一種帶邊界平面流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)繪制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于圖像融合技術(shù)的帶邊界平面流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)繪制方法。該方法首先確定平面流場(chǎng)的可視化范圍并對(duì)該范圍進(jìn)行柵格化處理，根據(jù)給定的邊界曲線確定流場(chǎng)的繪制區(qū)域；然后確定流場(chǎng)顯示圖像的大小并構(gòu)造背景噪聲圖像集；根據(jù)流場(chǎng)和邊界計(jì)算當(dāng)前幀各柵格頂點(diǎn)速度的矢量，運(yùn)用圖像融合技術(shù)和紋理映射技術(shù)構(gòu)造當(dāng)前幀流場(chǎng)圖像。通過逐幀構(gòu)造流場(chǎng)圖像，實(shí)時(shí)繪制流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法經(jīng)濟(jì)、視覺效果好、適應(yīng)性強(qiáng)，適用于各種靜態(tài)與動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的可視化。
【專利說明】一種帶邊界平面流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)繪制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種基于圖像融合技術(shù)的帶邊界平面流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)繪制方法，其屬于可 視化【技術(shù)領(lǐng)域】，內(nèi)容涉及圖像融合技術(shù)及流場(chǎng)可視化技術(shù)，尤其涉及一種帶邊界平面流場(chǎng) 的動(dòng)態(tài)繪制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 流場(chǎng)在科學(xué)計(jì)算和工程分析中扮演非常重要的角色，流場(chǎng)的可視化是理解流場(chǎng)運(yùn) 動(dòng)變化規(guī)律的有力工具，在科學(xué)計(jì)算、工程分析、教學(xué)科普等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，具有 重要的實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值。
[0003] 點(diǎn)圖標(biāo)法（參見：王成恩，姜傳彥，武新宇.基于幾何圖形的矢量場(chǎng)可視化技 術(shù).東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32(3)，327-330)和矢量線法（參見：胡星，楊 光.流線可視化技術(shù)研究與進(jìn)展.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2002,（05) :8_11)是傳統(tǒng)的流場(chǎng)可視 化方法的代表，這兩種方法都要求有較高的采樣頻率，否則可能會(huì)丟失流場(chǎng)的一些重要細(xì) 節(jié)，而采樣點(diǎn)過多又會(huì)導(dǎo)致圖像混亂，并且這兩種方法都不適用于對(duì)動(dòng)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行可視化。
[0004] 基于紋理的方法中，點(diǎn)噪聲方法（參見：VanWijkJJ.Spotnoise:texture synthesisfordatavisualization.ComputerGraphics, 1991，25 (4) : 309-318)是最早的 基于紋理的流場(chǎng)可視化方法，該方法沿流場(chǎng)方向?qū)υ肼暈V波來生成流場(chǎng)圖像，依靠改變點(diǎn) 的屬性，可整體或局部地控制所產(chǎn)生的紋理模式。該方法不適合繪制流場(chǎng)中流線方向變化 劇烈的局部區(qū)域。LIC方法（參見：CabraLB,LeedoMC.Imagingvectorfieldsusing lineintegralconvolution.ACMComputerGraphics, 1993, 27 (4) : 263-270)用一維卷積 核函數(shù)沿流線方向?qū)υ肼暭y理進(jìn)行卷積計(jì)算，生成可以表達(dá)流場(chǎng)模式的靜態(tài)圖像，該方法 計(jì)算耗時(shí)，容易引入高頻噪聲，且很難反映流場(chǎng)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。
[0005] 劉慶平等申請(qǐng)的專利"流場(chǎng)可視化方法及裝置"（申請(qǐng)?zhí)?200710055770. 6)使用 照相機(jī)、光源、遮光板、聚光鏡和盛粒子器皿等裝置實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)觀測(cè)與分析。該方法需要制作 特別的硬件裝置，其實(shí)現(xiàn)成本較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，給出一種帶邊界平面流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)繪制方法，是一種 基于圖像融合技術(shù)的流場(chǎng)繪制方法。本方法即可以產(chǎn)生靜態(tài)流場(chǎng)圖像，也可以模擬流場(chǎng)動(dòng) 態(tài)運(yùn)行過程，適用于各種類型的流場(chǎng)可視化繪制。
[0007] 為了敘述方便，對(duì)相關(guān)的概念、符號(hào)做如下說明：
[0008]I.Q= [a,b]X[c，d]:即平面可視化區(qū)域，其寬為a?b，高為c?d，圍成此區(qū)域 的四條線段稱為Q的邊界。
[0009] 2.F(x,y;t):表示流場(chǎng)，（X，y)為平面點(diǎn)坐標(biāo),t為時(shí)間。F(x,y;t)的值為點(diǎn)（X，y) 處在t時(shí)刻的場(chǎng)值。當(dāng)場(chǎng)值與t無關(guān)時(shí)，F(xiàn)(x，y;t)為穩(wěn)定場(chǎng)；否則，為非穩(wěn)定場(chǎng)。
[0010] 3.C= {ck;k= 0, 1，2, :區(qū)域Q中的曲線集合，k為曲線標(biāo)號(hào)。C中各曲線可 以嵌套但不相交。若Ck為不封閉曲線，則其與Q的局部邊界構(gòu)成封閉曲線。附圖2為曲 線示意圖。
[0011] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0012] 一種帶邊界平面流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)繪制方法，具體包括以下步驟：
[0013] A.確定可視化范圍并進(jìn)行柵格化處理：確定可視化范圍Q= [a，b]X[c，d]中 a，b，c，d的值，將Q劃分為Ny行Nx列的四邊形網(wǎng)格；計(jì)算柵格單元的寬DX和高DY,以及各 柵格頂點(diǎn)坐標(biāo)（X，y);
[0014] B?確定流場(chǎng)的可視化邊界：
[0015] 預(yù)處理工作：將C中邊界曲線Ck轉(zhuǎn)化成由有序點(diǎn)列構(gòu)成的折線；形成的折線表示 為/t = ,...,vf丨，其中n+l為點(diǎn)列中點(diǎn)的個(gè)數(shù)，4表示點(diǎn)列中第m個(gè)點(diǎn)；
[0016] 確定與每條折線Ik對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)可視化邊界：計(jì)算折線Ik與柵格線的交點(diǎn)，記為 /^(?^，)<)，其中i為交點(diǎn)標(biāo)號(hào)，i= 〇, 1，.. ?；各交點(diǎn)形成沿折線Ik的有序點(diǎn)列，順次連接 這些交點(diǎn)，形成一條折線，將形成的折線設(shè)定為與Ik對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)可視化邊界；
[0017] C.確定流場(chǎng)圖像大小并構(gòu)造背景噪聲圖像集，技術(shù)方案如下：
[0018] 1)設(shè)定背景噪聲圖像為灰度圖像；確定流場(chǎng)圖像和背景噪聲圖像的寬、高；設(shè)定 噪聲圖像集中圖像幅數(shù)N;產(chǎn)生L個(gè)隨機(jī)的圖像灰度值，并存入環(huán)形有序序列A中；將A中 元素的序號(hào)稱為背景噪聲圖像像素的相位，計(jì)算變量t(t<L)，稱t為相位差；
[0019] 2)構(gòu)造第一幅背景噪聲圖像：對(duì)于各像素e，隨機(jī)取A中的元素，將此元素值作為 e的灰度值，并將此元素的序號(hào)作為e的相位；
[0020] 3)構(gòu)造其余背景噪聲圖像：對(duì)于第k(k= 2,3..，N)幅噪聲圖像中的像素e，記第 k-1幅圖像中e的相位為ph,取A中ph后第t個(gè)元素,將該元素值作為e的灰度值,并將該 元素的序號(hào)作為e的相位；
[0021] D.計(jì)算各柵格頂點(diǎn)的速度矢量，技術(shù)方案如下：
[0022]1)由F(x,y;t)，計(jì)算各柵格頂點(diǎn)的速度（vx,vy);
[0023] 2)調(diào)整與Ik對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)可視化邊界的速度矢量：記qk為Ik與柵格線的任一交點(diǎn)， 調(diào)整該點(diǎn)速度方向?yàn)橄蛄縬kqk+1的方向；記qk所在的柵格線段為PoP1，將P。，P1中距qk較近 的點(diǎn)作為邊界柵格頂點(diǎn)，并調(diào)整其速度方向與qk速度方向相同；
[0024] 3)以邊界柵格頂點(diǎn)為界，逐列（或行）對(duì)柵格頂點(diǎn)分類：以逐列方式為例，對(duì)于某 列柵格線上的各邊界柵格頂點(diǎn)Pk(k= 0, 1，. . .，n)，設(shè)定p2k?p2k+1間的柵格頂點(diǎn)為"流場(chǎng) 邊界外柵格頂點(diǎn)"，P2k+1?P2k+2間的柵格頂點(diǎn)為"流場(chǎng)邊界內(nèi)柵格頂點(diǎn)"；
[0025] 4)調(diào)整不同類型柵格頂點(diǎn)速度：首先，逐行（或列）調(diào)整流場(chǎng)邊界內(nèi)柵格頂點(diǎn)速 度，記相鄰兩邊界柵格頂點(diǎn)Po,P1速度矢量與X軸正向夾角為Citl,Ci1，計(jì)算PtlP1間柵格單元 個(gè)數(shù)n及角度變量Aa=(afa^/n;以Aa為遞增量，依次重新設(shè)定P(lPl間各柵格頂 點(diǎn)的速度矢量與X軸正向的夾角a，并按此角度調(diào)整其速度方向；然后，置流場(chǎng)邊界外柵格 頂點(diǎn)的速度為〇 ;
[0026] E.構(gòu)造單幀流場(chǎng)圖像，將第一幅背景噪聲圖像作為第一幀流場(chǎng)圖像，構(gòu)造后續(xù)單 幀流場(chǎng)圖像的技術(shù)方案如下：
[0027] 1)構(gòu)造臨時(shí)流場(chǎng)圖像：計(jì)算前一幀時(shí)刻各柵格頂點(diǎn)的速度矢量，前一幀流場(chǎng)圖像 各像素按前一幀時(shí)刻對(duì)應(yīng)位置處柵格頂點(diǎn)的速度移動(dòng)，形成新圖像LI,稱為當(dāng)前幀臨時(shí)流 場(chǎng)圖像；
[0028] 2)圖像融合：取背景噪聲圖像集中與當(dāng)前幀對(duì)應(yīng)的圖像g，將圖像LI和圖像g融 合，融合后的結(jié)果即為當(dāng)前幀流場(chǎng)圖像；
[0029]F.繪制流場(chǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程：用上述方法構(gòu)造單幀流場(chǎng)圖像，按時(shí)間順序，每構(gòu)造 一幀圖像，將其繪制出來，如此，顯示流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程。
[0030] 本發(fā)明方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0031] 1.本發(fā)明方法可以產(chǎn)生各時(shí)刻靜態(tài)流場(chǎng)圖像，也可以通過繪制連續(xù)幀流場(chǎng)圖像顯 示流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程。
[0032] 2.本發(fā)明方法適用于帶一條或多條（不交叉）任意邊界線的平面流場(chǎng)，同時(shí)也適 用于不帶邊界的平面流場(chǎng)。
[0033] 3.穩(wěn)定和非穩(wěn)定流場(chǎng)都可以用本發(fā)明方法可視化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 圖1本發(fā)明方法的流程圖；
[0035] 圖2可視化范圍內(nèi)曲線示意圖；
[0036] 圖3參數(shù)曲線轉(zhuǎn)化為折線示意圖；
[0037] 圖4隱式曲線轉(zhuǎn)化為折線示意圖；
[0038] 圖5可視化范圍示意圖；
[0039] 圖6可視化范圍柵格化示意圖；
[0040]圖7求折線相鄰兩點(diǎn)所成線段與柵格線交點(diǎn)示意圖；
[0041] 圖8對(duì)折線相鄰兩點(diǎn)所成線段與柵格線交點(diǎn)排序示意圖，（a)為折線相鄰點(diǎn)所成 的線段與柵格線的交點(diǎn)示意圖，（b)為對(duì)折線相鄰點(diǎn)所成的線段與柵格線的交點(diǎn)進(jìn)行排序 的不意圖；
[0042] 圖9調(diào)整流場(chǎng)邊界柵格頂點(diǎn)速度矢量示意圖；
[0043] 圖10構(gòu)造背景卩栄聲圖像集不意圖；
[0044] 圖11計(jì)算柵格頂點(diǎn)速度矢量示意圖；
[0045] 圖12調(diào)整流場(chǎng)邊界柵格頂點(diǎn)速度矢量示意圖；
[0046] 圖13確定流場(chǎng)邊界范圍內(nèi)、外區(qū)域示意圖；
[0047] 圖14調(diào)整流場(chǎng)邊界范圍內(nèi)柵格頂點(diǎn)速度矢量示意圖；
[0048] 圖15構(gòu)造單幀流場(chǎng)圖像示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0049] 結(jié)合相關(guān)概念和附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。如附圖1所示，一種帶邊界平面流 場(chǎng)的動(dòng)態(tài)繪制方法，其具體實(shí)施步驟如下：
[0050]A.確定可視化范圍并進(jìn)行柵格化處理，步驟如下：
[0051] 1)設(shè)定a,b,c,d的值，確定Q。本實(shí)例取a=-b=-1，c=-d= 1 (參見附圖 5)。
[0052] 2)將Q區(qū)域柵格化為Ny行隊(duì)列的四邊形網(wǎng)格，稱柵格線交點(diǎn)為柵格頂點(diǎn)，本實(shí) 例取Ny =Nx = 100。根據(jù)Q的大小及Nx與NY，計(jì)算柵格單元的寬和高DX，DY:
[0053]

【權(quán)利要求】
1. 一種帶邊界平面流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)繪制方法，其特征在于，具體步驟是： A. 確定可視化范圍并進(jìn)行柵格化處理：確定平面流場(chǎng)可視化區(qū)域的范圍，并將其柵格 化為Ny行Nx列的四邊形網(wǎng)格，計(jì)算各柵格頂點(diǎn)的坐標(biāo)； B. 確定流場(chǎng)的可視化邊界：對(duì)于給定的每條邊界曲線，求出該曲線與柵格線的交點(diǎn)； 用邊界曲線上的交點(diǎn)序列定義的折線，表示相應(yīng)的可視化邊界曲線； C. 確定流場(chǎng)圖像大小并構(gòu)造背景噪聲圖像集：設(shè)定流場(chǎng)圖像和背景噪聲圖像的分辨 率，以及背景噪聲圖像的幅數(shù)N ;產(chǎn)生L個(gè)隨機(jī)的圖像灰度值，并存入環(huán)形有序序列A中；構(gòu) 造 N幅有序的背景噪聲圖像，其中第一幅圖像各像素的灰度值均隨機(jī)取自序列A，第一幅圖 像與其余圖像位于相同位置處像素的灰度值在序列A中呈周期性變化，且周期相同； D. 計(jì)算各柵格頂點(diǎn)的速度矢量：由給定的流場(chǎng)計(jì)算各柵格頂點(diǎn)速度矢量；沿可視化 邊界曲線方向適當(dāng)調(diào)整曲線與柵格線交點(diǎn)的速度方向；在與交點(diǎn)相鄰的兩柵格頂點(diǎn)中，將 離交點(diǎn)較近的頂點(diǎn)設(shè)定為流場(chǎng)的邊界柵格頂點(diǎn)，并調(diào)整此頂點(diǎn)速度方向與交點(diǎn)速度方向相 同；以邊界柵格頂點(diǎn)為界，將柵格頂點(diǎn)劃分為"流場(chǎng)邊界內(nèi)柵格頂點(diǎn)"和"流場(chǎng)邊界外柵格頂 點(diǎn)"兩類，并適當(dāng)調(diào)整這些柵格頂點(diǎn)的速度； E. 構(gòu)造單幀流場(chǎng)圖像：將第一幅背景噪聲圖像作為第一幀流場(chǎng)圖像；后續(xù)每一幀流場(chǎng) 圖像，是由前一幀流場(chǎng)圖像和前一幀流場(chǎng)混合后，再與對(duì)應(yīng)當(dāng)前幀的背景噪聲圖像融合而 形成的； F. 繪制流場(chǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程：每構(gòu)造一幀流場(chǎng)圖像，將其繪制出來，如此，用逐幀構(gòu)造并 實(shí)時(shí)繪制流場(chǎng)圖像的方式，顯示流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程。
【文檔編號(hào)】G06T5/50GK104318591SQ201410550809
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】許亞瑞, 龐明勇 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)