[发明专利]一种增强空间感知的三维流线照明方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种流线照明方法，特别涉及一种增强空间感知的三维流线照明方法，属于三维流场可视化效果增强技术领域。

背景技术

流线是流场（也称作矢量场）可视化的基本方式之一，在流体力学和空气动力学等领域有着广泛应用。然而，对于三维流场，流线的可视化效果并不理想，因为三维流线往往互相遮挡，影响了空间结构的感知。在计算机图形学领域，增强三维空间感知的有效方法是：按照某种光照模型给场景添加光照效果，通过场景的明暗变化来表现三维空间结构。常用的添加光照效果的光照模型有：Phong模型（B.T.Phong.Illumination for Computer Generated Images.Ph.D Dissertation,University of Utah,July,1973.）、Whitted模型（T.Whitted.An Improved Illumination Model for Shaded Display.Communications of the ACM23(6):343–349,1980.）和Cook-Torrance模型（R.Cook,K.Torrance.Areflection model for computer graphics,ACM Transactions on Graphics,1(1):7–24,1981.）。但是，这些模型都不适合给流线添加光照效果。其原因在于：这些光照模型都属于面反射模型，其光照效果的计算依赖于表面法向量，而三维流线并不存在确定的表面法向量。

为了给流线增加光照效果，Banks（D.Banks.Illumination in diverse codimensions.Proceedings of the21st annual conference on computer graphics and interactive techniques:327–334,1994.）提出了最大反射光模型（Maximum Reflection Model）。该模型将流线段看作圆形细管（cylindrical tube），将圆形细管的最大反射光（包括漫反射和镜面反射）当作流线的反射光。最大反射光模型虽然可以给流线添加光照效果，但是存在双向阴影问题，容易混淆光照方向。为此，Schussman和Ma（G.Schussman,K.Ma.Anisotropic volume rendering for extremely dense,thin line data.Proceedings of the IEEE Visualization2004:107–114,2004.）提出了圆柱平均模型（Cylinder Averaging Model）。该模型也将流线段当作圆形细管，但是流线的反射光不是取自某个角度的最大值，而是圆形细管所有可见表面反射光的积分。圆柱平均模型能够提供更好的方向性和阴影效果，改善了三维流线的空间感知。但是，在实际应用中发现该模型存在空间混淆（spatial confusion）问题。也就是说，按照该模型绘制的流线图，在某些情况下所表现出的空间结构可能跟实际情况不符。这一现象严重影响了该模型的应用价值。

为了解决现有流线光照模型和方法的不足，必须发展新的流线照明方法，以此增强三维流线图的空间表现力，进而改善三维流场的可视化效果。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有流线光照模型存在的双向阴影及空间混淆的技术问题而提供一种适用于流场可视化的三维流线照明方法，给三维流线添加光照效果，增强三维流线图的空间感知，改善三维流场的可视化效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种增强空间感知的三维流线照明方法，包括以下步骤：

（1）输入三维流场数据以及相应的三维流线数据。

（2）对于给定的观察方向V，以及三维流场中任意流线上的任意采样点o和该采样点o的切向量T，建立以o为原点的直角参考坐标系(T,N,B)，其中B=(T×V)/||T×V||，N=(B×T)。

（3）在采样点o的邻域内，沿B轴分别在o的两侧各选一个基准参考点，令其为基准参考点a和基准参考点b；从三维流场数据中获取基准参考点a和b的流场方向作为基准向量，令其分别为T_a和T_b。