[发明专利]基于流线生长法的纹理生成方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形学的科学计算可视化领域，主要涉及一种纹理生成方法，特别是涉及一种基于流线生长法的纹理生成方法。

背景技术

“纹理”(Texture)是科学计算可视化学科中一种常用的矢量场可视化技术，其基本功能是对科学研究中产生的大量矢量场数据(例如流体的速度场，机械设备受热后的温度梯度场等)进行描述，将大量抽象数据转化为直观的图像表达出来。纹理方法最大的特点是能提供像素级的矢量场细节描述能力，更利于科研人员分析、理解、挖掘数据本质。

现有的纹理生成算法可分为几种基本思路。

第一种方法是“点噪声”法。首先生成覆盖矢量场的白噪声，然后沿着各点处矢量径向拉伸点噪声，程度与矢量大小成比例。变形后的点噪声就能反映所在点矢量方向和大小。这种思路产生的纹理很粗糙，成像效果不理想。

第二种方法LIC(线积分卷积)方法。首先生成覆盖流场的白噪声，然后将每一个像素作为种子点向上下游追踪一定长度的流线，再对途经的所有像素进行卷积，就得到了种子点处的输出像素灰度值。这种方法最大的优点是生成的纹理图像对流场的描述很清晰，对流场中每一点处的矢量方向都有很好的指向性。最大的缺点是速度慢。由于对矢量场中每个像素都要进行流线追踪和卷积运算，因此速度很慢。

第三种是“纹理合成”法。预先绘制模板纹理，然后从中随机切割出纹理条，将其沿流线贴图，如此处理若干条流线，就得到全局纹理。该方法速度比LIC算法快，但是生成纹理质量不高，另外对于流场汇聚和发散的特殊情况需要额外处理，速度受流场情况影响较严重。

第四种是“图像平流”法。该方法中每帧图像由两部分加权混合得到，第一部分是沿着流线将上一帧纹理“平流”得到的图像，第二部分是补充的噪声。该方法速度比lic算法要快，但是由于仍然要进行卷积运算，有时还要进行滤波运算，速度也比较慢。

以上四种方法的速度都比较慢，尤其当数据量很大时，不能满足实时交互的需要。

另外一个共同的缺点就是，他们对非稳态矢量场的描述不是很准确。上述四种方法都可以经过改进后用来描述动态的、非稳态矢量场，也就是结构随时间变化的矢量场。基本思路都是不再沿着流线进行卷积，而是沿着迹线进行卷积，每个时刻生成一副纹理图像，最终很多帧图像合成为纹理动画。这样带来两个不好的后果，其一表达内容混乱，其二速度慢。

第一个缺点是表达内容混乱，原因如下。首先因为沿着迹线卷积，在任意时间片段上，当时帧纹理的各点处像素值之间不存在任何关系，并不能反映当时的矢量场全貌。其次利用迹线卷积，本质上是把很多时间上相邻帧迹线上相邻像素的像素值做了卷积。也就是某一点处某一帧的像素值包含了相邻一段时间的矢量场信息。这样不可避免的带来一定的混乱，尤其是某段时间如果矢量场变化剧烈，则混乱非常严重。

第二个缺点是速度慢，有如下几个原因。首先不同帧计算中有大量计算是重复进行的，例如每一帧中每一像素点都要重复进行点定位和插值。这就带来很大计算冗余，造成速度慢。其次沿着迹线卷积，本身就是一个计算量较大的运算。

发明内容

发明目的：

为了解决上述现有的各种纹理生成方法的缺陷，本发明提出了一种基于流线生长法的纹理生成方法，可以用来对稳态和非稳态的矢量场进行全局描述，纹理生成的速度更快，对矢量场的描述更丰富准确。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于流线生长法的纹理生成方法，其特征在于：该方法步骤如下：

(1)首先利用扫描线点定位法对矢量场中每个像素进行点定位和插值，以备后用；利用流线生长法生成每一帧的静态流线纹理，该流线纹理描述了当前时刻矢量场的整体静态瞬间结构；再利用粒子轨迹法生成当前帧的迹线纹理，该迹线纹理描述了当前时刻之前一段时间内矢量场整体结构的动态变化情况；

(2)将利用流线生长法得到的每帧流线纹理和利用粒子轨迹法生成的迹线纹理合成，得到每帧的输出纹理，循环播放每一帧，得到最终的动态纹理动画。

扫描线点定位法的步骤如下：