[发明专利]一种基于三棱柱剖分法的动态三维等值面提取方法

说明书

技术领域

本发明属于三维图像处理领域，尤其是涉及一种基于三棱柱剖分法的动态三维等值面提取方法。

背景技术

目前，海洋温度场、盐度场等动态标量场的数据源主要有实测数据和数值模拟数据两大类，实测数据由于采样密度不足并且分布也不均，并不能很好满足实际应用的需要，而数值模拟数据利用海洋动力学模型，数据点密度可以人工控制，分布也相对均匀，可以较好的适应人类海上生产和生活的需要。海洋温盐度数据水平方向分布方式主要为规则格网和不规则三角网两类，垂直方向上一般采用                                                （sigma）坐标系，即随地形等比例分层的方式，将深度不同的海洋研究区域转化为等距以便于数值计算。因此，海洋温盐度数据在水平方向上是规则格网或不规则三角网结构，结合垂直方向的直线后，在三维空间中形成多层正方体或三棱柱结构。

对于原始数据属于三维空间规则分布的动态数据场，如POM海洋动力学模型、用于医疗诊断的断层扫描仪等产生的数据，有较为完善的移动立方体（MC：Marching Cube）和移动四面体(MT：Marching Tetrahedra)方法求解等值面。MC方法步骤如下：先找出待求等值面经过的体元的位置，然后在该体元内求出等值面并计算相关参数，最后由常用的图形软件包或图形硬件提供的面绘制功能绘制出等值面。但MC方法在单个正方体中求解等值面时存在等值面连接方式上的二义性，将造成等值面连接上的错误，为了解决这个问题，在MC方法的基础上发展了MT方法，该方法首先将立方体剖分为四面体，然后在四面体中构造等值面，可以避免MC方法中等值面连接方式二义性问题。采用移动立方体求解正方体结构数据的等值面时必须先对立方体进行剖分，具体有将立方体剖分为5个、6个或者24个四面体的解决方案，然后采取移动四面体方法求解等值面，从而避免连接方式的二义性。

但随着FVCOM海洋动力学模型等生成的不规则三角网动态数据越来越丰富，对不规则三角网的三维等值面的应用也越来越广泛。对于这类不规则数据场在三维空间中构成的三棱柱的等值面求解方法主要分为直接法和间接法。直接法是直接在三棱柱中求解等值面，与MC方法相同，也存在等值面连接方式上的二义性问题。间接法是先将三棱柱剖分为3个或8个四面体，然后采用MT的方法求解等值面，但在将三棱柱剖分为3个或8个四面体时，必须要严格保证相邻的三棱柱单元在公共四边形剖分的一致性，一般采取存储已剖分的三棱柱的剖分方式的方法，待剖分的三棱柱的剖分方式要由其相邻的已剖分的三棱柱的剖分方式决定，处理的方法较为复杂。如果不对剖分方式进行干预处理，就会带来剖分方式不一致的问题，即两个三棱柱在公共四边形划分为三角形的方式不一致，将导致最终建立等值面不连续。

因此，本领域亟待研究新的剖分法和相应等值面提取方法。

发明内容

为了避免传统方法的连接方式不一致问题和剖分不一致的问题，本发明将三维空间中的三棱柱剖分为11个四面体，取代了传统将三棱柱剖分为3个或8个四面体的方法，使得构造等值面方法简便，并且构造的等值面连续。

本发明的技术方案为一种基于三棱柱剖分法的动态三维等值面提取方法，包括以下步骤：

步骤a，加载第一时刻各层离散点数据，将第i层和第i+1层三角网对应的点组成第i层三棱柱，i取值为1,2,…N-1，将N层三角网结构组合成N-1层三棱柱，N为三角网数据层数；

步骤b，对第1层三棱柱进行遍历，首先通过每个三棱柱顶点集合值的范围判断三棱柱是否包含等值面，如包含则将三棱柱剖分为11个四面体，并记录剖分形成的四面体数据结构，同时对三棱柱进行标记，如不包含等值面则不处理，直到本层所有三棱柱全部被处理完毕，再对下一层进行处理，直到所有层的三棱柱处理完毕；所述将三棱柱剖分为11个四面体的具体方式为，

首先，根据三棱柱的四边形顶点的值确定新增顶点位置，

对于4个顶点中有3个大于并有1个小于等值面值的四边形，由其中小于等值面值的顶点向对角的顶点进行连接，并在连接线上采用距离反比法求得等值面值所在位置作为新增顶点，并连接新增顶点和四边形中剩余2个顶点；

对于4个顶点中有1个大于并有3个小于等值面值的四边形，由其中大于等值面值的点向对角的顶点进行连接，并在连接线上采用距离反比法求得等值面值所在位置作为新增顶点，并连接新增顶点和四边形中剩余2个顶点；