[发明专利]一种基于粒子系统的三维流体标矢量统一动态表示方法

权利要求书

1.一种基于粒子系统的三维流体标矢量统一表示方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设定流体的动态表示规则，所述动态表示规则如下，

a，粒子的生命周期为3帧数据的时间间隔； 

b，三维流体数据通过三维规则格网数据表示，三维规则数据格网由三维空间网格点组成，三维空间网格点是三维空间中分布的采样点，采样点在三维空间呈规则分布，相邻采样点在在各个方向上的空间间隔相等，空间间隔记为空间密度参数                                                ；

粒子初始时刻在空间中的位置为三维空间网格点的位置； 

c，三维动态表示的前后帧的时间间隔记为时间密度参数，设置时间密度参数数值，使得所有粒子在、时间内的位移总是小于的最大值；

步骤2，根据步骤1所述动态表示规则，通过插值，将表示流体本身属性的标量数据和表示流体流速的矢量数据转化成同一时空基准下的三维规则格网数据；

步骤3，将步骤2转化后的标量数据和矢量数据按照时间的先后顺序分别存储，某一时刻标量数据和矢量数据在空间上采用八叉树模型对数据进行存储和管理； 

步骤4，根据待显示流体的区域、显示的尺度、显示的时间段，确定需要的标量数据和矢量数据，提取三维规则数据格网的空间间隔记为空间密度参数，时间间隔记为；

步骤5，依据步骤1所述动态表示规则设置时间密度参数，分为以下2个步骤：

步骤5.1，标量数据的格式是，其中是三维空间网格点的坐标，是该三维空间网格点的标量值，矢量数据的格式是，其中是三维空间点的坐标，是该三维空间网格点的矢量值，表示流体的速度矢量；计算步骤4所读取标量数据和矢量数据中的所有不同时间三维空间格网点上流体速度的大小，如以下公式（1）：

，

将最大值记为；

步骤5.2，分以下2种情况设置时间密度参数：

当时，令，进入步骤6； 

当时，令，进入步骤7，其中，表示取整数部分；

步骤6，采用粒子系统对流体进行三维动态表示，包括以下步骤：

步骤6.1，根据步骤4所确定需要的标量数据和矢量数据，按照时间先后顺序读取其中某一时刻的数据，设置相应的粒子系统，并赋予初始属性值，粒子的初始属性值作为粒子系统的第一帧显示；赋予初始属性值的实现方式如下，

所读取数据中的每个三维空间格网点，用一个粒子表示，粒子的初始属性值包括空间位置坐标、速度和颜色属性值，粒子的空间位置坐标是三维空间格网点坐标，粒子的速度是三维空间格网点的矢量值，粒子的颜色属性值是三维空间格网的标量值，每一个粒子的生命周期为3帧数据的时间间隔0～2；

步骤6.2，计算粒子在时刻和时刻的属性值，粒子在时刻的属性值，作为粒子系统的第二帧显示；粒子在时刻的属性值，作为粒子系统的第三帧显示，进入步骤8；计算粒子在时刻和时刻的属性值实现方式如下，

对于粒子系统中的任何一个粒子，记为,粒子在初始时刻的空间位置坐标记为，在初始时刻的速度记为,在初始时刻的颜色属性值记为；

在时刻，粒子的空间位置坐标记为，按照下面的公式（2）得到：

；

在时刻，粒子速度和颜色属性值保持不变，分别为和；

在时刻，粒子的空间位置坐标记为，按照下面的公式（3）得到：

；

在时刻，粒子的速度和颜色属性值保持不变，分别为和；

步骤7，采用粒子系统对流体进行三维动态表示，包括以下步骤：

步骤7.1，根据步骤4所确定需要的标量数据和矢量数据，按照时间先后顺序读取其中总共个时刻的数据，如果步骤4中所确定需要的标量数据和矢量数据总共只有个时刻，并且时，则按照时间先后顺序读取所有个时刻的数据；设置相应的粒子系统，并赋予初始属性值，粒子的初始属性值作为粒子系统的第一帧显示；当时，进入步骤7.2，当时，进入步骤7.3；

赋予初始属性值的实现方式如下，

将所读取第一个时刻数据中的每个三维空间格网点，用一个粒子表示，粒子的初始属性值包括空间位置坐标、速度和颜色属性值，粒子的空间位置坐标是三维空间格网点坐标，粒子的速度是三维空间格网点的矢量值，粒子的颜色属性值是三维空间格网的标量值，每一个粒子的生命周期为3帧数据的时间间隔0～2；

步骤7.2，计算粒子在时刻和时刻的属性值，粒子在时刻的属性值，作为粒子系统的第二帧显示；粒子在时刻的属性值，作为粒子系统的第三帧显示；

对于粒子系统中的任何一个粒子，记为,粒子在初始时刻的空间位置坐标记为，在初始时刻的速度记为,在初始时刻的颜色属性值记为；计算粒子在时刻和时刻的属性值通过以下迭代过程实现， 

步骤7.2.1,令n=1；

步骤7.2.2,按照以下公式（4）、（5）、（6）计算第n步粒子的空间位置坐标，该坐标的位置记为：

；

；

；

其中表示第n-1步粒子的空间位置坐标标，表示第n-1步粒子的速度；

步骤7.2.3,在时刻，位置处于一个以三维空间网格点为顶点组成的立方体中，若位置处于多个立方体的交界处时，选择读入的第一个立方体；立方体的顶点记为，其中；在时刻，三维空间网格点的速度记为，三维空间网格点的空间位置坐标记为，利用立方体的8个顶点，采用以下线性插值公式(7)，拟合粒子在位置处的速度：

，其中；

步骤7.2.4,当n小于时，令n=n+1, 返回步骤7.2.2求取下一步粒子的空间位置坐标和速度，直到时，结束迭代过程，进入步骤7.2.5；

粒子在时刻的属性值等于位置的属性值，位置的空间位置坐标为，速度为，颜色属性值通过以下线性插值公式(8)得到：

，

其中，为顶点的颜色属性值；

步骤7.2.5,将粒子的属性值用位置的属性值代替，返回步骤7.2.1得到粒子在时刻的属性值后，进入步骤8；

步骤7.3，

当时，进行步骤7.2的过程直到步骤7.2.4中，结束迭代过程；如果是整数，将粒子在位置处的属性值作为粒子系统第二帧显示的粒子属性值，否则将粒子在位置处的属性值作为粒子系统第二帧显示的粒子属性值；将粒子在位置处的属性值作为第三帧显示的粒子属性值，进入步骤8；

当时，进行步骤7.2的过程直到步骤7.2.4中，得到粒子在时刻的属性值，作为粒子系统的第二帧显示；再将粒子的属性值用位置的属性值代替，重复迭代过程步骤7.2.1到步骤7.2.4直到 ，结束迭代过程；将粒子在位置处的属性值作为第三帧显示的粒子属性值，进入步骤8；

步骤8，依次读取步骤6或者步骤7所得粒子在三帧的属性值，进行数据映射绘制并可视化；

步骤9，若步骤4所确定需要的标量数据和矢量数据中剩下有未读取的数据，返回到步骤6或者步骤7，直到步骤4所确定需要的标量数据和矢量数据都表示和可视化完毕。

2.根据权利要求1所述基于粒子系统的三维流体标矢量统一表示方法，其特征在于：步骤8进行数据映射绘制时采用以下方式，

粒子采用箭头表示；粒子的速度的大小表示为箭头的长度，方向表示为箭头的方向；粒子的空间坐标位置表示为箭头的箭尾位置；将粒子的颜色属性值依据以下公式（9）得到归一化的颜色属性值：

，其中为所选择显示的三维流体数据中颜色属性值的最大值；

箭头的颜色在RGB彩色空间中为，由以下公式（10）、（11）、（12）得到：

，

，

。