基于LIC的海洋流场数据可视化技术研究及应用..doc

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1、基于LIC的海洋流场数据可视化技术研究及应用摘要：实现了海洋流场数据的可视化。整个过程首先采用双线性插值对数据进行预处理，然后使用LTC算法对各像素点进行纹理运算，得到输出图像的纹理信息，将纹理信息与颜色信息进行融合后得出各像素点的最终像素值，最终通过OpenGL将流线的绘制结果显示出来。实验结果验证了上述方法的可行性。关键词：流场数据可视化线卷积积分双线性插值中图分类号:TN957.52文献标识码:A文章编号：1007-9416(2016)06-0000-001引言科学可视化是融合了图形学、计算机视觉、数据管理、图像处理和人机交互等多学科的一门新兴的综合学科。科学可视化的方

2、法在发展到一定程度后可以与相关的领域结合应用，这可将科学实验结果以及大规模的计算数据直观地呈现出-来，为用户挖掘数据中的深层信息提供极大的便利。由于自然界没有直接可用的表现矢量数据的可视化的表达模型，目前针对这类数据还没有找到一种可以通用的技术。然而海洋水体中采集的数据大部分为矢量场数据，矢量场的可视化对理解复杂的流体制意义重大，所以寻求有效的解决方案是十分必要的。矢量场中的特征各有不同，通常特征对流场数据描述的精确度与特征的维数正相关，因此常选取维数相对较高的特征来描述流场。对于这类特征，其可视化方法大致分为四种方法。直接法：直接将相应特征的数据表现出来，不进行分析操作，此

3、方法直观、易懂、运算量相对小。几何法：在流线上指定一系列点，记录这些点的运动轨迹；基于这些轨迹来绘制几何对象。基于特征的方法：提取数据中被用户视为有意义的部分，对这一部分信息进行可视化操作。基于纹理的方法：将向量场的局部性质呈现给可视化向量场，这类方法可以在一些复杂的流场中，绘制出一个具备很多细节的密集连贯的可视化结果。基于纹理的可视化可以依赖的技术可归纳为点噪声技术、线积分卷积（LIC）、纹理平流和运用GPU的技术等。本文选用基于纹理的线卷积积分（即LTC方法）实现海洋流场数据的可视化，为海洋领域的研究提供新的方法。2关键技术2.1双线性插值由于采集的海洋流场数据点是离散旦

4、无特殊规律可循的一个离散的点集，而计算机在处理无规则的数据时有很大难度，因此为了流场数据可视化的顺利进行，对海洋流场数据进行预处理是必不可少的。本文的数据预处理工作采用双线性插值法进行。双线性插值，又称为双线性内插，是含有两个变量的插值函数的线性插值扩展，其核心思想是在两个方向分别进行一次线性插值。如图1所示，设要得到未知函数在点的值，假设函数在四个点的函数值是已知的。第一步，沿着轴的方向采用线性插值的方法进行插值操作，经过这一步操作可以得到的坐标值。第二步，沿着轴的方向进行线性插值，得到的坐标。这样就得到所要的结果。2.2龙格库塔法在求解微分方程的众多方法中，龙格库塔法是一

5、种较为常用，精度也较高的方法。因此，龙格库塔方法在工程领域的应用也较为广泛。泰勒公式和用斜率作为近似表达微分，是龙格库塔算法的两大特征。其主要思路是将积分区间上计算出几个点的斜率进行加权平均，得到的结果作为下一组计算参考。根据预先计算的点的个数不同，龙格库塔算法可以分为二阶龙格库塔法、四阶龙格库塔法等。2.3线卷积积分LTC（LineIntegralConvolution,线卷积积分）是流场纹理方法中最主要的一种技术，其主要思路是以矢量场数据的噪声纹理为根据进行低通滤波，生成具有矢量方向相关性的纹理图像。输出图像中每一点的像素值如下：其中，是输出图像中像素的灰度值；是噪声图像

6、中像素的灰度值;和分别是沿流线正向、反向第步的像素位置；和分别是正向和反向流线的积分步数；表示反向流线的权值。LIC方法基于运动模糊的图像处理，在流场数据的方向上进行卷积滤波，使得结果可以表现出流线的空间相关性。LIC算法可以提高处理数据的效率，每一个像素点的速度矢量也能较为快速的得到。LTC通常选择白噪声作为输入纹理，本文也是这么操作的。采用卷积积分的方法得出每一个像素点的输出纹理值。第一步，针对成像区域中的每一个像素点，沿着其流场的正、反两个方向进行积分操作，这的积分操作是对称的。通过这过程可得到该点的流线。第二步，每个像素点对应的输入噪声值根据选取的卷积核参与卷积，得到

7、的结果作为输出纹理的像素值。3海洋流场数据可视化设计与实现本文设计了基于LTC的海洋流场数据可视化的流程如下：首先，从数据文件中读取出海洋二维流场可视化数据。将读取处的数据存入预先定义好的的数据结构中；建立均匀网格的结构化数据模型，然后对数据运用线性插值法进行预处理，使流场数据均匀的分布在二维网格±o本文定义一个新的数据结构，其数据组成包括经度位置、纬度位置，在经度方向的速度大小和在纬度方向的速度大小。第二，输入噪声确定为白噪声，同时设置好流线的控制参数。其中，步数设置的在进行卷积运算的次数，即通过几步