基于多分辨率的矢量場交互式可視化方法研究

袁曉維

（四川旅游學院信息與工程學院，四川 成都 610100）

0 引言

計算機信息技術、地質勘探遙感技術的不斷發(fā)展為獲取相關數(shù)據(jù)提供了一定的基礎支撐。在龐大、復雜的數(shù)據(jù)中提出數(shù)據(jù)的內在規(guī)律和本質具有一定的難度，在這樣的條件下，可視化技術應運而生，并且成為矢量場數(shù)據(jù)領域研究的熱點內容。矢量場可視化其實也是一種科學計算可視化，矢量場數(shù)據(jù)的分析應該從兩個方面考慮：數(shù)據(jù)的方向和數(shù)據(jù)的大小。

1 可視化方法研究現(xiàn)狀

1.1 直接可視化

直接可視化方法也叫做散列圖可視化方法，在這種可視化方法中，流場矢量數(shù)據(jù)的方向是用箭頭表示的，因此也被稱為箭頭法，用箭頭的長度表示矢量點具體的速度[1]。一般來說，2D流場的研究主要應用箭頭法。

1.2 紋理可視化

對大量的矢量數(shù)據(jù)進行研究難度極大，通過紋理可視化，可以將這些矢量數(shù)據(jù)映射成為可視的紋理，然后就可以使得矢量場的繪制變得更加容易。

1.3 幾何可視化

將流場通過可視化處理轉變成為可視的幾何圖形，就當前來看，該種方法的應用范圍最為廣泛，這時以為這種可視化方法具有較好的視覺效果。

1.4 特征可視化

以特征提取的流場可視化方法，可以減少對冗余數(shù)據(jù)的可視化繪制。為了對不同層次的特征信息進行可視化處理，提出了多種流場拓撲結構簡化繪制的理論與方法，經(jīng)過過年的研究和實踐，已經(jīng)取得了矚目的成果。

2 矢量場可視化流程

2.1 預處理

讀取和收集到流場的數(shù)據(jù)后，對其采用預處理的方法進行處理，預處理包含幾個流程完：去噪（過濾）、插值、劃分網(wǎng)格、檢測特征等。其中，去噪的主要作用是將濾流場數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)去掉。插值的主要作用是對流場數(shù)據(jù)進行插值處理，保證流場數(shù)據(jù)成為連續(xù)場[2]。目前，矢量場數(shù)據(jù)愈發(fā)向著大規(guī)模和高復雜的程度發(fā)展，對其拓撲結構特征進行分析難度越來越大，為了更好的對其進行分析，首先應該劃分流場數(shù)據(jù)，然后處理劃分后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，應區(qū)分處理的方法對其進行處理。因為數(shù)據(jù)的復雜度不斷上升，網(wǎng)格的類型也越來越多，規(guī)則矢量場數(shù)據(jù)和非規(guī)則矢量場數(shù)據(jù)的網(wǎng)格分化形式并不一樣，一般來說，矢量場數(shù)據(jù)的主要劃分形式為六面體結構，非矢量場數(shù)據(jù)劃分的主要形式為四面體結構[3]。

2.2 映射

首先對流場數(shù)據(jù)進行相應的預處理，將其映射為幾何數(shù)據(jù)，保證這些幾何數(shù)據(jù)可以利用圖形繪制出來，這個操作流程為映射，是流場可視化過程中必不可少的環(huán)節(jié)[4]。通過深入的研究，已經(jīng)提出了更多的理論和方法，但是直觀性還有待提升，而且就當前國內來看，也還沒有應用水平較為成熟的映射技術，大多都是全局技術或者局部平流技術等。

2.3 繪制及顯示

完成數(shù)據(jù)的映射操作后，就可以繪制處理后的數(shù)據(jù)，并且將其顯示出來。具體來說就是獲取相應的幾何數(shù)據(jù)，通過相應的轉化操作，將圖形數(shù)據(jù)展示在相應的設備上[5]。這個過程中，主要應用的基礎為計算機圖形學技術。

3 矢量場可視化方法

3.1 直接可視化

在所有的矢量場可視化方法中，直接可視化方法屬于應用過程最為簡便的一種，應用這種方法進行矢量場可視化，不需要預處理矢量數(shù)據(jù)，可以直接應用箭頭圖表或者顏色映射的方法對其進行繪制。這種可視化方法的主要優(yōu)點就是簡單、速度快。但是也存在很多缺點，比如很難對箭頭的采樣密度進行合理的控制。如果采樣密度過大，那么在用箭頭表示矢量點速度的過程中，箭頭前后就會出現(xiàn)遮擋的現(xiàn)象，如果密度過小，那么箭頭不能將整體流場的變化情況直觀的變現(xiàn)出來[6]。另外，直接可視法顯示流場信息的主要形式是離散可視化形式，這種形式不能很好的將數(shù)據(jù)的內在連續(xù)性顯示出來，使得用戶不能更加直觀的解讀信息。

3.2 幾何可視化

幾何可視化主要是積分跟蹤例子，然后獲得一個矢量場的表現(xiàn)形式，通常來說，這個矢量場的表現(xiàn)形式可以應用幾何圖形進行表示。這種方法可以更好的繪制出適量信息的特征，比如強度、方向等，更加適用于對矢量場局部的細節(jié)信息進行刻畫[7]。另外，這種方法視覺效果更好一些，因此得到了廣泛的應用。但是應用這種方法的過程中，不能有效的控制流線的分布情況，可能會導致信息刻畫不完整的問題的發(fā)生。

3.3 紋理可視化

紋理可視化方法主要是應用問題對矢量場數(shù)據(jù)信息進行顯示，這種方法不管是對局部信息進行刻畫，還是對全局信息進行刻畫，都具有較好的效果，另外，還可以更好的將數(shù)據(jù)的內部結構的聯(lián)系性展示出來[8]。紋理繪制方法又分為三種：線積分卷積法、點噪聲法和紋理平流法。紋理可視化方法顯示的流場結構信息更加全面和細膩，更加適用于2D流場。

4 基于多分辨率的交互式可視化方案設計

4.1 方法的闡述

近年來，對矢量場的交互式可視化方法進行的探索越來越多，旨在滿足實際矢量場可視化需要。在對規(guī)模較大的矢量場信息進行刻畫的過程中，一般對全局信息進行刻畫和對局部進行刻畫之間會存在一定的矛盾，經(jīng)過研究，基于多分辨率的矢量場可視化方案營運而生，該方案的產(chǎn)生和應用很好的解決了這個矛盾?；诙喾直媛实氖噶繄隹梢暬桨钢饕沁x擇一定數(shù)量的流線對全局的矢量場進行繪制，如果局部所有放大，那么對信息刻畫的過程中，流線就會變得越來越稀疏，最終可能會導致信息流失，不能將矢量場的細節(jié)信息展現(xiàn)出來。全局矢量場存在數(shù)量過多的流線，使得全局信息刻畫顯得雜亂，容易出現(xiàn)視覺混亂，計算量也會有所增加。流線的繪制數(shù)量被稱為密度，在矢量場可視化過程中，如何更好地確定密度，是十分重要和關鍵的[9]。想要通過某固定數(shù)量的流線不能滿足全局或局部的矢量場可視化需求，應該適當?shù)臄U大局部流線數(shù)量，只有這樣，才能保證矢量場流線密度更加精確。在這樣的背景下，基于八叉樹思想的多分辨率矢量場可視化方案營運而生。該方案主要是對試點位置和矢量場之間的位置關系進行實時的監(jiān)測，通過局部的擴大和縮小，確定區(qū)域內種子點的數(shù)量，實現(xiàn)矢量場特征信息的精細刻畫。

4.2 種子點密度選取

在選取種子點密度的過程中，主要應用將的技術為LOD技術，該技術主要是根據(jù)節(jié)點的具體信息，這些信息主要指信息的含量以及信息的位置，根據(jù)這些信息確定節(jié)點最合理的資源配置情況，這樣的方式有效提高了信息的繪制精度?；诎瞬鏄涞亩喾直媛适噶繄隹梢暬桨甘紫仁莿澐秩质噶繄觯瑒澐值囊罁?jù)為粒度不同，保證所選擇的矢量場可以形成一個基于八叉樹的數(shù)據(jù)信息描述形式，全局矢量場的可視化范圍應用根節(jié)點進行表示，將全局矢量場的可視化范圍平均的分為八份范圍，然后根據(jù)這個范圍，再應用這個范圍的劃分方法進行對子節(jié)點進行區(qū)域劃分，就可以形成具有N層結構的八叉樹結構信息[10]。在這個結構中，每個節(jié)點都具有相應的可視化區(qū)域范圍，八個子節(jié)點范圍的綜合即為父節(jié)點的范圍。通常來說，種子信息只在葉結點中存在，如果節(jié)點的顏色為白色，那么該階段所代表的就是某個區(qū)域的特征信息，這時不需要繼續(xù)對該階段進行可視化處理，應該對其他區(qū)域進行劃分，指導找到用戶感興趣的區(qū)域，將用戶感興趣的區(qū)域填充為灰色。

4.3 可視化結果分析

為了提高全局視角下的矢量場可視化效果，必須選擇合適數(shù)量的流線開展矢量場信息刻畫。為了觀察局部的矢量場信息細節(jié)信息，需要對其進行方法處理，通常來說，只可以看見一些和直線相近和流線，不能獲取其他特征信息。想要完成局部矢量場特征信息的高清繪制，必須適當?shù)脑黾尤苛骶€的數(shù)量，但是這時因為流線過多就會導致繪制效果更加雜亂，不能有效的獲取相應的特征信息，也驗證了單一分辨率下幾乎不能獲取全局的信息的高清繪制的結論。如果應用多分辨率的交互式可視化方法，即使矢量場信息經(jīng)過不斷的放大，也可以對局部的信息完成高清的繪制。隨著放大，信息繪制效果也會更加明顯和具體。以多分辨率為基礎的交互式可視化方法的主要優(yōu)點就是可以實時的獲取矢量場和視點之間的距離，然后綜合考慮視點位置以及距離選擇最合理的流線進行矢量場數(shù)據(jù)的繪制，保證可以通過不同視角對信息進行描述。如果從繪制性能方面出發(fā)，以多分辨率為基礎的交互式可視化方法的應用可以對不同的視點進行繪制幀率的性能計算，因為可以被不斷的擴大，使得距離不斷被拉近，繪畫性能也愈發(fā)明顯。

5 結論

可視化技術主要是將矢量場內的數(shù)據(jù)進行相應的處理，將其以幾何圖形的方式顯示出來，通過處理后，數(shù)據(jù)的特征和相關性可以更加直觀的顯示出來。傳統(tǒng)的矢量場可視化方法有很多，都存在著各自的優(yōu)點和缺陷，隨著矢量場的規(guī)模越來越大，矢量場數(shù)據(jù)也越來越復雜，產(chǎn)生了多分辨率的交互式可視化方案，該方案不僅可以對全局矢量場數(shù)據(jù)進行刻畫，還可以通過不斷的拉近和擴大，對局部的矢量場數(shù)據(jù)進行精準的刻畫，同時還可以更加直觀的顯示數(shù)據(jù)的內在規(guī)律，這對于當前的矢量場數(shù)據(jù)研究來說，具有非常重要的意義。