基于多密度层次的流场可视化方法

基于多密度层次的流场可视化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及科学计算可视化，流场研究等技术领域，具体讲，涉及基于多密度层次 的流场可视化方法。
【背景技术】
[0002] 在大数据时代，可视化为数据处理的提供了新手段。医学、气象、仿真等领域都存 在大量流场现象，从大规模复杂的实验数据中发现流场规律、清晰地观察到流场的特征是 科研研究中普遍存在的问题。可视化技术可以为此提供良好的解决方法。
[0003] 对流场现象进行可视化是科学计算可视化领域的主流研究方向之一，已经有许多 相关方面的研究，主要的研究方法包括直接可视化、基于纹理的流场可视化、基于特征的流 场可视化及基于几何的流场可视化等。直接可视化一般在流场中放置采样点，通过对采样 点点的矢量值进行显示，也可以采用颜色或箭头等方式来显示流场中的信息，这种方法实 现简单，但不能展示数据的内在联系性。基于纹理的可视化主要使用纹理的方式来显示，常 用方法有:点噪声法[1]，线卷积积分法[2]，纹理平流法[3]等，纹理的方式可以很清晰的绘 制出图像细节，但是计算代价较高。基于特征的可视化主要依据流场拓扑结构来显示流场 结构信息，这种方式可以简化数据量，把握流场本质，但是容易丢失流场部分信息。基于几 何的流场可视化用线、面、体、几何元素描述流场，可以获得良好的视觉感知，但容易在高维 情况下造成混乱与遮挡。
[0004] 基于几何的流场可视化主要方法是流线可视化，即根据粒子追踪来获得流场特征 线。在二维和三维流场中有很多的种子点生成算法，如等距离布种策略[4]、基于流场拓扑 引导的布种方法[5]、最远种子点法[6]、基于图像的种子点放置策略[7]、基于对偶流线的 布种方法[8]、基于熵理论的布种方法[9]等。其中等距离布种策略直观易于理解，但由于采 用局部最优的策略，无法保证全部流线在图中的均匀分布;基于流场拓扑引导的布种方法 基于临界点进行种子点放置，临界点周围的特征很清晰，但不能保证流线的均匀性;最远种 子点法采用的策略不适合应用于大型数据集，另外当密度增大时会出现流线不连续情况； 基于图像的种子点放置策略用能量函数生成均匀流线，但耗时较长;基于对偶流线的布种 方法使用了贪心算法的思想来生成流线，保证了流线的覆盖性和连续性，并且可以扩展到 曲面上，但很难扩展到三维领域;基于熵理论的流线种子点选择算法使用了矢量场信息化 的信息框架，以独特的视角诠释了流线生成的信息意义。此外，国内王少荣等人提出了基于 出入度的布种策略[10]，定义了一个出入流差异矩阵，主要优点是解决了视觉上效果不连 续问题。2014年，王少荣等人还提出了基于聚类的二维向量场可视化方法[11]。该方法有很 好的鲁棒性，但仅局限于二维矢量场。在流线可视化中除了种子点选取方法之外，Gunther 等人提出基于流线的优化算法[12]，这种算法先随机生成流线，然后对流线进行全局优化 处理，主要优点是在保证重要的结构信息不缺失的情况下允许实时的浏览整个流场，但无 法处理大规模数据集。
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【发明内容】

[0018] 为克服现有技术的不足，实现在多密度的可视化结果中，高密度层次的结果具有 较少的流线，使用者可以清晰地观察到流场的大致结构，在低密度层次的流线结果中，使用 者可以观察到更多的细节，可以应用于二维或三