[发明专利]基于流线生长法和变态粒子法的多层纹理生成方法

说明书

本发明涉及一种基于流线生长法和变态粒子法的多层纹理生成方法，通过网格单元填充法对目标纹理中的每帧中每个像素进行点定位和插值预处理，获取每个像素的点定位和插值结果，生成第一帧中的所有种子粒子；按照如下方法循环处理每一帧：通过采用流线生长法生成每一帧的静态流线纹理，通过采用变态粒子法生成每一帧的动态迹线纹理，将两层纹理合并为一层输出结果纹理；按照时间顺序依次绘制每一帧的输出结果纹理，生成动态纹理动画。本发明提出的基于流线生长法和变态粒子法的多层纹理生成方法，具有更强的时变矢量场表达能力、更快的速度和更好的适应性。

技术领域

本发明涉及计算机图形学中科学计算可视化领域，特别是一种基于流线生长法和变态粒子法的多层纹理生成方法。

背景技术

所谓“时变矢量场”，是指随时间变化的矢量场。例如某个机械零件局部受热后一段时间内零件内部的温度梯度场，或者风洞实验中飞行器表面的空气流场，都是典型的时变矢量场。“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的大规模矢量场数据(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。纹理方法最大的优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。

当前主流的时变矢量场纹理生成算法主要分为两大类：基于“线积分卷积”(LIC)技术的，和基于“图像平流”(IBFV)技术的。

Cabral(BRIANC.,LEITHL..Imaging vector fields using line integralconvolution[C]//Proceedings of ACM SIGGRAPH‘93.New York,USA:ACM Press,1993：263-270.)等人最先提出了LIC算法。LIC技术的基本思路是利用随机白噪声覆盖整个矢量场形成初始图形。然后利用卷积运算沿着流线方向，在相邻像素之间建立起空间相关性，而在垂直流线方向由于采用随机白噪声，而不存在任何空间相关性，这种差异可以表现出流场中的方向感。Forssell(Forssell L.K.,Cohen S.D..Using line integralconvolution for flow visualization:curvilinear grids,variable-speedanimation,and unsteady flows[J].IEEE Transactions on Visualization andComputer Graphics,1995,1(2):133-141.)等人提出沿着迹线进行卷积以产生纹理，每次积分同时在空间和时间上前进一步，这种迹线纹理能够表达时变矢量场在时间和空间上的连续变化。

SHEN(SHEN Hanwei,DavidL.K..ANew Line Integral Convolution Algorithmfor Visualizing Time-Varying Flow Fields[J].IEEE Transactions onVisualization and Computer Graphics,1998,4(2):98-108.)等人提出了“时间精准的值散射方法”和“连续前馈过程”，提高了迹线纹理动画的生成效率。LIU(LIU Zhanping,RobertJ..Accelerated unsteady flow line integral convolution[J].IEEETransactions on Visualization and Computer Graphics,2005,11(2):113-125.)等人提出了UFLIC算法，进一步提高了效率。

以上算法基本思路都是沿着迹线卷积，这样生成的纹理动画天然具有两个缺陷。首先，在每一帧静态纹理上，不同像素点之间不存在任何空间相关性，不能表达该时刻的矢量场静态状态。其次，迹线纹理将一条迹线上下相邻的一段时间内途经的像素信息进行卷积，这种卷积会建立时间相关性，但是同时带来混淆。当矢量场变化剧烈时，这种混淆会带来很大的视觉混乱。