CN115859755A

CN115859755A - 一种定常流场矢量数据的可视化方法、装置、设备及介质

Info

Publication number: CN115859755A
Application number: CN202310129960.7A
Authority: CN
Inventors: 赵丹; 陈锴; 杨超; 陈呈; 黄政斌
Original assignee: Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2023-02-17
Filing date: 2023-02-17
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2043-02-17
Also published as: CN115859755B

Abstract

本申请公开了一种定常流场矢量数据的可视化方法、装置、设备及介质，涉及可视化技术领域，包括：在定常流场中，基于流场空间信息和流场速度确定出粒子的单步运动时长，并基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小；获取流线轨迹中的流线点位置信息，并基于流线点位置信息、单步运动时长和预设运动速度确定出粒子每一步的轨迹位置，以及基于轨迹位置确定出粒子的运动轨迹；按照粒子大小对粒子进行图元化以得到图元化粒子，并基于运动轨迹利用预设动态更新算法对图元化粒子的位置进行动态更新。通过流场数据计算粒子的单步运动时长和大小以及确定出运动轨迹，然后对粒子图元化并实现位置的动态更新以生成易于观察的粒子动画效果。

Description

一种定常流场矢量数据的可视化方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及可视化技术领域，特别涉及一种定常流场矢量数据的可视化方法、装置、设备及介质。

背景技术

随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，数值模拟广泛应用于各个领域，但产生的数据规模越来越大甚至达到PB~EB量级，因此如何从大规模复杂数据中高效提取有用信息，已然成为亟待攻克的问题。研究表明，图像是人类接收信息最快速、最直观的方法，于是科学可视化应运而生。科学可视化就是应用计算机图像学相关方法和一般图像学的原理、方法、技术，将本来以数值形式表达的数据信息转化为图像、图形或动画的形式、直观形象展示数据内部的特性和本质，帮助科研人员高效地分析和理解其中的规律。流场数值模拟仿真作为数值模拟中重要的分支之一，在航空航天、交通运输、生命科学与医疗、生态环境与气候等领域都有广泛应用前景，当前流场可视化已成为科学可视化的一个重要研究方向。对于流场数据，根据数据类型可以分为标量、矢量、张量数据，其中矢量数据，也被称为矢量场，在各个应用领域中都有重要体现，矢量场可视化也是流场可视化的一个重要组成部分，在飞行器、汽车周围的气体流动分析，轮船、内燃机、反应堆、血液中的液体流动分析，以及台风的产生和海洋的变化等多个领域都有重要体现。

矢量场的可视化需要注意两个关键点：一是能连续清晰地显示矢量场大小和方向信息，二是能展示出矢量场的关键特征结构。流线是矢量场可视化的一个重要方法，它描述了矢量场的瞬时切线，具有空间连续性的特点，能够简单、直观地表达矢量场的内部结构。当前，动态图元技术是矢量数据可视化方式之一。在流线生成过程中，通过在流线点上间隔绘制小球、锥体等图元并编号，同时让编号图元沿着流线向下一个编号图元位置移动，不断刷新图元位置直至移动到下一个编号图元所在位置，其中末端编号图元则沿着流线向流场区域外移动直至消失，如此循环，形成一种图元流动的可视化效果。然而，现有动态图元技术直接基于自适应步长龙格-库塔法生成的流线点来实现动态图元，这类方法存在以下几点不足：一是基于自适应步长龙格-库塔法会根据流线变化程度来确定所需的步长，生成的流线点之间的距离不能有效表现图元在固定时间内的运动路径，无法让观察者直观感知出流场矢量速度变化；二是在应用于不同流场数据时，粒子动画效果和图元流动速度等参数需要通过观察、反复调整，才能获得一个较为合适的观察效果，交互效率低；三是在只存在粒子和图元显示的情况下，难以直观的展现流场流动的形态特征；四是只能表现流线上的粒子或图元不间断流动的效果，无法表现流线与流线之间的运动趋势和快慢关系。

综上，如何更加直观、生动形象地展示定常流场中的矢量数据，并生成易于观察的粒子动画效果是目前有待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种定常流场矢量数据的可视化方法、装置、设备及介质，能够更加直观、生动形象地展示定常流场中的矢量数据，并生成易于观察的粒子动画效果。其具体方案如下：

第一方面，本申请公开了一种定常流场矢量数据的可视化方法，包括：

在定常流场中，基于流场空间信息和流场速度确定出粒子的单步运动时长，并基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小；

获取流线轨迹中的流线点位置信息，并基于所述流线点位置信息、所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子每一步的轨迹位置，以及基于所述轨迹位置确定出粒子的运动轨迹；

按照所述粒子大小对粒子进行图元化以得到图元化粒子，并基于所述运动轨迹利用预设动态更新算法对所述图元化粒子的位置进行动态更新。

可选的，所述基于流场空间信息和流场速度确定出粒子的单步运动时长，包括：

基于各局部流场空间信息和全局流场空间信息确定出各局部流场空间与全局流场空间之间的目标比值；

基于各所述局部流场空间信息和相应的流场速度确定出各所述局部流场空间的运动时长，并基于所述目标比值、所述运动时长和局部流场空间总数确定所述全局流场空间的平均运动时长；

对所述平均运动时长进行预设数量级的缩减以得到粒子的单步运动时长。

可选的，所述基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小，包括：

获取流线轨迹中轨迹点的World坐标，将所述World坐标转换为View坐标，并将所述View坐标转换为Display坐标；

以所述Display坐标为中心点构建预设边长大小的矩形像素区域，并获取所述矩形像素区域的右上角display坐标和左上角display坐标，以及将所述右上角display坐标和所述左上角display坐标转换为相应的右上角World坐标和左上角World坐标；

基于所述右上角display坐标和所述左上角display坐标确定出右上角点和左上角点之间的空间距离，并将所述空间距离确定为粒子大小。

可选的，所述基于所述流线点位置信息、所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子每一步的轨迹位置，包括：

基于所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子的单步运动距离，并基于所述单步运动距离和历史运动距离确定出总运动距离；

基于所述总运动距离和所述流线点位置信息确定出粒子所在的相邻流线点区间，并确定出所述相邻流线点区间中两个相邻流线点的坐标值；

基于所述坐标值，并利用定比分点方法确定出粒子每一步的轨迹位置。

可选的，所述基于所述轨迹位置确定出粒子的运动轨迹，包括：

确定所述流线轨迹中的流线点的生成顺序，并基于所述生成顺序对粒子的所述轨迹位置进行连接和编号以生成粒子的运动轨迹。

可选的，所述基于所述生成顺序对粒子的所述轨迹位置进行连接并编号以生成粒子的运动轨迹的过程中，还包括：

预先规定流线点生成的基准方向，并判断粒子轨迹位置的连接方向与所述基准方向是否一致；

若不一致，则需对所述连接方向进行反转处理以使得所述连接方向和所述基准方向一致，并基于所述基准方向按照从小到大的顺序对粒子进行编号。

可选的，所述定常流场矢量数据的可视化方法，还包括：

通过预设信息获取接口获取示踪线长度系数，并基于所述示踪线长度系数将相应数量的所述图元化粒子进行拓扑连接，以构建所述图元化粒子的示踪线。

第二方面，本申请公开了一种定常流场矢量数据的可视化装置，包括：

运动时长确定模块，用于在定常流场中，基于流场空间信息和流场速度确定出粒子的单步运动时长；

粒子大小确定模块，用于基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小；

运动轨迹确定模块，用于获取流线轨迹中的流线点位置信息，并基于所述流线点位置信息、所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子每一步的轨迹位置，以及基于所述轨迹位置确定出粒子的运动轨迹；

位置更新模块，用于按照所述粒子大小对粒子进行图元化以得到图元化粒子，并基于所述运动轨迹利用预设动态更新算法对所述图元化粒子的位置进行动态更新。

第三方面，本申请公开了一种电子设备，包括：

存储器，用于保存计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述公开的定常流场矢量数据的可视化方法的步骤。

第四方面，本申请公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的定常流场矢量数据的可视化方法的步骤。

可见，本申请在定常流场中，基于流场空间信息和流场速度确定出粒子的单步运动时长，并基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小；获取流线轨迹中的流线点位置信息，并基于所述流线点位置信息、所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子每一步的轨迹位置，以及基于所述轨迹位置确定出粒子的运动轨迹；按照所述粒子大小对粒子进行图元化以得到图元化粒子，并基于所述运动轨迹利用预设动态更新算法对所述图元化粒子的位置进行动态更新。由此可见，本申请通过根据定常流场中的相关流场数据确定出粒子的单步运动时长、粒子大小以及粒子的运动轨迹，并对粒子进行图元化，有效增强了粒子的表达力，然后对图元化粒子的位置进行动态更新，更加直观、生动形象地展示了定常流场中的矢量数据，生成了易于观察的粒子动画效果。进一步的，上述技术方案能够帮助科研人员理解流场流动形态，分析流场特征变化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种定常流场矢量数据的可视化方法流程图；

图2为本申请公开的一种具体的示踪线效果示意图；

图3为本申请公开的一种具体的图元化粒子示意图；

图4为本申请公开的一种具体的定常流场矢量数据的可视化方法流程图；

图5为本申请公开的一种具体的已知的流线点示意图；

图6为本申请公开的一种具体的粒子轨迹点线性构建示意图；

图7为本申请公开的一种具体的流线点扩展生成粒子点的算法示意图；

图8为本申请公开的一种具体的负方向粒子轨迹点处理示意图；

图9为本申请公开的一种具体的正负向粒子轨迹点处理示意图；

图10为本申请公开的一种定常流场矢量数据的可视化装置结构示意图；

图11为本申请公开的一种电子设备结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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。

当前，动态图元技术是矢量数据可视化方式之一。然而，现有动态图元技术直接基于自适应步长龙格-库塔法生成的流线点来实现动态图元，这类方法存在以下几点不足：一是基于自适应步长龙格-库塔法会根据流线变化程度来确定所需的步长，生成的流线点之间的距离不能有效表现图元在固定时间内的运动路径，无法让观察者直观感知出流场矢量速度变化；二是在应用于不同流场数据时，粒子动画效果和图元流动速度等参数需要通过观察、反复调整，才能获得一个较为合适的观察效果，交互效率低；三是在只存在粒子和图元显示的情况下，难以直观的展现流场流动的形态特征；四是只能表现流线上的组粒子或图元不间断流动的效果，无法表现流线与流线之间的运动趋势和快慢关系。为此，本申请实施例公开了一种定常流场矢量数据的可视化方法、装置、设备及介质，能够更加直观、生动形象地展示定常流场中的矢量数据，并生成易于观察的粒子动画效果。

参见图1所示，本申请实施例公开了一种定常流场矢量数据的可视化方法，该方法包括：

步骤S11：在定常流场中，基于流场空间信息和流场速度确定出粒子的单步运动时长，并基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小。

本实施例中，可以理解的是，生成粒子轨迹点位置最关键的计算参数是粒子单步运动时长。如果粒子单步运动时长为一个常数，在不同流场分析场景中时会导致轨迹生成密度差异过大，轨迹点过于稠密会降低计算效率，过于稀疏不能精确表达流场流动形态，因此需要根据不同场景下的流场空间信息和流场速度去动态计算粒子单步运动时长。另外，渲染场景中相机自适应不同的流场范围Actor时，相机离Actor距离是有变化的，其中，Actor为渲染场景中的渲染物体。若粒子大小为常数，会出现粒子远大于流场范围或远小于流场范围的情况，这会导致粒子动画初始化观察时无法直接达到清晰直观的效果，因此需要根据不同场景下的流场空间中动态计算粒子大小，由于是通过屏幕观察粒子，但是粒子大小的设置实际应用于渲染空间中，所以自适应数据大小计算需要设计到坐标转换以及坐标系的构建方法。

本实施例中，为了适应当前视口相机位置，需基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小，具体包括：获取流线轨迹中轨迹点的World坐标，将所述World坐标转换为View坐标，并将所述View坐标转换为Display坐标；以所述Display坐标为中心点构建预设边长大小的矩形像素区域，并获取所述矩形像素区域的右上角display坐标和左上角display坐标，以及将所述右上角display坐标和所述左上角display坐标转换为相应的右上角World坐标和左上角World坐标；基于所述右上角display坐标和所述左上角display坐标确定出右上角点和左上角点之间的空间距离，并将所述空间距离确定为粒子大小。需要指出的是，计算机图形学里常用的坐标系统主要有4种，分别Model（模型）坐标系统、World（世界）坐标系统、View（视图）坐标系统和Display（屏幕）坐标系统。Model坐标系时定义模型时所采用的坐标系统，通常是局部的笛卡尔坐标系；World坐标系时放置Actor的三维坐标系，Actor的一个作用就是负责将模型从Model坐标系统转化到World坐标系统，每一个模型都可以定义自己的Model坐标系统，但World坐标系统只有一个；View坐标系统表示的是相机所看见的坐标系统，各轴取值为[-1，1]；Display坐标系统与View坐标系统类似，各轴取值为屏幕像素值。基于以上的四个坐标系统，本实施例中，计算粒子大小的具体步骤为首先获取流线轨迹中轨迹点的World坐标，并将World坐标转化为View坐标，再转化为Display坐标，接着以Display坐标为中心点构建边长大小为8的矩形像素区域，然后将矩形像素区域右上角和左上角Display坐标转化为World坐标，最后根据右上角和左上角World坐标，求出两点在空间中的距离，该值即为粒子大小，并作为后续在空间坐标系中构建图元大小的预设值。

步骤S12：获取流线轨迹中的流线点位置信息，并基于所述流线点位置信息、所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子每一步的轨迹位置，以及基于所述轨迹位置确定出粒子的运动轨迹。

本实施例中，获取流线轨迹中的流线点位置信息，以便对流线点进行扩展以生成粒子的轨迹点，具体可以为基于流线点位置信息、所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子每一步的轨迹位置，然后基于每一步的轨迹位置确定出粒子的运动轨迹。可以理解的是，流线是沿着流体速度矢量的瞬间切线方向的曲线，其生成过程通常使用数值积分方法，如一阶、二阶欧拉法和四阶及自适应步长龙格-库塔方法。为了得到较好的流线可视化效果和较高的绘制效率，本申请实施例采用自适应步长的龙格-库塔法来绘制流线。而由于该方法根据生成流线的变化程度来使用不同的步长，使得流线相邻积分点之间的距离不能有效地表现粒子在固定时间内的运动路径，因此本申请实施例基于流线生成了一组粒子轨迹点，进而确定出粒子的运动轨迹，以此科学地表达粒子速度与单位时间运动路径的关系。

步骤S13：按照所述粒子大小对粒子进行图元化以得到图元化粒子，并基于所述运动轨迹利用预设动态更新算法对所述图元化粒子的位置进行动态更新。

本实施例中，运动粒子在粒子轨迹点上的运动是需要被清晰的感知，所以需要对粒子进行具体实例化，形象化是必不可少的处理流程。图元可视化矢量场是最直观，最简单的一种方法，图元可以表示不同的数据变量，其中包括数据的形状、尺寸、颜色、方向等属性，通过将运动粒子转化为图元，可以有效提高感知度，更容易吸引观察者的注意力。本申请实施例中按照前述内容中得到的粒子大小对粒子进行图元化以得到图元化粒子，并将替换粒子的图元分别设为小球、箭头，因为该类图元根据粒子运动轨迹发生位置变化时，容易产生流动的效果。

上述方法还包括：通过预设信息获取接口获取示踪线长度系数，并基于所述示踪线长度系数将相应数量的所述图元化粒子进行拓扑连接，以构建所述图元化粒子的示踪线。可以理解的是，图元化粒子在与流线同时显示呈现出来的效果如同一条线穿过不同位置的图元，以及单独显示图元化粒子或流线的显示效果都不能直观呈现出粒子在流场中的流动方向，即使图元化粒子本身表现出方向的属性特征，也无法有效地表现复杂流线的形态特征。因此，本申请实施例通过构建图元化粒子的示踪线来呈现生成粒子在一段时间内走过的轨迹。通过将粒子与示踪线同时显示，就能使运动的方向性得到很好的体现，具体效果可以参见图2所示，图2中（a）是仅包括图元化粒子，（b）是包括图元化粒子和流线，（c）是包括图元化粒子和示踪线。在构建示踪线的过程中，首先通过预设信息获取接口获取示踪线长度系数，可以设为N，也即本申请可为观察者提供自定义示踪线长度系数的接口，然后基于示踪线长度系数以其中一个图元化粒子为起点，逐步连接该粒子前N-1个粒子构成线性拓扑关系，该线条就是图元化粒子的示踪线。如此一来，本申请通过对粒子进行图元化以及构建图元化粒子的示踪线能够有效增强粒子的可视化表达力，即在保证运动形态不变的条件下，增强粒子在轨迹中运动趋势的表现性。

进一步的，基于运动轨迹利用预设动态更新算法对图元化粒子的位置进行动态更新。可以理解的是，自适应数据大小、粒子轨迹点、粒子图元化都是粒子动画的基础前提。动画本身的原理是基于人眼的视觉暂留效果，所以只要将粒子图元化更新频率提高就能通过静止的图像的高速刷新形成流畅，逼真的动画效果。

在一种具体实施例中，本申请提供了一种单脉冲粒子运动方法。单脉冲粒子运动情况是指每组粒子轨迹线上只有一个图元化粒子进行运动。在本实施例中设置图元更新频率为50hz，即20ms更新一次图元位置。对每一组粒子轨迹点按照拓扑顺序进行编号为0，1，2，3，…，N。在每一次更新时图元前进n个粒子位置，图元化粒子位置循环更新直到超过本组粒子轨迹点最大范围后将图元进行隐藏。当所有粒子轨迹上都不存在图元时，将图元重新更新到每组粒子轨迹点的起始点，如此循环形成单脉冲粒子运动的动画效果。例如，参见图3中的粒子运动轨迹，粒子轨迹2进行粒子标号的最大编号为12，图元更新速度为3，那么图元的更新位置就是粒子编号0，3，6，9，12，当图元更新到编号12的粒子位置后，下一次更新会重新出现在编号0的粒子位置。其中，具体的动态更新图元化粒子位置算法如下：

1.数据成员:TrajectoryVector[i]:第i组粒子轨迹线点的坐标集合;TrajectoryVector[i][j]:第i组粒子轨迹线，第j个粒子的坐标；GlyphIndexVector[i]:第i组粒子轨迹线初始化图元化的粒子索引集合; GlyphIndexVector[i][j]:第i组粒子轨迹线中第j个初始化图元化的粒子索引;stream_vl流线点的速度均值，作为算法内部速度基数

2.input：timeStep 粒子累计移动的时间

3.function:UpdateGlyphAndTracerLine(timeStep)

4.int step=timeStep*stream_vl 本次刷新的图元化粒子相对初始化粒子位置需要前进的数目

5.for each Trajectory in TrajectoryVector do

6. foreach GlyphIndex in GlyphIndexVector[i] do

7.int currentGlyph_Index = GlyphIndexVector[i][j]+ step

8. if currentGlyph_Index<TrajectoryVector[i].size() 本次刷新的图元化粒子未超出该组粒子轨迹点范围

9.glyphparticle= TrajectoryVector[i][ currentGlyph_Index] 更新的图元化粒子的位置信息

10. end if

11. end for

12.end for

13.end function

在另一种具体实施例中，本申请提供了一种多脉冲粒子运动方法。多脉冲粒子运动情况是指每组粒子轨迹线上多波脉冲间隔的粒子数。首先还是将粒子轨迹编号0到N。假设脉冲间隔为T，周期T内在粒子轨迹点中可以简单地用间隔m个粒子点来表示。多脉冲粒子初始化图元就是从编号0的粒子轨迹点出发，每隔m个粒子创建一个图元，直至到编号N的粒子轨迹点结束。如图3，间隔点m为3，粒子轨迹0上能初始化两个图元，轨迹1中初始化三个图元，轨迹2中初始化5个图元。多脉冲粒子运动中图元更新速度n，图元不断更新自己的位置当更新点数超过m时，则下一次更新会重新出现在初始化图元的粒子位置。动态更新算法步骤如单脉冲更新类似，只是不执行图元化处理判断值由粒子轨迹点最大值TrajectoryVector[i].size()变为m。

参见图4所示，本申请实施例公开了一种具体的定常流场矢量数据的可视化方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体包括：

步骤S21：在定常流场中，基于各局部流场空间信息和全局流场空间信息确定出各局部流场空间与全局流场空间之间的目标比值。

本实施例中，单步运动时长采用加权平均的方式进行计算，首先获取各局部流场空间信息和全局流场空间信息，然后确定出各局部流场空间与全局流场空间之间的目标比值，该目标比值可以理解为局部流场空间的权重系数，也即求出局部流场范围在全局流场范围中的空间占比。将第i个局部流场空间记为S _i，全局流场空间记为S，那么其相应的权重系数R _i的具体计算公式为：

步骤S22：基于各所述局部流场空间信息和相应的流场速度确定出各所述局部流场空间的运动时长，并基于所述目标比值、所述运动时长和局部流场空间总数确定所述全局流场空间的平均运动时长，以及对所述平均运动时长进行预设数量级的缩减以得到粒子的单步运动时长，然后基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小。

本实施例中，基于各局部流场空间信息和相应的流场速度确定出各局部流场空间的运动时长，将局部流场空间S _i的流场速度记为V _i，那么该局部流场空间对应的运动时长T _i则为：

然后基于前述得到的目标比值，即权重系数R _i、运动时长T _i和局部流场空间总数n确定出全局流场空间的平均运动时长，再对平均运动时长进行预设数量级的缩减以得到粒子的单步运动时长t：

步骤S23：获取流线轨迹中的流线点位置信息，并基于所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子的单步运动距离，以及基于所述单步运动距离和历史运动距离确定出总运动距离。

本实施例中，首先获取流线轨迹中的流线点位置信息，例如可以参见图5所示，图5中已知流线点0，流线点1，流线点2的数据信息，然后基于单步运动时长和预设运动速度确定出粒子的单步运动距离，记为trajectory_Step，并将当前的单步运动距离加上已走的历史运动距离进行累加得到总运动距离trajectory_Sum。

步骤S24：基于所述总运动距离和所述流线点位置信息确定出粒子所在的相邻流线点区间，并确定出所述相邻流线点区间中两个相邻流线点的坐标值，以及基于所述坐标值，并利用定比分点方法确定出粒子每一步的轨迹位置。

本实施例中，基于总运动距离和流线点位置信息确定出粒子所在的相邻流线点区间，具体算法过程为判断trajectory_Sum是否大于流线起点到流线j点的距离L[j]，如果大于，将j加1并再继续判断直至出现trajectory小于L[j]的情况，由此知道该次运动到达流线点j-1和j的之间。然而在此过程中还需判断j是否已大于流线点的最大索引值，例如图5中最大索引值为2，如果大于则结束计算轨迹点算法，小于则开始计算轨迹点。在计算轨迹点坐标时具体为由已知的trajectory_Sum，流线j-1和流线j的坐标值，通过定比分点计算公式计算出粒子该次轨迹点坐标，如此一来，则可获取粒子每一步的轨迹位置。

在具体实施过程中，以图5中的流线点为例，通过流线点0上的矢量数据得知预设运动速度为v ₀，乘以粒子单步运动时长t，即可得到粒子的单步运动距离。那么以流线点0为起始点按速度v ₀出发经过时间t到达图6中所示的a点，流线点0到a点距离S _a为：

/>

通过距离值S _a和流线点0到流线点1的距离L，计算出a点在流线点0和流线点1的之间所占的比例关系，根据定比分点计算公式可得到a点坐标值(x _a，y _a，z _a)：

下一次以粒子点a为起始点，a点速度取两流线点中的起始点的速度，及流线点0的速度v ₀。以粒子点a为起始点按速度v ₀出发经过时间t到达b点,流线点0到b点的距离S _b：

通过距离值S _b，类比a坐标值公式，根据定比分点可计算b点公式。以此类推可计算后续粒子点坐标。

流线点中相邻流线点间表示该区域流体运动趋势，根据流动趋势可以将相邻流线点分为起始点和目标点。如图6，从粒子点c出发生成粒子点d时，d点已经脱离流线点0和流线点1的范围，处于流线点1和流线点2的范围，此时流线点1为粒子点d的起始流线点，流线点2为目标流线点。那么粒子点d到流线点1的距离S _d：

其中，S _c为流线点0到c点的距离。

如此一来，即可基于流线点扩展生成粒子轨迹点。算法流程如图7，原始轨迹点生成算法从每一次粒子单步运动距离后，可以对粒子该次运动所到达位置在流线点区间的判定去得到对应的流线索引，最后计算出轨迹点坐标；图7中，trajectory_Step 表示每次粒子运动距离，trajectory_Sum表示粒子轨迹运动距离总合，J表示流线点索引号，L表示存储每个流线节点到起点的距离的容器。

步骤S25：确定所述流线轨迹中的流线点的生成顺序，并基于所述生成顺序对粒子的所述轨迹位置进行连接和编号以生成粒子的运动轨迹。

本实施例中，扩展生成的粒子轨迹点连接顺序是由流线点生成顺序决定的，也即基于流线点的生成顺序对粒子的轨迹位置进行连接和编号以生成粒子的运动轨迹。上述基于所述生成顺序对粒子的所述轨迹位置进行连接并编号以生成粒子的运动轨迹的过程中，还包括：预先规定流线点生成的基准方向，并判断粒子轨迹位置的连接方向与所述基准方向是否一致；若不一致，则需对所述连接方向进行反转处理以使得所述连接方向和所述基准方向一致，并基于所述基准方向按照从小到大的顺序对粒子进行编号。可以理解的是，流线是以种子点开始一步一步向前或向后积分得来的，一条流线为一组拓扑单元。所以根据流线需要生成的方向，也分为向前积分、向后积分、双向积分的生成方式。如果流线生成方向设定为正方向或称为基准方法，即向前积分方式生成流线，根据生成的流线点顺序做连接的方向与流体速度矢量的瞬间切线方向相同。反之，以向后积分生成的流线点顺序做连接的方向与流体速度矢量的瞬间切线方向相反，此时需要让粒子运动轨迹点与流场中速度矢量保持一致需要对其拓扑顺序反转操作，具体可以参见图8所示。

当流线以双向积分生成流线，如图9所述。一条流线为一组拓扑集合，同一种子点出发向前积分和向后积分所得流线为两组拓扑单元集合。基于此拓展的粒子轨迹点如果不做任何处理会使粒子直接从种子点开始运动，分别向正负方向进行运动，这样的运动现象时无法正确表达流场的速度矢量。在粒子运动轨迹中，需要将从同一种子点出发形成的正负流线拓展得来的两组拓扑集合合并成一组，并且拓扑编号顺序应为从负方向最远点开始到正方向最远处，如图3中的编号顺序所示。也即，本实施例针对流线不同方向积分导致的流线点不匹配流场速度矢量方向的问题，对基于流线生成的粒子轨迹点进行了反转、排序、合并等数据处理，实现粒子轨迹点运动方向和流场速度矢量方向的一致性。

步骤S26：按照所述粒子大小对粒子进行图元化以得到图元化粒子，并基于所述运动轨迹利用预设动态更新算法对所述图元化粒子的位置进行动态更新。

其中，关于上述步骤S26更加具体的处理过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

可见，本申请实施例通过自适应流场数据的参数值计算、基于流线点合理扩展粒子轨迹点、构建粒子图元化和粒子示踪线、单脉冲和多脉冲粒子运动刷新等技术绘制流线上的粒子动画，从而直观展示定常流场数据的矢量场。解决定常流场数据中矢量场的可视化问题。

参见图10所示，本申请实施例公开了一种定常流场矢量数据的可视化装置，该装置包括：

运动时长确定模块11，用于在定常流场中，基于流场空间信息和流场速度确定出粒子的单步运动时长；

粒子大小确定模块12，用于基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小；

运动轨迹确定模块13，用于获取流线轨迹中的流线点位置信息，并基于所述流线点位置信息、所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子每一步的轨迹位置，以及基于所述轨迹位置确定出粒子的运动轨迹；

位置更新模块14，用于按照所述粒子大小对粒子进行图元化以得到图元化粒子，并基于所述运动轨迹利用预设动态更新算法对所述图元化粒子的位置进行动态更新。

图11为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。具体可以包括：至少一个处理器21、至少一个存储器22、电源23、通信接口24、输入输出接口25和通信总线26。其中，所述存储器22用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器21加载并执行，以实现前述任一实施例公开的由电子设备执行的定常流场矢量数据的可视化方法中的相关步骤。

本实施例中，电源23用于为电子设备20上的各硬件设备提供工作电压；通信接口24能够为电子设备20创建与外界设备之间的数据传输通道，其所遵循的通信协议是能够适用于本申请技术方案的任意通信协议，在此不对其进行具体限定；输入输出接口25，用于获取外界输入数据或向外界输出数据，其具体的接口类型可以根据具体应用需要进行选取，在此不进行具体限定。

其中，处理器21可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器21可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器21也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(Central ProcessingUnit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器21可以在集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器21还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。

另外，存储器22作为资源存储的载体，可以是只读存储器、随机存储器、磁盘或者光盘等，其上所存储的资源包括操作系统221、计算机程序222及数据223等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。

其中，操作系统221用于管理与控制电子设备20上的各硬件设备以及计算机程序222，以实现处理器21对存储器22中海量数据223的运算与处理，其可以是Windows、Unix、Linux等。计算机程序222除了包括能够用于完成前述任一实施例公开的由电子设备20执行的定常流场矢量数据的可视化方法的计算机程序之外，还可以进一步包括能够用于完成其他特定工作的计算机程序。数据223除了可以包括电子设备接收到的由外部设备传输进来的数据，也可以包括由自身输入输出接口25采集到的数据等。

进一步的，本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行时，实现前述任一实施例公开的由定常流场矢量数据的可视化过程中执行的方法步骤。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种定常流场矢量数据的可视化方法、装置、设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种定常流场矢量数据的可视化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的定常流场矢量数据的可视化方法，其特征在于，所述基于流场空间信息和流场速度确定出粒子的单步运动时长，包括：

3.根据权利要求1所述的定常流场矢量数据的可视化方法，其特征在于，所述基于预先定义的坐标转换规则和坐标系构建规则确定出粒子大小，包括：

4.根据权利要求1所述的定常流场矢量数据的可视化方法，其特征在于，所述基于所述流线点位置信息、所述单步运动时长和预设运动速度确定出粒子每一步的轨迹位置，包括：

5.根据权利要求1所述的定常流场矢量数据的可视化方法，其特征在于，所述基于所述轨迹位置确定出粒子的运动轨迹，包括：

6.根据权利要求5所述的定常流场矢量数据的可视化方法，其特征在于，所述基于所述生成顺序对粒子的所述轨迹位置进行连接并编号以生成粒子的运动轨迹的过程中，还包括：

7.根据权利要求1至6任一项所述的定常流场矢量数据的可视化方法，其特征在于，还包括：

8.一种定常流场矢量数据的可视化装置，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，用于保存计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如权利要求1至7任一项所述的定常流场矢量数据的可视化方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的定常流场矢量数据的可视化方法的步骤。