专利名称：二维二元数据场的计算机图像显示方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机图像应用领域，具体涉及二维的二元数据场在计算机屏幕上的显示方法。
背景技术：
目前一元的实数或标量的二维数据场的显示技术已经成熟，只要将一定数值范围内的数用一种颜色表示，就可以组合成一幅直观的彩色或灰度图像。伪彩色图像是根据人视觉的辨色能力，将抽象的数据场按不同的数值范围的数用一种颜色表示，形成一幅彩色图像，使人更加直观了解数据场的具体特征，这种方法已广泛应用于医学、工程领域。但到目前为止，这种伪彩色图像只能描述实数或标量场，也就是只包含一种数据的数据空间。
但实际的数据场往往具有多个分量，如信号处理中的频谱、力学中的应力和位移、以及波动记录中的多分量记录等，这些场的数值特征不但具有幅度的大小，同时还具有方向性。对于二元的复数场或者矢量场，如地震中的矢量波场，力学中的应力场，信号处理中的频谱信号等，它们的图像显示一直是一个令人烦恼的问题。以往常采用大小不一的箭头来表示，用箭头的方向表示方位，箭头的大小表示强度；或者采用彩色图像显示一个分量，另外的分量用等值线方式绘出；否则只能采用两幅独立的图件显示矢量的不同分量或复数的实部和虚部。
用箭头方法由于显示箭头的数量有限，只能适用于稀疏的数据，对大数据量的场只能采用抽稀的方式显示，无法获得场的细节特征；另两种方式直观性较差。
在现有技术中，计算机显示的彩色图像，一般采用RGB模式记录，每一个像素点是用三个基本的颜色，红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)，确定的，在24位真彩色图像中，RGB各分量的数值都在在0～255之间。像素点对应颜色值所包含的RGB数值不同，便呈现不同的颜色，这样就形成五彩斑斓的图像。如果直接用RGB分量的大小表示不同分量的数据的大小，除非专业的印刷分色师，一般人员很难从一个色彩中度量出所含的RGB分量的大小，因此直接用颜色RGB分量难以判断出伪彩色图像所包含的矢量的特征。
除了颜色可以用RGB模式外，还可以用HLS模式来描述，即用色调H、亮度L和饱和度S来表示，色调代表颜色的基本色彩特征，是当人眼看到一种或多种波长的光时所产生的彩色感觉，它反映颜色的种类，是决定颜色的基本特性；亮度表示颜色的明暗程度，亮度越大，颜色越偏向白色，亮度越小，则越偏向黑色；而颜色的饱和度则代表了颜色的浓淡，对于同一色调的彩色光，饱和度越大颜色越鲜明或说越纯，越小则含色彩越少，也就是越偏向灰色。
HLS模式较RGB模式具有更明显的视觉特征，因而更广泛应用于平面图像处理。
由于计算机内颜色的象素是用RGB模式描述的，所以首先要将颜色HLS分量转化为RGB分量，才能形成图像所需要的象素值。HLS与RGB间具有对应的转换关系，如果设色调H的范围为0～360，亮度L的范围为0～100，饱和度L的范围为0～100，转换关系可分为以下三步 第一步全饱和色确定 首先定义六种基本全饱和色的数值如下表所示 这样，就将全饱和色分成6个区间，对于一个像素的色调H，首先确定它对应的区间，然后在区间内采用线性内插分别求取它的全饱和色对应的RGB分量R0，G0，B0，如色调为100的像素，它对应的区间色调60～120之间，这时就用色调为60(黄)和色调为120(绿)量种基本色的RGB分量分别线性内插求取 R0＝255+(0-255)*(100-60)/(120-60)＝85 G0＝255+(255-255)*(100-60)/(120-60)＝255 B0＝0+(0-0)*(100-60)/(120-60)＝0 色调H也可以设定为不同的数值范围，例如设定为[-π，π]数值区间，只要相应将上表中的色调值改为相对应的数值即可。
第二步饱和度修正 再根据饱和度S修正全饱和色分量，三原色的分量算法相同 R1＝50+(R0-50)*S/100 G、B的算法相同。
第三步亮度校正 最后再根据亮度L进一步校正颜色RGB分量，三原色的分量算法相同 R＝R1-R1*(50-L)/50 当L≤50时 R＝R1+(255-R1)*(L-50)/50当L＞50时 G、B的算法相同。
经过以上三步，就可以将一个像素点的(H，L，S)分量转变为(R，G，B)分量，计算机屏幕可以直接显示像素的RGB分量。
因此，将HLS分量用计算机屏幕显示出来，是常规的公知技术，但如何将二元数据转换为HLS分量并能够清晰地显示出来，现有技术没有给出方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是 针对现有技术难以显示二维二元数据场的不足，本发明的目的之一是提供一种二维二元数据场的计算机图像显示方法，将二元数据的两个参数同时显示在同一个像素点上，使得二维数据场中每一点的方向和大小能够用不同颜色显示在一张图像上，使之更能直观反映出二维数据场的二元数据分布特征。因而更有利于二维矢量场或复数场的分析。
本发明的目的之二是将二维二元数据场的计算机图像显示方法应用在地震勘探领域，使地震勘探数据能够在计算机屏幕上清楚地显示，便于识别。
本发明的技术方案是 一种二维二元数据场的计算机图像显示方法；二元数据是指一个数据点上的数据有两个参数。例如，矢量数据有大小和方向角两个参数，或复数数据有实部和虚部两个参数，或者极坐标数据有模数和方位角两个参数。二维是指每一个数据点组成一个二维的数据场，一般是平面数据场，也可以是曲面的数据场。
包括以下步骤 第1步，建立色标环和亮度函数曲线 所述的色标环是一个用彩色显示的圆形，从圆心水平向右的射线方向为零方向，与所述零方向所夹的圆心角为_；该色标环沿圆周向划分为多个扇形区，每个扇形区设定为具有一定色调值H与一定饱和度值S的特定组合，不同扇形区设定为具有色调值与饱和度值的不同组合； 通过色标环，使得每一个_值都能够对应在一个扇区内，从而对应一个确定的H值。相近的_值落在同一个扇区内，具有相同的色调值；相差较大的_值落在不同扇区内，具有不同的色调值。
所述的亮度函数曲线是矢量模数值与亮度的对应关系，横轴是矢量模数值ρ，纵轴是亮度值L，该亮度函数曲线是单值单调函数； 通过亮度函数曲线，能够将每一个模数值ρ对应到确定的一个亮度值L上，当ρ值从0到最大值变化时，亮度值将单调变化，可以是随ρ值上升而增大，也可以是随ρ值上升而减小。
第2步，将二元数据转换为极坐标形式 对于二维数据场中每一个点的二元数据(x，y)，按下式转换为极坐标(ρ，_)形式
其中_是相位角，ρ是模数值； 这种转换是公知的常规数学方法，各种二元数据，如矢量数据、复数数据，都可以转换为极坐标形式，在第2步中无论采用任何公知的数学转换形式，都与本发明是等同的。
上述第1步与第2步实质上并没有先后顺序，先进行第2步，后进行第1步，与本发明的技术方案仍是等同的。
第3步，逐点计算色调、饱和度和亮度 对每一个数据点的(ρ，_)形式二元数据，计算出色调H、饱和度S值和亮度L值； 计算色调H值和饱和度S值按照第1步确定的色标环，对于一定的相位角_值，从色标环上找到该_值所在的相应扇区，以该扇区的色调值H和饱和度S值作为该数据点的H和S值； 计算亮度L值按照第1步确定的亮度函数曲线，根据ρ值确定对应的亮度L值； 在已经确定一个点的_值和ρ值后，就能够惟一确定出该点的H值、S值和L值； 第4步，将色调值转换为RGB分量值 对每一个数据点，按照下表查找色调H所对应的R0、G0、B0分量值，当H值介于该表中两列之间时，按照内插法确定R0、G0、B0分量值； 上表中实际上给出色调值H的6个区间，当H值不在表中的节点上时，按照常规的数学内插法能够计算出R0、G0、B0分量值 例如当0≤H＜π/3时，H值两端的节点是0、π/3，此时R0两端是255、255，G0两端是0、255，B0两端是0、0，分别按H值线性内插。由于R0和B0两端都一样，只要内插G0即可 R0＝255 G0＝H/(π/3)*255 B0＝0 其余区间用同样方法都可以计算。
内插是数学上常规的方法，第4步无论采用任何公知的数学内插方法，如线性内插、二次内插等，都与本发明是等同的。
色调值的不同，在屏幕上体现为颜色的不同，实质上反映了数据点的矢量方向的不同。
第5步，按饱和度S及亮度L分别校正RGB分量值 逐点按下式计算R、G、B分量值 R1＝50+(R0-50)*S/100 G1＝50+(G0-50)*S/100 B1＝50+(B0-50)*S/100 当0≤L≤50时 R＝R1-R1*(50-L)/50 G＝G1-G1*(50-L)/50 B＝B1-B1*(50-L)/50 当50＜L≤100时 R＝R1+(255-R1)*(L-50)/50 G＝G1+(255-G1)*(L-50)/50 B＝B1+(255-B1)*(L-50)/50 根据饱和度和亮度值不同，对R、G、B分量值进行校正，使得屏幕上显示的颜色在人眼视觉上有所不同，同一色调值的像素点，如果亮度不同，经过校正后，在屏幕上显示的颜色是不同的。因而反映出数据点的模数值大小的不同。
第6步，对二维数据场的每一个二元数据点，按R、G、B分量值显示在计算机屏幕上或打印在输出介质上。
当一个像素点的R、G、B分量值确定后，计算机可以将其显示在屏幕上，这是计算机领域的公知常规技术，用多种计算机语言都可以编制程序实现。同样也可以用彩色打印机直接打印在纸上或胶片上，其实质与显示在屏幕上是等同的。
通过上述6步，将二维数据场的所有数据点显示在计算机屏幕上。
实际应用时，一般所述的色标环上半圆的_值范围为
，该色标环下半圆的_值范围为[-π，0]；即_值从-π至π。即把所有360°方向都按弧度值反映在色标环上，使得二元矢量数据的任何方向都能有对应的色调值。
一般情况下，可以将所述的色标环划分为16个等分的扇区，见图1。
在某些情况下，也可以将所述的色标环分为两半，所述的色标环右半圆划分为16个等分的扇区，所述的色标环左半圆划分为1个扇区。主要应用的是色标环的右半部分，其_值从-π/2至π/2。对于有些数据场，矢量方向都在半圆之内，此时为了更清楚地反映数据场，可以只使用色标环的半圆形，使得颜色对方向数据分辨的更细致。色标环左半部分可以定为灰色。见图2。
所述的亮度函数曲线可以是递增函数，即随着ρ值的增大，L值增加。见图4。特别还可以是线性递增函数。
所述的亮度函数曲线也可以是递减函数，即随着ρ值的增大，L值减小。见图5。特别还可以是线性递减函数。
所述的亮度函数曲线还可以是阶梯形递增函数，使得一定范围内相近的ρ值，用同一L值表示，随着ρ值的增大，L值成阶梯状增加。见图6。
所述的亮度函数曲线还可以是阶梯形递减函数，使得一定范围内相近的ρ值，用同一L值表示，随着ρ值的增大，L值成阶梯状减小。见图7。
上述二维二元数据场的计算机图像显示方法，特别适用于在地震勘探领域的应用。
地震勘探领域中有大量二维数据场，其每一个数据点上的数据都是二元数据，使用本发明的方法，可以在计算机屏幕上清晰地显示二维数据场，将每一个数据点的二元数据有效区别开，便于分析人员从中识别地层结构。
本发明的有益效果是 利用本发明，可以得到的二元矢量或复数的二维数据场的计算机图像，可以直观地观察到二维数据场的变化特征，便于数据分析人员识别出数据场中的规律性，是定量分析二维矢量场或二维复数场的十分有效的工具。
图1是等分色标环的示意图。
图2是不等分色标环的示意图。
图3是另一种不等分色标环的示意图。
图4是单值递增亮度函数曲线示意图。
图5是单值递减亮度函数曲线示意图。
图6是阶梯递增亮度函数曲线示意图。
图7是阶梯递减亮度函数曲线示意图。
图8是实施本发明的一种计算机程序框图。
图9a是用标量的显示方法显示矢量波场水平分量的示意图。
图9b是用标量的显示方法显示矢量波场垂直分量的示意图。
图9c是本发明的一种应用结果图。
图9d是本发明的另一种应用结果图。
具体实施例方式 下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。
根据本发明的技术方案，可以在Windows操作系统下利用visual C++和MFC图形平台，依照图8的基本程序框图，实现采用本发明的显示方法显示地震勘探中矢量波场的图像，图中虚框部分是本发明的核心内容。
图9a是未使用本发明，而用标量的显示方法显示的矢量波场的水平分量(记为x分量)，图9b是未使用本发明，而用标量的显示方法显示的矢量波场的垂直分量(记为z分量)。在显示中z分量与前文说明中的y分量等同。
以下是应用本发明的两种方式显示矢量波场的实施细节参数 实施例1 按图1所示的色标环划分出16个相位角区间和确定各相位角区间的色调和饱和度，亮度函数曲线参照图4的曲线类型，亮度分级N＝11，范围100至20，L1＝100，L2＝92，…，Li＝108-i*8，…，L11＝20。
ρn-1＝ρ10＝0.111，根据波场矢量的模确定， ρi＝ρn-1/(n-1)，(i＝1，2，…，N-2)。
模值小对应的亮度值大，模值大对应的亮度值小。图像显示的矢量波场既可以看到各组波的振动方向，也可以了解波的振动幅度。因而非常容易判断波场中各波组的性质。见图9c。
实施2 按图2所示的色标环划分出17个相位角区间和确定各相位角区间的色调和饱和度，亮度函数曲线参照图4的曲线类型，亮度分级N＝11，范围100至20，L1＝100，L2＝92，…，Li＝108-i*8，…，L11＝20。
ρn-1＝ρ10＝0.111，根据波场矢量的模确定， ρi＝ρn-1/(n-1)，(i＝1，2，…，N-2)。
模值小对应的亮度值大，模值大对应的亮度值小。见图9d。
由于本例采用的是波场信号，其振动具有规律性，所以，实施例2在当矢量值中x＜0时采用灰度方式，其图像显示的矢量波场振动特征较实施例1更加清晰。
与图9a、图9b只显示标量的情况相比，应用本发明显示的矢量波场图像中，既可以体现波的振动幅度，也可以体现振动方向。在屏幕上显示的彩色图像中，可以清晰地看出区别。
在其他的软件开发平台上同样能实现此方法，如UNIX、Linux等操作系统。
权利要求
1 二维二元数据场的计算机图像显示方法；包括以下步骤
第1步，建立色标环和亮度函数曲线
所述的色标环是一个用彩色显示的圆形，从圆心水平向右的射线方向为零方向，与所述零方向所夹的圆心角为_；该色标环沿圆周向划分为多个扇形区，每个扇形区设定为具有一定色调值H与一定饱和度值S的特定组合，不同扇形区设定为具有色调值与饱和度值的不同组合；
所述的亮度函数曲线是矢量模数值与亮度的对应关系，横轴是矢量模数值ρ，纵轴是亮度值L，该亮度函数曲线是单值单调函数；
第2步，将二元数据转换为极坐标形式
对于二维数据场中每一个点的二元数据(x，y)，按下式转换为极坐标(ρ，_)形式
其中_是相位角，ρ是模数值；
第3步，逐点计算色调、饱和度和亮度
对每一个数据点的(ρ，_)形式二元数据，计算出色调H、饱和度S值和亮度L值；
计算色调H值和饱和度S值按照第1步确定的色标环，对于一定的相位角_值，从色标环上找到该_值所在的相应扇区，以该扇区的色调值H和饱和度S值作为该数据点的H和S值；
计算亮度L值按照第1步确定的亮度函数曲线，根据ρ值确定对应的亮度L值；
第4步，将色调值转换为RGB分量值
对每一个数据点，按照下表查找色调H所对应的R0、G0、B0分量值，当H值介于该表中两列之间时，按照内插法确定R0、G0、B0分量值；
第5步，按饱和度S及亮度L分别校正RGB分量值
逐点按下式计算R、G、B分量值
R1＝50+(R0-50)*S/100
G1＝50+(G0-50)*S/100
B1＝50+(B0-50)*S/100
当0≤L≤50时
R＝R1-R1*(50-L)/50
G＝G1-G1*(50-L)/50
B＝B1-B1*(50-L)/50
当50＜L≤100时
R＝R1+(255-R1)*(L-50)/50
G＝G1+(255-G1)*(L-50)/50
B＝B1+(255-B1)*(L-50)/50
第6步，对二维数据场的每一个二元数据点，按R、G、B分量值显示在计算机屏幕上或打印在输出介质上。
2 根据权利要求1所述的二维二元数据场的计算机图像显示方法，其特征是
所述的色标环上半圆的_值范围为
，该色标环下半圆的_值范围为[-π，0]。
3 根据权利要求1所述的二维二元数据场的计算机图像显示方法，其特征是
所述的色标环划分为16个等分的扇区。
4 根据权利要求1所述的二维二元数据场的计算机图像显示方法，其特征是
所述的色标环右半圆划分为16个等分的扇区，所述的色标环左半圆划分为1个扇区。
5 根据权利要求1所述的二维二元数据场的计算机图像显示方法，其特征是
所述的亮度函数曲线是递增函数或递减函数。
6 根据权利要求1所述的二维二元数据场的计算机图像显示方法，其特征是
所述的亮度函数曲线是阶梯形递增函数或阶梯形递减函数。
7 根据权利要求1至6之一所述的二维二元数据场的计算机图像显示方法在地震勘探领域的应用。
全文摘要
本发明涉及计算机图像应用领域，具体涉及二维的二元数据场在计算机屏幕上的显示方法。包括建立色标环，将矢量数据的二分量数值转换为颜色的色调、亮度和饱和度，并通过颜色表示方式的转换得到对应位置的象素RGB分量值，形成视觉直观的用于屏幕显示或打印的计算机图像步骤。本发明用于地震勘探、测绘、工程、气象和医疗诊断等领域的各种矢量数据显示。
文档编号G09G5/00GK101097705SQ200610090618
公开日2008年1月2日 申请日期2006年6月29日 优先权日2006年6月29日
发明者郭全仕 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院