[发明专利]一种带边界平面流场的动态绘制方法

说明书

技术领域

本发明提供一种基于图像融合技术的带边界平面流场的动态绘制方法，其属于可视化技术领域，内容涉及图像融合技术及流场可视化技术，尤其涉及一种带边界平面流场的动态绘制方法。

背景技术

流场在科学计算和工程分析中扮演非常重要的角色，流场的可视化是理解流场运动变化规律的有力工具，在科学计算、工程分析、教学科普等领域中发挥着重要作用，具有重要的实际意义和研究价值。

点图标法(参见：王成恩,姜传彦,武新宇.基于几何图形的矢量场可视化技术.东北大学学报(自然科学版),2011,32(3),327-330)和矢量线法(参见：胡星,杨光.流线可视化技术研究与进展.计算机应用研究,2002,(05):8-11)是传统的流场可视化方法的代表，这两种方法都要求有较高的采样频率，否则可能会丢失流场的一些重要细节，而采样点过多又会导致图像混乱，并且这两种方法都不适用于对动态流场进行可视化。

基于纹理的方法中，点噪声方法(参见：Van Wijk J J.Spot noise:texture synthesis for data visualization.Computer Graphics,1991,25(4):309-318)是最早的基于纹理的流场可视化方法，该方法沿流场方向对噪声滤波来生成流场图像，依靠改变点的属性，可整体或局部地控制所产生的纹理模式。该方法不适合绘制流场中流线方向变化剧烈的局部区域。LIC方法(参见：Cabra L B,Leedo M C.Imaging vector fields using line integral convolution.ACM Computer Graphics,1993,27(4):263-270)用一维卷积核函数沿流线方向对噪声纹理进行卷积计算，生成可以表达流场模式的静态图像，该方法计算耗时，容易引入高频噪声，且很难反映流场动态强度。

刘庆平等申请的专利“流场可视化方法及装置”(申请号：200710055770.6)使用照相机、光源、遮光板、聚光镜和盛粒子器皿等装置实现流场观测与分析。该方法需要制作特别的硬件装置，其实现成本较高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，给出一种带边界平面流场的动态绘制方法，是一种基于图像融合技术的流场绘制方法。本方法即可以产生静态流场图像，也可以模拟流场动态运行过程，适用于各种类型的流场可视化绘制。

为了叙述方便，对相关的概念、符号做如下说明：

1.Ω＝[a,b]×[c,d]：即平面可视化区域，其宽为a～b，高为c～d，围成此区域的四条线段称为Ω的边界。

2.F(x,y；t)：表示流场，(x,y)为平面点坐标，t为时间。F(x,y；t)的值为点(x,y)处在t时刻的场值。当场值与t无关时，F(x,y；t)为稳定场；否则，为非稳定场。

3.C＝{c_k；k＝0,1,2,...}：区域Ω中的曲线集合，k为曲线标号。C中各曲线可以嵌套但不相交。若c_k为不封闭曲线，则其与Ω的局部边界构成封闭曲线。附图2为曲线示意图。

本发明采用的技术方案如下：

一种带边界平面流场的动态绘制方法，具体包括以下步骤：

A.确定可视化范围并进行栅格化处理：确定可视化范围Ω＝[a,b]×[c,d]中a,b,c,d的值，将Ω划分为N_Y行N_X列的四边形网格；计算栅格单元的宽DX和高DY，以及各栅格顶点坐标(x,y)；

B.确定流场的可视化边界：

预处理工作：将C中边界曲线c_k转化成由有序点列构成的折线；形成的折线表示为其中n+1为点列中点的个数，表示点列中第m个点；

确定与每条折线l_k对应的流场可视化边界：计算折线l_k与栅格线的交点，记为其中i为交点标号，i＝0,1,...；各交点形成沿折线l_k的有序点列，顺次连接这些交点，形成一条折线，将形成的折线设定为与l_k对应的流场可视化边界；

C.确定流场图像大小并构造背景噪声图像集，技术方案如下：

1)设定背景噪声图像为灰度图像；确定流场图像和背景噪声图像的宽、高；设定噪声图像集中图像幅数N；产生L个随机的图像灰度值，并存入环形有序序列A中；将A中元素的序号称为背景噪声图像像素的相位，计算变量t(t＜L)，称t为相位差；