專利名稱：一種基于粒子系統(tǒng)的三維流體標(biāo)矢量統(tǒng)一動(dòng)態(tài)表示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維圖像處理領(lǐng)域，涉及一種基于粒子系統(tǒng)的三維流體標(biāo)矢量統(tǒng)一動(dòng)態(tài)表示方法。
技術(shù)背景三維流體數(shù)據(jù)一般包括流體的流速和流體的本身屬性；其中流速屬于矢量，包括方向和大?。欢黧w本身的屬性通常是標(biāo)量，比如流體的密度、溫度等。所以流體的三維表示，根據(jù)其數(shù)據(jù)類型可以分為標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)表示。常用標(biāo)量場(chǎng)表示方法包括剖面重構(gòu)法、三維等值面法和直接體繪制法等；矢量場(chǎng)的表示方法包括箭標(biāo)圖的方法、基于流線的方法、基于紋理的方法等。流體本身的屬性值隨著流體的流動(dòng)而變化，所以流體的標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的相關(guān)性。在對(duì)流體進(jìn)行三維表示的時(shí)候，如果將標(biāo)量和矢量在同一個(gè)時(shí)空基準(zhǔn)下表示，在同一個(gè)界面顯示，可以更為直觀的體現(xiàn)標(biāo)量和矢量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。
描述流體的時(shí)空變化過(guò)程的數(shù)據(jù)模型包括基于場(chǎng)的時(shí)空格網(wǎng)模型和基于特征的時(shí)空過(guò)程數(shù)據(jù)模型。場(chǎng)模型適合表示在三維空間中連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，適合表示流體的流速、 溫度、鹽度等屬性；而特征模型適合表示離散對(duì)象數(shù)據(jù)，特別適合表示渦旋等流體現(xiàn)象或者等溫線等特征。
流體是具有不規(guī)則的幾何外形和不確定性的模糊體，不能采用通常用來(lái)表示剛性體的三維表示模型，而Reeves提出的粒子系統(tǒng)方法能比較好地表示這類對(duì)象。粒子系統(tǒng)將許多簡(jiǎn)單形狀的粒子作為基本元素聚集起來(lái)，形成一個(gè)不規(guī)則的模糊體。粒子系統(tǒng)中的粒子被賦予初始的位置、速度、顏色和生命周期等屬性，這些屬性值依據(jù)一定的變化規(guī)律動(dòng)態(tài)地變化。
由于流體的流速和本身屬性在時(shí)間和空間上都是連續(xù)變化的，適合采用基于場(chǎng)的時(shí)空格網(wǎng)模型作為動(dòng)態(tài)表示的時(shí)空數(shù)據(jù)模型?；诹Ｗ酉到y(tǒng)的流體三維標(biāo)量場(chǎng)動(dòng)態(tài)表示方法屬于直接體繪制方法，基于粒子系統(tǒng)的流體三維矢量場(chǎng)動(dòng)態(tài)表示方法屬于箭標(biāo)圖法；基于粒子系統(tǒng)的流體三維動(dòng)態(tài)表示方法可以方便地將標(biāo)量和矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一表示。本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于粒子系統(tǒng)的三維流體標(biāo)矢量統(tǒng)一動(dòng)態(tài)表示方法，采用基于場(chǎng)的時(shí)空格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型，用直接體繪制方法和箭標(biāo)圖法在粒子系統(tǒng)中對(duì)流體三維標(biāo)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一動(dòng)態(tài)表示。為了取得更好的視覺(jué)顯示效果，本申請(qǐng)制定了基于視覺(jué)效果的動(dòng)態(tài)表示規(guī)則。依據(jù)規(guī)則設(shè)置顯示的空間和時(shí)間密度參數(shù)，對(duì)流體標(biāo)矢量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，使得數(shù)據(jù)顯示時(shí)， 粒子在空間上分布比較均勻，在時(shí)間上前后幀之間動(dòng)態(tài)變化適中。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)流體對(duì)象，提供一種基于粒子系統(tǒng)的三維流體標(biāo)矢量統(tǒng)一表示方法，統(tǒng)一地表示流體的三維速度矢量屬性和流體本身的標(biāo)量屬性信息。提供的方法能適用于各種不同流體及其屬性的動(dòng)態(tài)三維表示。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于粒子系統(tǒng)的三維流體標(biāo)矢量統(tǒng)一表示方法， 包括以下步驟步驟1，設(shè)定流體的動(dòng)態(tài)表示規(guī)則，所述動(dòng)態(tài)表示規(guī)則如下， a，粒子的生命周期為3幀數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔；b，三維流體數(shù)據(jù)通過(guò)三維規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)表示，三維規(guī)則數(shù)據(jù)格網(wǎng)由三維空間網(wǎng)格點(diǎn)組成，三維空間網(wǎng)格點(diǎn)是三維空間中分布的采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)在三維空間呈規(guī)則分布，相鄰采樣點(diǎn)在在各個(gè)方向上的空間間隔相等，空間間隔記為空間密度參數(shù)Ah ；粒子初始時(shí)刻在空間中的位置為三維空間網(wǎng)格點(diǎn)的位置；c，三維動(dòng)態(tài)表示的前后幀的時(shí)間間隔記為時(shí)間密度參數(shù)Δ ，設(shè)置時(shí)間密度參數(shù)u數(shù)值，使得所有粒子在Δ 、2Δ|時(shí)間內(nèi)的位移總是小于 的最大值；步驟2，根據(jù)步驟1所述動(dòng)態(tài)表示規(guī)則，通過(guò)插值，將表示流體本身屬性的標(biāo)量數(shù)據(jù)和表示流體流速的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成同一時(shí)空基準(zhǔn)下的三維規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)；步驟3，將步驟2轉(zhuǎn)化后的標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)按照時(shí)間的先后順序分別存儲(chǔ)，某一時(shí)刻標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)在空間上采用八叉樹(shù)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理；步驟4，根據(jù)待顯示流體的區(qū)域、顯示的尺度、顯示的時(shí)間段，確定需要的標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，提取三維規(guī)則數(shù)據(jù)格網(wǎng)的空間間隔記為空間密度參數(shù)ΔΑ ,時(shí)間間隔記為ΔΤ ； 步驟5，依據(jù)步驟1所述動(dòng)態(tài)表示規(guī)則設(shè)置時(shí)間密度參數(shù)Δ ,分為以下2個(gè)步驟 步驟5. 1，標(biāo)量數(shù)據(jù)的格式是(Wrf)，其中(χ,7，ζ)是三維空間網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)，d是該三維空間網(wǎng)格點(diǎn)的標(biāo)量值，矢量數(shù)據(jù)的格式是Vir, V^2),其中(xjX)是三維空間點(diǎn)的坐標(biāo)，(VpVpK)是該三維空間網(wǎng)格點(diǎn)的矢量值，表示流體的速度矢量；計(jì)算步驟4所讀取標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)中的所有不同時(shí)間三維空間格網(wǎng)點(diǎn)上流體速度的大小，如以下公式(1)F=小 / (1), 將最大值記為F·；步驟5. 2，分以下2種情況設(shè)置時(shí)間密度參數(shù)ΔΙ
權(quán)利要求
1. 一種基于粒子系統(tǒng)的三維流體標(biāo)矢量統(tǒng)一表示方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，設(shè)定流體的動(dòng)態(tài)表示規(guī)則，所述動(dòng)態(tài)表示規(guī)則如下， a，粒子的生命周期為3幀數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔；b，三維流體數(shù)據(jù)通過(guò)三維規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)表示，三維規(guī)則數(shù)據(jù)格網(wǎng)由三維空間網(wǎng)格點(diǎn)組成，三維空間網(wǎng)格點(diǎn)是三維空間中分布的采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)在三維空間呈規(guī)則分布，相鄰采樣點(diǎn)在在各個(gè)方向上的空間間隔相等，空間間隔記為空間密度參數(shù)Ah ；粒子初始時(shí)刻在空間中的位置為三維空間網(wǎng)格點(diǎn)的位置；c，三維動(dòng)態(tài)表示的前后幀的時(shí)間間隔記為時(shí)間密度參數(shù)Δ ，設(shè)置時(shí)間密度參數(shù)Δ 數(shù)M值，使得所有粒子在、。Λ#時(shí)間內(nèi)的位移總是小于；的最大值；ΔI δΔ￡Z步驟2，根據(jù)步驟1所述動(dòng)態(tài)表示規(guī)則，通過(guò)插值，將表示流體本身屬性的標(biāo)量數(shù)據(jù)和表示流體流速的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成同一時(shí)空基準(zhǔn)下的三維規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)；步驟3，將步驟2轉(zhuǎn)化后的標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)按照時(shí)間的先后順序分別存儲(chǔ)，某一時(shí)刻標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)在空間上采用八叉樹(shù)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理；步驟4，根據(jù)待顯示流體的區(qū)域、顯示的尺度、顯示的時(shí)間段，確定需要的標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，提取三維規(guī)則數(shù)據(jù)格網(wǎng)的空間間隔記為空間密度參數(shù)M ,時(shí)間間隔記為ΔΓ ； 步驟5，依據(jù)步驟1所述動(dòng)態(tài)表示規(guī)則設(shè)置時(shí)間密度參數(shù)Δ ,分為以下2個(gè)步驟 步驟5. 1，標(biāo)量數(shù)據(jù)的格式是(DMrf)，其中江7力是三維空間網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)， 是該三維空間網(wǎng)格點(diǎn)的標(biāo)量值，矢量數(shù)據(jù)的格式是(U，HUJ，其中(Hz)是三維空間點(diǎn)的坐標(biāo)，(K,Vjl^J是該三維空間網(wǎng)格點(diǎn)的矢量值，表示流體的速度矢量；計(jì)算步驟4所讀取標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)中的所有不同時(shí)間三維空間格網(wǎng)點(diǎn)上流體速度的大小，如以下公式(1)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于粒子系統(tǒng)的三維流體標(biāo)矢量統(tǒng)一表示方法，其特征在于 步驟8進(jìn)行數(shù)據(jù)映射繪制時(shí)采用以下方式，粒子采用箭頭表示；粒子的速度的大小表示為箭頭的長(zhǎng)度，方向表示為箭頭的方向； 粒子的空間坐標(biāo)位置表示為箭頭的箭尾位置；將粒子的顏色屬性值^丨依據(jù)以下公式(9)得到歸一化的顏色屬性值輯
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于粒子系統(tǒng)的三維流體標(biāo)矢量統(tǒng)一動(dòng)態(tài)表示方法，包括以下步驟基于顯示的視覺(jué)效果制定涉及三維數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示的空間密度、時(shí)間密度和顯示幀數(shù)的動(dòng)態(tài)表示規(guī)則；根據(jù)動(dòng)態(tài)表示規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用八叉樹(shù)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，結(jié)合流體的最大速度和動(dòng)態(tài)表示規(guī)則設(shè)置表示的時(shí)間密度，采用粒子模型進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)表示。本發(fā)明方法利用粒子系統(tǒng)，將流體的流速和其它標(biāo)量屬性統(tǒng)一地進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)表示；基于視覺(jué)顯示效果，根據(jù)流體自身的流速快慢設(shè)置三維動(dòng)態(tài)表示的時(shí)間間隔和空間間隔參數(shù)，使得粒子在空間分布比較均勻，動(dòng)態(tài)效果更加明顯，并且避免了不同粒子前后幀數(shù)據(jù)的混淆。
文檔編號(hào)G06T13/20GK102521863SQ20111039154
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者劉軍, 王毓乾, 邵振峰 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)