基于颜色插值的电网换相失败线路范围划分算法的制作方法

1.本发明涉及数据可视化分析领域，特别涉及一种基于颜色插值的电网换相失败线路范围划分算法。


背景技术：

2.机电
‑
电磁混合仿真评估技术需要根据故障形成批量暂稳作业，并且需要对批量作业中换相失败的线路进行统计并通过人工对统计值相同的区域进行着色。由于电网地理接线图数量大，而且相同失败线路数量散落在地理接线图的不同区域呈极为不规则的形状，并非传统意义上的凸包。图2列举了机电
‑
电磁混合仿真评估真实场景中手工填充的换向失败线路等值范围划分。
3.基于marching square的等高线算法无法满足非凸包等值范围划分及颜色填充的要求。matt duckham等提出一种基于delaunay三角形构造点集的非凸包边缘多边形的计算方法，其基本思想如图3所示。非凸包计算采样点边缘曲线方法仅适用于采样点密集的场景。类似的，一些学者提出基于voronoi图的近似边缘多边形计算方法。上述两类算法的计算复杂度为"o(nlgn),n为点数。然而此类算法都无法识别不连通的等值范围。


技术实现要素：

4.本发明提出一种基于颜色插值的等值范围划分算法，目的在于解决等值范围划分问题中非凸边界多边形计算复杂度高且要求等值中心点密度高的缺陷，通过基于颜色插值方法在线性时间内实现非凸包等值范围的划分，此项发明主要用于机电
‑
电磁混合仿真评估的换相失败线路范围划分。
5.为实现上述的发明目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于颜色插值的电网换相失败线路范围划分算法，包括步骤：
7.1)根据等值中心点的数值将中心点分为不同集合s
i
，并确定不同等值中心点在屏幕空间内的坐标位置；
8.2)根据像素点到等值中心点的距离，计算等值中心点附近各像素点对应的影响程度值；
9.3)根据各等值中心点的数值，将影响程度值以灰度值存于不同等值图层；
10.4)对多个不同等值图层进行叠加合成，计算各像素点的叠加综合影响程度，以确定各像素点所属的集合s
i
；
11.5)填充集合s
i
内每个像素点的颜色绘制划分范围着色图。
12.优选的，所述步骤1)的具体过程包括：
13.1.1)根据等值中心点的数值将中心点分为不同集合s
i
；
14.1.2)对每个集合s
i
内的等值中心点赋值相同的灰度原始值u
i
；
15.1.3)对齐屏幕坐标原点与中心点集坐标原点；
16.1.4)计算不同点集中每个中心点在屏幕中的坐标。
17.优选的，所述步骤2)的计算过程包括：
18.2.1)计算像素点(x
,
y)到对应的等值中心点(x
i,
y
i
)的距离d；
19.2.2)根据距离d，计算像素点(x
,
y)的受影响程度；
20.2.3)若受影响程度值低于设定阈值ε，则停止计算更远处的像素点。
21.优选的，步骤2.2)采用的计算公式如下：
[0022][0023]
其中α＜0,u
i
为灰度原始值。
[0024]
优选的，在所述步骤3)中，以二维纹理的形式将影响程度值分别存于图片对应的像素点。
[0025]
优选的，在所述步骤4)中，通过预先定义的图层颜色，按照混合影响因子进行线性叠加获得最终的灰度值分量，作为叠加综合影响程度。
[0026]
进一步优选的，所述步骤4)的计算过程包括：
[0027]
4.1)设每个图层对应坐标的影响程度值为a
x，y，i
，该图层的灰度值为u
i
，每个图层的影响概率为影响概率为各图层中心点数与中心点总数的比值，可计算如下：
[0028]
其中c
i
为图层i的中心点数，s为总中心点数；
[0029]
叠加综合影响程度对应的计算公式为：
[0030][0031]
由于各图层总影响概率为1，即：
[0032]
4.2)确定每个像素点所属的等值范围：
[0033]
通过比较每个等值范围的灰度值来确定该像素点所属的等值范围，计算公式如下：
[0034][0035]
当叠加综合影响程度与图层i的灰度值最接近则将(x,y)像素添加入集合s
i
，如果叠加综合影响程度与任一图层的灰度值相差较大则将不对该像素做任何处理。
[0036]
优选的，所述步骤5)的具体计算过程包括：
[0037]
步骤5.1)为不同的等值划分范围分配不同的rgb值；
[0038]
步骤5.2)根据每个像素点所属的等值范围填充颜色绘制着色图。
[0039]
本发明的算法通过颜色插值填充不同中心点的覆盖范围，自然地划分各类等值范围的边界，在"o(n)复杂度下即可获得非凸包等值范围；由于本算法基于像素计算，在高分辨率屏幕空间中其边缘更加平滑。
附图说明
[0040]
图1为基于颜色插值的电网换相失败线路范围划分算法流程图；
[0041]
图2为换相失败线路范围划分手工作图；
[0042]
图3为基于delaunay三角形构造点集的非凸包边缘多边形方法；
[0043]
图4表示三个不同等值范围的点集划分；
[0044]
图5为单一等值范围实际效果图；
[0045]
图6为电网换相失败线路6个等值范围划分实际效果图；
具体实施方式
[0046]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
[0047]
如图1所示，基于颜色插值的电网换相失败线路范围划分算法，其实现方法具体分为以下几步：
[0048]
(1)确定不同等值中心点在屏幕空间位置；
[0049]
a)根据等值中心点的数值将中心点分为不同点集s
i
，图4列出了不同等值的中心点划分情况，其中等值为1的点集为{(1,1,1),(2,0,1),(2,3,1),(4,1,1)},等值为3的点集为{(0,4,3),(1,7,3),(2,5,3),(4,4,3)}，等值为6的点集为{(3,8,6),(5,6,6),(5,9,6),(6,7,6),(6,8,8)}，其中前两位为坐标值，最后一位为等值数值；
[0050]
b)对每个等值点集的中心点赋值相同的灰度值u
i
，为方便后续计算灰度值按等值数值在[0,255]范围内等比例缩放；
[0051]
c)对齐屏幕坐标原点与中心点集坐标原点；
[0052]
d)计算不同点集中每个中心点在屏幕中的坐标。
[0053]
(2)计算屏幕空间中等值中心点附近各像素点所受影响程度；
[0054]
a)计算像素点(x,y)到中心点(x
i
,y
i
)的距离d；
[0055]
b)像素点(x,y)的受影响程度计算公式如下：
[0056][0057]
其中α＜0,u
i
为灰度原始值。
[0058]
c)若受影响程度值低于阈值ε则停止计算更远处的像素点，阈值ε可以根据点的分布密度进行确定。
[0059]
(3)影响程度值以灰度值存于不同图层；
[0060]
a)对每个中心点集建立一个二维数组，图4中等值为1,3,6的点集分别对应三个二维数组，实际大小根据上一步骤的计算动态调整；
[0061]
b)将步骤(2)中像素点影响程度值按像素坐标分别存于不同的二维数组中；
[0062]
c)二维数组以着色图像素值存于gpu内存便于下一步计算。
[0063]
(4)对多个不同等值图层进行叠加合成计算；
[0064]
考虑到屏幕空间中任一像素点都可能会受到不同等值图层的影响，为此本发明根据不同图层的影响概率混合叠加计算像素点的综合影响程度。
[0065]
设每个图层对应坐标的影响程度值为a
x,y,i
，该图层的灰度值为u
i
，每个图层的影响概率为影响概率为各图层中心点数与中心点总数的比值，可计算如下：
[0066]
其中c
i
为图层i的中心点数，s为总中心点数。
[0067]
叠加综合影响程度对应的计算公式为：
[0068][0069]
由于各图层总影响概率为1，即：
[0070][0071]
易证，此叠加计算公式和图层叠加次序无关，并且对于[0,255]的原始数值进行叠加后，不会超出[0,255]区间。
[0072]
依据上述计算可以得出任意一个像素点的叠加综合影响程度，可以通过比较每个等值范围的灰度值来确定该像素点所属的等值范围，计算公式如下：
[0073][0074]
当叠加综合影响程度与图层i的灰度值最接近则将(x,y)像素添加入集合s
i
，如果叠加综合影响程度与任一图层的灰度值相差较大则将不对该像素做任何处理。
[0075]
混合计算的结果保存成新的着色图纹理存于gpu设备。
[0076]
(5)填充每个像素点的颜色绘制划分范围着色图
[0077]
利用opengl纹理着色器对集合s
i
中的所有屏幕像素点赋值相同的颜色值并生成图片，划分区域边缘光滑且对于不相邻的等值范围能够加以区分。图5列出了针对实际数据的换相失败线路单一等值范围划分效果，图中着色区域为非凸多边形，划分结果边缘光滑。图6列出了6个等值范围的实际划分着色效果，不同等值范围界限分明且边缘光滑。
[0078]
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。