[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

说明书

技术领域  

    本发明属于三维图像处理领域，涉及一种基于粒子系统的三维流体标矢量统一动态表示方法。

背景技术  

三维流体数据一般包括流体的流速和流体的本身属性；其中流速属于矢量，包括方向和大小；而流体本身的属性通常是标量，比如流体的密度、温度等。所以流体的三维表示，根据其数据类型可以分为标量场和矢量场表示。常用标量场表示方法包括：剖面重构法、三维等值面法和直接体绘制法等；矢量场的表示方法包括：箭标图的方法、基于流线的方法、基于纹理的方法等。流体本身的属性值随着流体的流动而变化，所以流体的标量数据和矢量数据有很强的相关性。在对流体进行三维表示的时候，如果将标量和矢量在同一个时空基准下表示，在同一个界面显示，可以更为直观的体现标量和矢量数据之间的关系。

描述流体的时空变化过程的数据模型包括基于场的时空格网模型和基于特征的时空过程数据模型。场模型适合表示在三维空间中连续变化的数据，适合表示流体的流速、温度、盐度等属性；而特征模型适合表示离散对象数据，特别适合表示涡旋等流体现象或者等温线等特征。

流体是具有不规则的几何外形和不确定性的模糊体，不能采用通常用来表示刚性体的三维表示模型，而Reeves提出的粒子系统方法能比较好地表示这类对象。粒子系统将许多简单形状的粒子作为基本元素聚集起来，形成一个不规则的模糊体。粒子系统中的粒子被赋予初始的位置、速度、颜色和生命周期等属性，这些属性值依据一定的变化规律动态地变化。

由于流体的流速和本身属性在时间和空间上都是连续变化的，适合采用基于场的时空格网模型作为动态表示的时空数据模型。基于粒子系统的流体三维标量场动态表示方法属于直接体绘制方法，基于粒子系统的流体三维矢量场动态表示方法属于箭标图法；基于粒子系统的流体三维动态表示方法可以方便地将标量和矢量数据进行统一表示。本申请提出了一种基于粒子系统的三维流体标矢量统一动态表示方法，采用基于场的时空格网数据模型，用直接体绘制方法和箭标图法在粒子系统中对流体三维标矢量数据进行统一动态表示。为了取得更好的视觉显示效果，本申请制定了基于视觉效果的动态表示规则。依据规则设置显示的空间和时间密度参数，对流体标矢量动态数据进行插值，使得数据显示时，粒子在空间上分布比较均匀，在时间上前后帧之间动态变化适中。

发明内容

本发明的目的在于针对流体对象，提供一种基于粒子系统的三维流体标矢量统一表示方法，统一地表示流体的三维速度矢量属性和流体本身的标量属性信息。提供的方法能适用于各种不同流体及其属性的动态三维表示。

本发明所采用的技术方案是一种基于粒子系统的三维流体标矢量统一表示方法，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：