示截面，也可显示任意一侧的剖切结果。
由于背景颜色单一，将背景颜色像素设置为全透明，可以呈现整个物体的外型轮廓信息。其他部位信息可以根据像素值设置不同的阈值，不同的像素值区间设置不同的透明程度，这样方便观察物体的内部信息。
对于保存矢量分量的单个切片图像，可将颜色值对应为深度，纯红为负的最大深度，沿负方向最大突出，纯绿色深度为0，深度位置不变，而纯蓝色为正的最大深度，沿正方向突出，使得单个切片图像产生凹凸效果，从而直观体现出矢量分量的方向和大小。
实施例
实验选取了基于有限差分的轮毂铸件铸造过程温度场的温度随时间变化的结果作为输入。
选择m为1，按z方向从第一层开始到最后一层结束逐层切片，每层保存为按像素记录格式的一张图片，图像格式保存为jpg格式。每个有限差分网格为一个像素，每个有限差分网格得到温度结果按插值规则对应到相应像素的颜色值，输出图像。图1是轮毂铸件铸造过程温度场同一时刻不同截面的温度分布图像；图2是轮毂铸件铸造过程温度场同一位置不同时刻的温度分布图像。
对于非模拟网格，空白单元的图像像素设为默认的蓝色。
将随切割层连续变化的多幅图像处理保存为动画，实现动态显示。基于多个时刻有限差分的数值模拟温度结果，按z方向切片，将各时刻温度模拟结果中的同一层生成的图像文件生成动画。
对任意单方向的系列切片图片进行三维显示，进行任意方向的剖切和选择性透明，实现对模拟结果的内部观察或具有不同组成部分的观察分析。图3是本发明实施例中轮毂铸件铸造过程温度场同一时刻的温度分布图像的三维显示与剖切。
本发明所述方法可以应用于各物理量的标量或矢量或张量的单个分量和合成值的表示。像素值和模拟结果的对应关系有多种。所生成的图片结果可以脱离原数值模拟软件，从而可以不受原数值模拟软件的制约，可以重新显示旋转，剖切，进行内部观察。针对图像处理的软件使用更广泛，效率高，处理速度快。以图像记录模拟结果更为直观，可以利用图像成熟的技术进行压缩，从而降低显示结果的存储数据量，实现大规模存储。还可以利用图像处理的技术，实现最大梯度位置的自动识别，缺陷识别等，充分借用人工智能领域丰富的图像处理方法。
总之，相较于现有技术，本发明所述方法具有如下优势：
1、生成的图片结果可以脱离原数值模拟软件，从而可以不受原数值模拟软件的制约，可以重新显示旋转，剖切，进行内部观察。
2、图像处理效率高，因此该方法处理速度快。
3、同时采用图像记录模拟结果，可以利用图像处理技术进行压缩，从而降低显示结果的存储数据量，实现大规模存储。
4、可以对图像在时域和空间域进行积分处理、微分处理等，自动求解热量分布、温度变化曲线等，自动识别高温区，低温区并进行标注。
5、还可以利用图像处理技术，实现最大梯度位置的自动识别，缺陷识别等，充分借用人工智能领域丰富的图像处理方法。

Claims (8)

1.一种基于图像的数值模拟后处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将数值模拟结果分层保存成系列切片图像；
步骤2、将系列切片图像生成动画；
步骤3、基于系列切片图像进行三维重构，在三维立体模型下进行任意切面显示，采用透明处理，进行内部观察；
所述步骤1进一步包括：
基于有限差分的数值模拟结果，按x或y或z方向从一端到另一端逐层切片，并将切面保存为像素记录格式的图片，其中每个有限差分网格对应到一个像素，沿切片方向的网格编号写入对应图片的文件名中；将数值模拟结果按选取渲染色标转换为红绿蓝三个通道的颜色值，以最大值对应纯红色，最小值对应纯蓝色，转换公式分别表示为如式(1)、式(2)所示：
t<tmid:
Figure RE-FDA0003434615650000011
t≥tmid:
Figure RE-FDA0003434615650000012
式中ri、gi、bi分别为红、绿、蓝三通道像素值，tmax、tmin、tmid分别为模拟结果中的最大值、最小值和中间值；Smax为像素最大值，在每个颜色通道用8位表示的情况下，式中ri、gi、bi分别为红、绿、蓝三通道像素值，tmax、tmin、tmid分别为模拟结果中的最大值、最小值和中间值；Smax为像素最大值，在每个颜色通道用8位表示的情况下，Smax＝255；
对于无模拟网格的像素位置，该位置的颜色设为默认的纯黑或纯白颜色作为背景色；
在每幅切片图像中扩展出区域，输出连续过度的色标条，表示颜色与模拟结果值的对应关系；色标条的颜色数量不少于10个，在旁边输出其对应模拟结果物理量的值；
将数值模拟结果的模型名称、模拟日期时间、模拟物理量名称、单位写入每幅切片图像文件；
在每幅切片图像中标记出最大模拟结果位置和最小模拟结果位置,并在切片图像中圈出对应的模拟结果最大值和最小值；
所述步骤3进一步包括：
对系列切片图像进行三维重构，在重构模型上进行任意方向的剖切和选择性透明处理，以实现对模拟结果的内部形貌观察或具有不同组成部分的观察分析；
将生成的系列切片图像按照位置编号进行堆叠，直接生成一个三维立方体，该三维对立方体能够按任意方向和步长的连续剖切，单独显示截面或显示任意一侧的剖切结果；
将背景颜色像素设置为全透明以呈现整个物体的外型轮廓信息；其他部位信息根据像素值设置不同的阈值，不同的像素值区间设置为不同的透明程度，以方便观察物体的内部信息；
对于保存矢量分量的单个切片图像，将颜色值对应于深度而设置，其中，纯红为负的最大深度，沿负方向最大突出；纯绿色深度为0，深度位置不变；纯蓝色为正的最大深度，沿正方向突出，使得单个切片图像产生凹凸效果，从而直观体现出矢量分量的方向和大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像的数值模拟后处理方法，其特征在于，对所述切片图像进行平滑处理，使得图像中颜色过渡更加流畅；所述切片图像格式保存为bmp格式，或压缩为jpg、png、tiff、gif格式。
3.根据权利要求2所述的一种基于图像的数值模拟后处理方法，其特征在于，将同一断面随时间变化或同一时刻随空间变化的断面的数值模拟结果保存为系列切片，或将多幅图像处理成mpg、avi、rm、gif格式的动画。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像的数值模拟后处理方法，其特征在于，步骤1中，对于标量结果，数值模拟物理量的结果分别对应到像素的红、绿、蓝通道值；对于矢量或张量，数值模拟结果的一个分量或合成量对应到像素的红、绿、蓝通道值。
5.根据权利要求1所述的一种基于图像的数值模拟后处理方法，其特征在于，步骤1中，像素值和模拟结果的对应关系按照单一颜色从浅到深或不同色标卡进行转换来设置。
6.根据权利要求2所述的一种基于图像的数值模拟后处理方法，其特征在于，步骤3中，选择图像堆叠的方式进行三维重构，采用VTK模块进行三维重构和选择性透明。
7.根据权利要求1所述的一种基于图像的数值模拟后处理方法，其特征在于，步骤1中，有限差分模型中每个网格被对应为m*m*m的像素阵列，该像素阵列中每个像素的取值按该网格及其周边网格插值得到的模拟结果值，根据公式(1)转换计算而得到，从而提高图像的精度。
8.根据权利要求1所述的一种基于图像的数值模拟后处理方法，其特征在于，步骤1中，沿倾斜方向切片，保存倾斜方向的系列切片，在步骤2中保存成沿倾斜方向的动画。
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