4.4.2 矢量场数据可视化
矢量场数据可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术,将矢量流场数据转换为二维或三维图形、图像或动画进行呈现,并对其模式和相互关系等进行分析,是计算流体力学研究与工程实践中不可缺少的手段,现也常见于数据可视化的过程中。
依据不同的用户需求,可将矢量场可视化技术分为直接可视化、几何可视化、基于纹理的可视化和基于特征结构的可视化。
(1)直接可视化
直接可视化是最简单直观的矢量数据全局可视化表达方式,实现容易,绘制速度快,主要有颜色编码法和图标法等。常见手段包括箭头、椎体、有向线等。
(2)几何可视化
几何可视化采用矢量线和矢量线的拓展手段来显示矢量场数据,如图4.11所示。几何可视化的优点是准确、直观、连续性好,但这类方法的效果与种子点即矢量线的起始点的位置和数量关系密切。种子点过多易造成视觉混乱,种子点过少或者位置不好则易遗漏矢量场的重要特征和细节信息。
图4.11 基于几何图形的矢量场可视化示意图
(3)基于纹理的可视化(https://www.daowen.com)
纹理具有空间上的连续性,能够清晰地表现矢量场的变化和形状特征。用基于纹理的可视化方法显示矢量场的信息,既能表现出矢量场的几何形状,又能通过颜色映射表现矢量场的方向信息,既综合了直接可视化和几何可视化的优点,又克服了它们的缺点,所以具有广泛的应用领域。
·点噪声法:点噪声法(spot noise)是最早提出的基于纹理的矢量场可视化方法。其基本原理是沿矢量方向对点噪声滤波以生成图像,所生成的纹理是由许多随机分布的、具有一定大小和形状的二维点叠加所形成的一种随机纹理,依靠改变点的属性可整体或局部控制纹理的模式,点的大小可以影响纹理的粒度。
·线积分卷积法:矢量场中的任一点处的局部特性由一卷积函数k(w)沿矢量线方向对噪声纹理进行卷积,生成一个可以表达矢量场的静态图像,如图4.12所示。LIC可以清晰地描述矢量场的全局和局部细节信息,方向信息明显,矢量场细节表达清晰,适用于2D矢量场。不足是计算量巨大,容易引入高频噪声,实时交互性较差,矢量大小难以通过其纹理反应,在3D矢量场中存在遮挡问题。
·基于纹理平流的方法:在基于纹理平流的方法中,最终矢量场动画的每一帧都是由之前的图像和一系列经过滤波的噪声背景图像的卷积得到,操作时以图像平流代替质点平流,是一种用宏观图形表现微观粒子运动的新方法。
图4.12 线积分卷积法数据可视化示意图
(4)基于特征结构的可视化
特征指的是流场中有意义的结构、形状、现象或者用户感兴趣的区域。基于特征的可视化是指首先从数据中提取流场的特征,得到高度抽象的流场信息,具体特征根据相关应用领域及研究的内容来定义和抽取。由于矢量场数据计算量大,在进行可视化之前可先进行预处理,提取出矢量场中的特征进行重点可视化,忽略掉冗余的、重要性低的数据,提高可视化的质量和速度。
