基于Morphing变形技术的中尺度涡旋可视化算法
【专利摘要】本方法属于物理海洋、计算机图形图像处理、海洋可视化交叉领域，具体涉及一种基于变形（Morphing）技术的中尺度涡旋可视化算法。本方法基于中尺度涡旋追踪的轨迹数据，针对每条轨迹，在相邻的涡旋位置处，采用Morphing技术，首先对涡旋的原始边界和目标边界进行重采样获取特征点，然后用豪斯道夫（Hausdorff）距离匹配来确定特征点之间对应位置，采用最小二乘法建立涡旋边界特征点之间的变换关系，中间时刻涡旋特征点根据变换关系获得，中间时刻特征点之间的线段则通过线性插值获得，最终组织、保存涡旋边界原始信息和Morphing得到的涡旋中间信息，进而对涡旋运动过程中的形状演变进行可视化表达。为更好的追踪涡旋和了解涡旋的生长、衰亡形态演变提供技术支持。
【专利说明】
基于Morph i ng变形技术的中尺度满旋可视化算法
技术领域
[0001] 本发明设及物理海洋、计算机图形图像处理和海洋可视化领域，更具体地说，运是 一种基于变形(Mo巧hing)技术建立中尺度满旋形状演变过程的可视化算法。
【背景技术】
[0002] 中尺度满旋作为海洋中重要现象，素有"海洋中的气候"一称，它的时间尺度为几 天到几年，空间尺度为几十千米到几百千米，对海洋中的物质和能量的运输有着重要的作 用。不仅如此，满旋还影响着海气相互作用，对海洋内部物质的生物地球化学过程也有着重 要的作用。随着遥感技术的发展，使得大规模的观测海洋现象成为可能，空间精度和时间精 度都大大提高，但是对于瞬息万变的海洋来说，仍然存在因为数据精度不够而带来的信息 缺失的问题。如何能够在现有法国卫星海洋数据存档、验证和解译项目（Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data，AVIS0)数据时间 分辨率不足的基础上，更好地对高于数据时间分辨率的满旋生命周期中形态的变化进行模 拟，对满旋的演变规律的研究有着重要作用。
[0003] 满旋的可视化目前主要分为满旋的海表二维可视化和满旋的Ξ维可视化，且可视 化算法大多集中在对采用不同识别算法所识别的感兴趣区域的满旋进行可视化，或者用示 意图来代表单个或全球满旋的分布。但是W上方法并没有从追踪、满旋形状演变的角度对 满旋整个生命周期的变化进行长时间序列的可视化，因此不利于满旋的整个生命周期中形 状变化的统计和研究。目前高于原始数据时间分辨率的满旋形状没有很好的手段可W表 达。
[0004] 随着计算机图形图像技术的发展，Mor地ing技术越来越多的应用在教育、电影、动 画和信息产业，近年来，更是扩大至地理信息领域，为地理信息的研究带来了更好的解决方 案。作为一种形态渐变技术，Mo巧hing可W对形状和颜色进行渐变，二维Mo巧hing技术比较 经典的有基于网格的变形算法和域变形算法，关键在于特征点的选取、特征点间关系的建 立及最后形状的插值。
[0005] 目前Mo巧hing技术在地学方面的应用主要有Ξ维建模、二维河网、道路等，尚没有 将Morphing技术应用于中尺度满旋的研究中。而海洋瞬息万变，相对来说卫星数据的时间 分辨率较低，Mor地ing技术应用于中尺度满旋边界演变研究，会对满旋的理解提供技术支 持。
【发明内容】
[0006] 本发明提出了一种基于Mo巧Mng技术的中尺度满旋可视化方法，属于海洋信息可 视化范畴。该算法首先基于满旋追踪轨迹数据集，选取满旋边界特征点，采用豪斯道夫 (化usdorff)距离确定特征点对应位置，再对相应的特征点采用最小二乘法建立对应关系， 对中间过渡的满旋运动线性插值获取形状信息，从而对满旋时间分辨率之间的中间时刻形 状演变过程进行更好地可视化表达。
[0007]本发明的有益效果在于：该算法能够对全球的中尺度满旋轨迹数据进行基于 Morphing技术的可视化，能够在目前遥感数据时间分辨率仍存在不足，难W弥补中间时间 点海洋现象形变监测缺失的情况下，对于轨迹数据上的满旋信息，进行合理的线性插值获 取中间时间点（即高于原始数据时间分辨率的时间点）的满旋边界，最终达到对满旋形状演 化进行计算和连续过渡的可视化效果。
【附图说明】
[000引图1中尺度满旋Mo巧hi ng可视化策略。
【具体实施方式】
[0009]为了实现对中尺度满旋形态演化的可视化，下面对数据的组织、可视化策略进行 详细的说明：1.首先对满旋的轨迹数据进行获取、组织，将数据中满旋的信息及路径进行 抽取。抽取出的信息包括满旋的中屯、点、轨迹点、满旋边界坐标及对应的时间，作为下一步 的输入。2.根据轨迹上的满旋边界信息，进行重采样获取特征点。特征点采用满旋边界的 上、下、左、右四个点的坐标，其中特征点的选取采用过满旋中屯、作两条相互垂直的线，线与 满旋边界的交点即选为满旋的上下左右四个特征点的选择可W有效的控制满旋的变形过 程，即实现原模型f。到目标模型fd的变化。3.建立特征点之间位置对应关系。由于满旋无时 无刻不在变化，边旋转边运动。因此，对于选定的特征点分割的边界线段，进行豪斯道夫 (化usdorff)距离计算，距离越小，相似性越大，从而确定满旋原始模型时和目标模型fd特征 点之间对应的位置。4.根据3确定了位置之后，采用最小二乘法建立特征点之间的变换关 系
中间过渡图形则通过特征点的位置和对应关系，进行线性 插值得到。经过特征点的选取，根据对应关系得到中间时刻的特征点，中间时刻特征线段则 通过中间时刻特征点线性插值得到。6.在获得了 W上中间时刻的特征点和插值后的线段 后，对数据进行保存，分别按照时间节点捜索满旋对应数据、进行可视化，按照满旋路径轨 迹对原始图形和插值图形进行可视化，从而得到连续的变化效果。
【主权项】
1. 一种基于Morphing变形技术的中尺度涡旋可视化算法，其特征在于包括如下步骤： (1)对中尺度涡旋追踪的轨迹数据集进行预处理，抽取出涡旋的属性信息；（2)根据轨迹上 的涡旋边界信息，进行重采样获取特征点，特征点分别采用涡旋边界的上、下、左、右四个点 的坐标，其中特征点的选取采用过涡旋中心作两条相互垂直的线，线与涡旋边界的交点即 选为涡旋的上下左右四个点；（3)建立特征点之间位置对应关系对于选定的特征点分割的 边界线段，进行Hausdorff距离计算，距离越小，相似性越大，从而确定涡旋原始模型和目标 模型特征点之间对应的位置；（4)根据(3)确定了位置之后，采用最小二乘法建立特征点之 间的变换关系；（5)中间过渡图形则通过特征点的位置和变换关系，进行线性插值得到，经 过特征点的选取，可以根据对应关系得到中间时刻的特征点，根据然后中间时刻特征线段 则通过中间时刻特征点线性插值得到；（6)在获得了以上中间时刻的特征点和插值后的线 段后，对数据进行保存，分别按照时间节点搜索涡旋对应数据、进行可视化，按照涡旋路径 轨迹对原始图形和插值图形进行可视化，从而得到连续的变化效果。2. 权利要求1所述的算法，其特征在于，所述步骤（1)中，涡旋的轨迹数据集是通过多年 海表面高度异常数据集，数据集中包含涡旋轨迹的经炜度数据，每个轨迹点还附带有该点 处涡旋的属性信息，包括涡旋的边界坐标、生成时间和索引信息。3. 权利要求1所述的算法，其特征在于，所述步骤(2)中，在可视化过程中对轨迹上相邻 位置的涡旋的属性信息采用Morphing技术，采用最小二乘法建立涡旋边界特征点之间的对 应关系；其中，边界特征点的选取采用涡旋边界上、下、左、右四个点代表；中间的过渡图像 则根据位置和变换关系采用线性插值获得，最终实现涡旋边界的平滑过渡，从而能够对整 个涡旋的演变过程进行可视化。
【文档编号】G06F19/00GK105844104SQ201610185268
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】田丰林, 陈戈, 孙苗
【申请人】中国海洋大学