基于线积分卷积和矢量线法的动态海洋数据可视化

发布时间：2020-10-01 16:13

　　矢量场可视化可以帮助人们认知理解复杂数据的规律,是科学计算可视化中的研究热点。本文基于线积分卷积方法和矢量线法进行了可视化的算法优化工作。针对线积分卷积方法我们主要做了如下改进:在二维稳定场中,当背景噪声为白噪声时,我们设计并采用了“十字”高通滤波从而达到增强不同流线间的对比度和同一条流线的连续性的目的;采用了插值离散背景白噪声的方法从而将其变为连续背景白噪声,因此解决图像中局部地区出现的流线纹理反走样的现象。在二维稳定场中,当背景噪声为稀疏噪声时,我们依据矢量场的方向改变稀疏背景噪声的噪声群的指向,从而使形成的流线更加清晰明亮;采用赋予海流随机的初始相位的方法来解决稀疏噪声循环动画突兀的问题;采用忽略稀疏背景噪声流线追踪时非主流线部分的纹理点的积分计算的方法来解决流线发散或者汇聚处流线散乱粗糙的问题;通过对海流数据进行插值并改善边界流线追踪条件的方法可形成完整细致的全球海流图像;设计利用相同长度的流线的运动快慢来表达矢量场的大小的方法。在二维非稳定场中,我们采用二次值散射和“十字”高通滤波的方法来增强图像流线纹理的对比度和连续性。矢量线法的主要问题就是种子点的选取问题。我们采用概率密度的方法来控制矢量场中流线的疏密程度,每个粒子头部为圆心形成一个概率密度函数影响域,通过叠加一起的函数的值的大小来决定流线的生成和消隐,从而保证矢量场中流线的均匀合理分布;对于流出边界的流线,改变其消隐方法,让其变为渐渐缩短的现象,使其更加符合人们的认知;对于边界处流线集体往矢量场内侧流动的区域,该区域随着时间的推移会出现空缺的现象,我们采用针对同一轨迹线上的流线二次绘制的方法来解决此问题。最终,通过采用我们的改进方法并结合海流和风暴潮的数据形成的图像和动画,可以发现可视化效果在诸多方面都明显的得到了提升。
【学位单位】：自然资源部第一海洋研究所
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P714
【部分图文】：

迹线,流线,种子点,矢量线

图 2-2 多个时刻的流线、迹线和脉线图 2-3 时线矢量线法也可以很好的刻画矢量场的变化情况，加上一些光照、透明度等处理之后，动画可视化效果好，但通过矢量线来描述矢量场也主要存在两个问题，一个是种子点的问题选择问题，另一个是矢量线的生成绘制问题。其中，种子点的选择是一大难题，种子点选取过于稀疏，则会造成矢量场的细节表达不清晰的问题，种子点的选取过于密集会造成流线出现明显的汇聚现象，影响其表达效果。

矢量场,矢量线,时线,透明度

9图 2-3 时线可以很好的刻画矢量场的变化情况，加上一些视化效果好，但通过矢量线来描述矢量场也主问题选择问题，另一个是矢量线的生成绘制问题，种子点选取过于稀疏，则会造成矢量场的细取过于密集会造成流线出现明显的汇聚现象，由于视角的问题，流线会出现遮挡、缠绕、分取显示的种子点的位置是一大研究热点。的可视化

条纹,改进方法

研究综述时间内的粒子移动，并导致在粒子在局部流动方向上产生条纹。点噪声形成的图像质量不是很高，而且不适用与变化剧烈的区域。纹理平流主要是通过平移纹理是表现流动，按照流动方向可以分为向前平流和先后平流，可以表示非稳定场，主要包括 IBFV[5]，ISA[6]，LEA[7]等。线积分卷积是沿着流场方向对噪声纹理进行卷积积分，从而产生与矢量场方向高度相关的纹理图像。线积分卷积一般有两种背景噪声纹理：白噪声和稀疏噪声。线积分卷积在继承了基于纹理法的优点的基础上，由于其高质量的输出图像，可以细致刻画变化剧烈的矢量场和可动态表示矢量场等优点，因此得到了更加广泛的研究和应用，同时线积分卷积也可以用来表示非稳定矢量场和三维矢量场。2.3 国内外研究现状2.3.1 线积分卷积（LIC）的国内外研究现状

【参考文献】