CN114842165A - 一种基于颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于材料颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，属于爆炸与冲击领域。本发明在重采样点上应用Blinn‑Phong光照模型，提升重采样点的明暗计算效果，使可视化图像中的交界面处颜色更加真实。将加权颜色插值应用于材料颜色的插值中，并将光照计算公式变形使其与颜色加权插值相容，解决界面颜色混淆问题，提升对爆炸场中小尺寸物体的显示精度，所得图像精细程度更高。本发明能够对爆炸与冲击数据场数据进行高精度可视化处理，绘制得到三维爆炸场体，避免爆炸场体绘制中交界面颜色混淆问题，提高实体介质中微结构绘制精度，提高对爆炸场中小尺寸物体的显示精度，提高三维爆炸场可视化效果，且能够减少运算量，加快三维爆炸场的绘制速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种爆炸场体绘制方法，尤其涉及一种改进后的基于材料颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，适用于爆炸与冲击数据场的后处理，属于爆炸与冲击领域。
背景技术
爆炸与冲击问题在国防和民用安全领域具有重要的工程实用价值，但是这类问题通常涉及瞬时、大变形、破碎和材料非线性，理论与实验研究都非常困难，因此通常使用数值模拟方法进行研究。现有的商业软件虽然能求解部分爆炸与冲击问题，但在处理复杂问题时往往受到软件计算规模的限制，难以得到较好的结果。
大量相关文献表明，多变量数据场由于自身的多样性和可视化目的的多样性，尚不存在统一的可视化算法，对具体问题应具体分析。三维爆炸场作为多变量数据场的一种特例，其中的介质类型变量使其具有与参数无关的明确的物质界面，这是与其他数据场差别最大的地方。在对三维爆炸场的可视化需求上，注重对冲击波等物理特征的提取和强化显示，但实际上在应用爆炸场体绘制方法绘制实体物质时，常常出现界面颜色混淆、实体物质微结构不清晰的问题，严重影响了科研人员对数值模拟结果的理解和判断。与此同时，随着数值模拟技术的发展，在爆炸与冲击问题的研究中，破片、射流、钢筋和混凝土等实体物质的形状、位置等信息受到越来越多的关注，这要求后处理必须进一步发展，具备更加清晰、快速地绘制实体物质界面和表现其中细微结构的能力。
发明内容
为解决现有爆炸场体绘制中交界面颜色混淆问题、实体介质中微结构绘制的精度不够的问题，本发明主要目的是提供一种基于材料颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，基于材料颜色加权插值和法向量插值实现爆炸场体绘制，避免爆炸场体绘制中交界面颜色混淆问题，提高实体介质中微结构绘制的精度，提高三维爆炸场的可视化效果，改进后计算量减小，有效加快三维爆炸场的绘制速度，更加方便于观察者对爆炸过程的记录、分析。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种基于材料颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，通过改进重采样点的明暗计算，在重采样点上应用Blinn-Phong光照模型，求出重采样点的法向量；计算重采样点的材料颜色时，先进行传递函数计算再进行插值计算。该方法将光照模型应用于重采样点，提升重采样点的明暗计算效果；将加权颜色插值应用于材料颜色的插值中，并将光照计算公式变形使其与颜色加权插值相容，解决界面颜色混淆问题，提高实体介质中微结构绘制的准确性，且能够减少运算量，有效加快三维爆炸场的绘制速度。
本发明公开的一种基于材料颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，包括如下步骤：
步骤一：在重采样点的明暗计算中应用Blinn-Phong光照模型，以中心差分计算各体素点的梯度并归一化得到法向量。
在重采样点的明暗计算中应用Blinn-Phong光照模型，以中心差分计算各体素点的梯度并归一化得到法向量。体素点梯度计算公式如公式(1)所示。
其中，
和Fl,m,n分别为体素点(l,m,n)的梯度矢量和幅值；
步骤二：利用步骤一得到的各体素点的梯度及法向量，根据线性插值法插值得到重采样点的梯度并将其归一化得到法向量。
其中，N(S)为重采样点S的法向量，
为重采样点S所在体元的8个体素点的梯度矢量，normalize(x)为矢量归一化运算，三线性插值运算记:fTrilinear(xj),j＝1,2,...,8, j＝1,2,...,8。
步骤三：由介质类型和体素点不透明度插值得到重采样点的不透明度和关联材料颜色。
在重采样点上应用Blinn-Phong光照模型，还需要知道重采样点S的材料颜色Cm,(S)。由于爆炸数据场中的体素既包含介质类型数据又包含幅值数据，重采样点的材料颜色计算分为颜色传递函数计算和插值两部分。考虑到介质类型与幅值数据相互匹配不宜分别插值，选择先进行传递函数计算再进行插值计算。重采样点的不透明度α(S)和关联材料颜色Cm,(S)均由线性插值法得到：
步骤四：将步骤三所述重采样点的不透明度α(S)和关联材料颜色Cm,(S)代入光线投射法合成公式(5)和重采样点光照计算公式(6)：
C(S)＝(ka+kd(L(S)·N(S)))Cm,(S)+ks(H(S)·N(S))n (6)
定义重采样点的关联颜色C(S)＝α(S)C(S)，重采样点的关联材料颜色Cm,(S)＝α(S)Cm,(S)，则光线投射法中像素合成公式(5)和光照计算公式(6)变形为：
C(S)＝(ka+kd(L(S)·N(S)))Cm,(S)+ks(H(S)·N(S))nα(S) (8)
步骤五：以步骤四所述光线投射法合成公式(7)为基础，引入法向量插值公式(2)得到重采样点的法向量，引入不透明度加权的材料颜色插值公式(3)和等效的光照计算公式(8)得到重采样点的颜色，并给定爆炸数据场中各体素点的材料颜色
不透明度
和幅值梯度
则得到爆炸场体绘制方程组如下：
步骤六：将步骤五所述爆炸场体绘制方程组(9)代入Blinn-Phong光照模型，即能够得到最终的可视化结果，运用Blinn-Phong光照模型处理明暗效应，使生成的图像具有三维真实感。该光照模型将反射光分为环境反射光、漫反射光、镜面反射光，其表达式为：
I(S)＝kaIa+kdId(L(S)·N(S))+ksIs(H(S)·N(S))n (10)
其中，Is为点S处的反射光光强，Ia、Id、Is分别为光源的环境光、漫射光和镜面光光强， ka、kd、ks分别为物体表面的环境光反射系数、漫反射系数和镜面反射系数；N(S)是S处表面的单位法向量、L(S)是S处指向光源的单位向量、V(S)是S处指向观察点的单位向量，H(S)是能够将入射光反射到观察者方向的标准镜面的法向量，即
n是S处的镜面反射指数。
通过步骤一步和步骤二求出重采样点的法向量，在步骤三中通过介质类型和体素点不透明度插值得到重采样点的不透明度和关联材料颜色，并将二者代入光线投射法合成公式和重采样点光照计算公式，最后在重采样点上直接应用Blinn-Phong光照模型，运用Blinn-Phong光照模型处理明暗效应，使生成的图像具有三维真实感，得到重采样点的像素值，即实现三维爆炸场体高精度绘制。
还包括步骤七：通过步骤一至步骤六对爆炸与冲击数据场数据进行高精度可视化处理，绘制得到三维爆炸场体，避免爆炸场体绘制中交界面颜色混淆问题，提高实体介质中微结构绘制的精度，提高对爆炸场中小尺寸物体的显示精度，即提高三维爆炸场的可视化效果。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，在重采样点上应用Blinn-Phong光照模型，提升重采样点的明暗计算效果，所得可视化图像中的交界面处颜色更加真实。
2、本发明公开的一种基于颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，将加权颜色插值应用于材料颜色的插值中，并将光照计算公式变形使其与颜色加权插值相容，解决界面颜色混淆问题，提升对爆炸场中小尺寸物体的显示精度，所得图像精细程度更高。
3、本发明公开的一种基于颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，能够减少运算量，在不使用高级体绘制加速技术的情况下，在绘制速度上优于改进前的爆炸场体绘制方法。
4、本发明公开的一种基于颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，能较好完成三维爆炸场中实体介质的绘制，同时不影响冲击波、爆轰产物等半透明介质的绘制，能较好实现三维数据的可视化、满足研究人员的可视化需求，具有较高的实际应用价值，对类似数据场的体绘制具有参考价值。
附图说明
图1是本发明的一种基于颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法流程图；
图2是本发明所述的光线投射法示意图；
图3是本发明所述的改进后生成的射流形成与侵彻的模拟示意图，其中图(a)为改进前的方法得到的可视化效果图，(b)为本发明所述方法得到的可视化效果图；
图4是本发明所述的改进后生成的弹体侵彻钢筋混凝土靶的模拟示意图，其中图4(a) 为改进前的方法得到的可视化效果图，(b)为本发明所述方法得到的可视化效果图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。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，都属于本发明的保护的范围。
为了验证方法的可行性，选择两个算例作为优选实例，第一个为射流形成与侵彻的模拟，第二个为弹体侵彻钢筋混凝土靶的模拟。
实施例一中：数据场大小为349×149×149。该爆炸场共有4种介质类型：介质类型1代表炸药(炸药爆轰产物),颜色值为(0,1.0,0)绿色，不透明度为0.01；介质类型2代表空气介质,颜色值为(1.0,1.0,0)黄色，不透明度为0.01；介质类型3代表靶体,颜色值为 (0,0,1.0)蓝色，不透明度为0.99；介质类型4代表金属射流,颜色值为(1.0,0,0)红色，不透明度为0.99.在该组数据的配置中,主要显示介质3和介质4,即射流与靶体；不显示介质1和介质2,即空气和爆轰产物。
实施例二中：数据场尺寸为221×221×360。该数据场共有4中介质类型：介质类型1代表钢筋，介质类型2代表弹体，介质类型3代表空气，介质类型4代表混凝土。其中，钢筋和弹体的不透明度为0.99，空气与混凝土的不透明度为0.001。
如图1所示，上述实施例公开的基于材料颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，包括如下步骤：
步骤一：在重采样点的明暗计算中应用Blinn-Phong光照模型，首先以中心差分计算各体素点的梯度并归一化得到法向量。体素点梯度计算公式如公式(1)所示。
其中，
和Fl,m,n分别为体素点(l,m,n)的梯度矢量和幅值；
步骤二：利用步骤一所述计算结果，根据线性插值法插值得到重采样点的梯度并将其归一化得到法向量。
其中，N(S)为重采样点S的法向量，
为重采样点S所在体元的8个体素点的梯度矢量，normalize(x)为矢量归一化运算，三线性插值运算记:fTrilinear(xj),j＝1,2,...,8, j＝1,2,...,8。
步骤三：由介质类型和体素点不透明度插值得到重采样点的不透明度和关联材料颜色。要在重采样点上应用Blinn-Phong光照模型，还需要知道重采样点S的材料颜色Cm,(S)。由于爆炸数据场中的体素既包含介质类型数据又包含幅值数据，重采样点的材料颜色计算可分为颜色传递函数计算和插值计算两部分。考虑到介质类型与幅值数据相互匹配不宜分别插值，选择先进行传递函数计算再进行插值计算。重采样点的不透明度α(S)和关联材料颜色 Cm,(S)均由线性插值法得到：
步骤四：将步骤三所述重采样点的不透明度α(S)和关联材料颜色Cm,(S)代入光线投射法，光线投射法示意图见图2，合成公式(5)和重采样点光照计算公式(6)：
C(S)＝(ka+kd(L(S)·N(S)))Cm,(S)+ks(H(S)·N(S))n (6)
定义重采样点的关联颜色C(S)＝α(S)C(S)，重采样点的关联材料颜色Cm,(S)＝α(S)Cm,(S)，则光线投射法中像素合成公式(5)和光照计算公式(6)可变形为：
C(S)＝(ka+kd(L(S)·N(S)))Cm,(S)+ks(H(S)·N(S))nα(S) (8)
步骤五：以步骤四所述光线投射法合成公式(7)为基础，引入法向量插值公式(2)得到重采样点的法向量，引入不透明度加权的材料颜色插值公式(3)和等效的光照计算公式(8)得到重采样点的颜色，并给定爆炸数据场中各体素点的材料颜色
不透明度
和幅值梯度
则给出体绘制流程由下述方程组表达：
步骤六：将步骤五所述方程组(9)代入Blinn-Phong光照模型，即可得到最终的可视化结果，运用Blinn-Phong光照模型处理明暗效应，可以使生成的图像具有三维真实感。该光照模型将反射光分为环境反射光、漫反射光、镜面反射光，其表达式为：
I(S)＝kaIa+kdId(L(S)·N(S))+ksIs(H(S)·N(S))n (10)
其中，Is为点S处的反射光光强，Ia、Id、Is分别为光源的环境光、漫射光和镜面光光强，ka、kd、ks分别为物体表面的环境光反射系数、漫反射系数和镜面反射系数；N(S)是S处表面的单位法向量、L(S)是S处指向光源的单位向量、V(S)是S处指向观察点的单位向量， H(S)是能够将入射光反射到观察者方向的理想镜面的法向量，即
n是S处的镜面反射指数。
实施例一和实施例一的体绘制结果见图3、图4。进前的体绘制方法的绘制结果图3(a) 中，射流(红色)与爆轰产物(绿色)的交界面出现了绿色的镀层，而本发明中体绘制方法 的绘制结果图3(b)则没有这种界面颜色混淆的现象；图4中，曲面在改进前的体绘制方法中 被绘制成了平面，完全失去了微小结构的绘制精度。而本发明提出的体绘制方法将每一处重 采样点的法向量代入光照模型进行计算，能得到更好的绘制效果，在微结构的绘制中保持了 较高的绘制精度。
表一
此外，本发明还对两个算例的体绘制性能进行了测试，测试所用电脑配置为intel(R)Cor (TM)i3-4010U CPU,主频1.70GHz,内存8GB,显卡为AMD Radeon R5 M230,操作系统为 Windows 7(64位)。结果如表格1所示。
综上所述，实验结果表明，本发明提出的一种基于颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，能够修正界面颜色混淆问题，提升对爆炸场中小尺寸物体的显示精度，所得图像精细程度更高、绘制效果更加真实；在不使用高级体绘制加速技术的情况下，在绘制速度上优于改进前的爆炸场体绘制方法。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.基于材料颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：在重采样点的明暗计算中应用Blinn-Phong光照模型，以中心差分计算各体素点的梯度并归一化得到法向量；
在重采样点的明暗计算中应用Blinn-Phong光照模型，以中心差分计算各体素点的梯度并归一化得到法向量；体素点梯度计算公式如公式(1)所示；
其中，
和Fl,m,n分别为体素点(l,m,n)的梯度矢量和幅值；
步骤二：利用步骤一得到的各体素点的梯度及法向量，根据线性插值法插值得到重采样点的梯度并将其归一化得到法向量；
其中，N(S)为重采样点S的法向量，
为重采样点S所在体元的8个体素点的梯度矢量，normalize(x)为矢量归一化运算，三线性插值运算记:fTrilinear(xj),j＝1,2,...,8,j＝1,2,...,8；
步骤三：由介质类型和体素点不透明度插值得到重采样点的不透明度和关联材料颜色；
在重采样点上应用Blinn-Phong光照模型，还需要知道重采样点S的材料颜色Cm,(S)；由于爆炸数据场中的体素既包含介质类型数据又包含幅值数据，重采样点的材料颜色计算分为颜色传递函数计算和插值两部分；考虑到介质类型与幅值数据相互匹配不宜分别插值，选择先进行传递函数计算再进行插值计算；重采样点的不透明度α(S)和关联材料颜色Cm,(S)均由线性插值法得到：
步骤四：将步骤三所述重采样点的不透明度α(S)和关联材料颜色Cm,(S)代入光线投射法合成公式(5)和重采样点光照计算公式(6)：
C(S)＝(ka+kd(L(S)·N(S)))Cm,(S)+ks(H(S)·N(S))n (6)
定义重采样点的关联颜色C(S)＝α(S)C(S)，重采样点的关联材料颜色Cm,(S)＝α(S)Cm,(S)，则光线投射法中像素合成公式(5)和光照计算公式(6)变形为：
C(S)＝(ka+kd(L(S)·N(S)))Cm,(S)+ks(H(S)·N(S))nα(S) (8)
步骤五：以步骤四所述光线投射法合成公式(7)为基础，引入法向量插值公式(2)得到重采样点的法向量，引入不透明度加权的材料颜色插值公式(3)和等效的光照计算公式(8)得到重采样点的颜色，并给定爆炸数据场中各体素点的材料颜色
不透明度
和幅值梯度
则得到爆炸场体绘制方程组如下：
步骤六：将步骤五所述爆炸场体绘制方程组(9)代入Blinn-Phong光照模型，即能够得到最终的可视化结果，运用Blinn-Phong光照模型处理明暗效应，使生成的图像具有三维真实感；该光照模型将反射光分为环境反射光、漫反射光、镜面反射光，其表达式为：
I(S)＝kaIa+kdId(L(S)·N(S))+ksIs(H(S)·N(S))n (10)
其中，Is为点S处的反射光光强，Ia、Id、Is分别为光源的环境光、漫射光和镜面光光强，ka、kd、ks分别为物体表面的环境光反射系数、漫反射系数和镜面反射系数；N(S)是S处表面的单位法向量、L(S)是S处指向光源的单位向量、V(S)是S处指向观察点的单位向量，H(S)是能够将入射光反射到观察者方向的标准镜面的法向量，即
n是S处的镜面反射指数；
通过步骤一步和步骤二求出重采样点的法向量，在步骤三中通过介质类型和体素点不透明度插值得到重采样点的不透明度和关联材料颜色，并将二者代入光线投射法合成公式和重采样点光照计算公式，最后在重采样点上直接应用Blinn-Phong光照模型，运用Blinn-Phong光照模型处理明暗效应，使生成的图像具有三维真实感，得到重采样点的像素值，即实现三维爆炸场体高精度绘制。
2.如权利要求1所述的基于材料颜色加权插值和法向量插值的爆炸场体绘制方法，其特征在于：还包括步骤七：通过步骤一至步骤六对爆炸与冲击数据场数据进行高精度可视化处理，绘制得到三维爆炸场体，避免爆炸场体绘制中交界面颜色混淆问题，提高实体介质中微结构绘制的精度，提高对爆炸场中小尺寸物体的显示精度，即提高三维爆炸场的可视化效果。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2022
- 2022-02-22 CN CN202210166097.8A patent/CN114842165B/zh active Active
Patent Citations (5)
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