基于多分辨率的矢量场交互式可视化方法研究

袁晓维

（四川旅游学院信息与工程学院，四川 成都 610100）

0 引言

计算机信息技术、地质勘探遥感技术的不断发展为获取相关数据提供了一定的基础支撑。在庞大、复杂的数据中提出数据的内在规律和本质具有一定的难度，在这样的条件下，可视化技术应运而生，并且成为矢量场数据领域研究的热点内容。矢量场可视化其实也是一种科学计算可视化，矢量场数据的分析应该从两个方面考虑：数据的方向和数据的大小。

1 可视化方法研究现状

1.1 直接可视化

直接可视化方法也叫做散列图可视化方法，在这种可视化方法中，流场矢量数据的方向是用箭头表示的，因此也被称为箭头法，用箭头的长度表示矢量点具体的速度[1]。一般来说，2D流场的研究主要应用箭头法。

1.2 纹理可视化

对大量的矢量数据进行研究难度极大，通过纹理可视化，可以将这些矢量数据映射成为可视的纹理，然后就可以使得矢量场的绘制变得更加容易。

1.3 几何可视化

将流场通过可视化处理转变成为可视的几何图形，就当前来看，该种方法的应用范围最为广泛，这时以为这种可视化方法具有较好的视觉效果。

1.4 特征可视化

以特征提取的流场可视化方法，可以减少对冗余数据的可视化绘制。为了对不同层次的特征信息进行可视化处理，提出了多种流场拓扑结构简化绘制的理论与方法，经过过年的研究和实践，已经取得了瞩目的成果。

2 矢量场可视化流程

2.1 预处理

读取和收集到流场的数据后，对其采用预处理的方法进行处理，预处理包含几个流程完：去噪（过滤）、插值、划分网格、检测特征等。其中，去噪的主要作用是将滤流场数据中的噪声数据去掉。插值的主要作用是对流场数据进行插值处理，保证流场数据成为连续场[2]。目前，矢量场数据愈发向着大规模和高复杂的程度发展，对其拓扑结构特征进行分析难度越来越大，为了更好的对其进行分析，首先应该划分流场数据，然后处理划分后的网格数据，应区分处理的方法对其进行处理。因为数据的复杂度不断上升，网格的类型也越来越多，规则矢量场数据和非规则矢量场数据的网格分化形式并不一样，一般来说，矢量场数据的主要划分形式为六面体结构，非矢量场数据划分的主要形式为四面体结构[3]。

2.2 映射

首先对流场数据进行相应的预处理，将其映射为几何数据，保证这些几何数据可以利用图形绘制出来，这个操作流程为映射，是流场可视化过程中必不可少的环节[4]。通过深入的研究，已经提出了更多的理论和方法，但是直观性还有待提升，而且就当前国内来看，也还没有应用水平较为成熟的映射技术，大多都是全局技术或者局部平流技术等。

2.3 绘制及显示

完成数据的映射操作后，就可以绘制处理后的数据，并且将其显示出来。具体来说就是获取相应的几何数据，通过相应的转化操作，将图形数据展示在相应的设备上[5]。这个过程中，主要应用的基础为计算机图形学技术。

3 矢量场可视化方法

3.1 直接可视化

在所有的矢量场可视化方法中，直接可视化方法属于应用过程最为简便的一种，应用这种方法进行矢量场可视化，不需要预处理矢量数据，可以直接应用箭头图表或者颜色映射的方法对其进行绘制。这种可视化方法的主要优点就是简单、速度快。但是也存在很多缺点，比如很难对箭头的采样密度进行合理的控制。如果采样密度过大，那么在用箭头表示矢量点速度的过程中，箭头前后就会出现遮挡的现象，如果密度过小，那么箭头不能将整体流场的变化情况直观的变现出来[6]。另外，直接可视法显示流场信息的主要形式是离散可视化形式，这种形式不能很好的将数据的内在连续性显示出来，使得用户不能更加直观的解读信息。

3.2 几何可视化

几何可视化主要是积分跟踪例子，然后获得一个矢量场的表现形式，通常来说，这个矢量场的表现形式可以应用几何图形进行表示。这种方法可以更好的绘制出适量信息的特征，比如强度、方向等，更加适用于对矢量场局部的细节信息进行刻画[7]。另外，这种方法视觉效果更好一些，因此得到了广泛的应用。但是应用这种方法的过程中，不能有效的控制流线的分布情况，可能会导致信息刻画不完整的问题的发生。

3.3 纹理可视化

纹理可视化方法主要是应用问题对矢量场数据信息进行显示，这种方法不管是对局部信息进行刻画，还是对全局信息进行刻画，都具有较好的效果，另外，还可以更好的将数据的内部结构的联系性展示出来[8]。纹理绘制方法又分为三种：线积分卷积法、点噪声法和纹理平流法。纹理可视化方法显示的流场结构信息更加全面和细腻，更加适用于2D流场。

4 基于多分辨率的交互式可视化方案设计

4.1 方法的阐述

近年来，对矢量场的交互式可视化方法进行的探索越来越多，旨在满足实际矢量场可视化需要。在对规模较大的矢量场信息进行刻画的过程中，一般对全局信息进行刻画和对局部进行刻画之间会存在一定的矛盾，经过研究，基于多分辨率的矢量场可视化方案营运而生，该方案的产生和应用很好的解决了这个矛盾。基于多分辨率的矢量场可视化方案主要是选择一定数量的流线对全局的矢量场进行绘制，如果局部所有放大，那么对信息刻画的过程中，流线就会变得越来越稀疏，最终可能会导致信息流失，不能将矢量场的细节信息展现出来。全局矢量场存在数量过多的流线，使得全局信息刻画显得杂乱，容易出现视觉混乱，计算量也会有所增加。流线的绘制数量被称为密度，在矢量场可视化过程中，如何更好地确定密度，是十分重要和关键的[9]。想要通过某固定数量的流线不能满足全局或局部的矢量场可视化需求，应该适当的扩大局部流线数量，只有这样，才能保证矢量场流线密度更加精确。在这样的背景下，基于八叉树思想的多分辨率矢量场可视化方案营运而生。该方案主要是对试点位置和矢量场之间的位置关系进行实时的监测，通过局部的扩大和缩小，确定区域内种子点的数量，实现矢量场特征信息的精细刻画。

4.2 种子点密度选取

在选取种子点密度的过程中，主要应用将的技术为LOD技术，该技术主要是根据节点的具体信息，这些信息主要指信息的含量以及信息的位置，根据这些信息确定节点最合理的资源配置情况，这样的方式有效提高了信息的绘制精度。基于八叉树的多分辨率矢量场可视化方案首先是划分全局矢量场，划分的依据为粒度不同，保证所选择的矢量场可以形成一个基于八叉树的数据信息描述形式，全局矢量场的可视化范围应用根节点进行表示，将全局矢量场的可视化范围平均的分为八份范围，然后根据这个范围，再应用这个范围的划分方法进行对子节点进行区域划分，就可以形成具有N层结构的八叉树结构信息[10]。在这个结构中，每个节点都具有相应的可视化区域范围，八个子节点范围的综合即为父节点的范围。通常来说，种子信息只在叶结点中存在，如果节点的颜色为白色，那么该阶段所代表的就是某个区域的特征信息，这时不需要继续对该阶段进行可视化处理，应该对其他区域进行划分，指导找到用户感兴趣的区域，将用户感兴趣的区域填充为灰色。

4.3 可视化结果分析

为了提高全局视角下的矢量场可视化效果，必须选择合适数量的流线开展矢量场信息刻画。为了观察局部的矢量场信息细节信息，需要对其进行方法处理，通常来说，只可以看见一些和直线相近和流线，不能获取其他特征信息。想要完成局部矢量场特征信息的高清绘制，必须适当的增加全部流线的数量，但是这时因为流线过多就会导致绘制效果更加杂乱，不能有效的获取相应的特征信息，也验证了单一分辨率下几乎不能获取全局的信息的高清绘制的结论。如果应用多分辨率的交互式可视化方法，即使矢量场信息经过不断的放大，也可以对局部的信息完成高清的绘制。随着放大，信息绘制效果也会更加明显和具体。以多分辨率为基础的交互式可视化方法的主要优点就是可以实时的获取矢量场和视点之间的距离，然后综合考虑视点位置以及距离选择最合理的流线进行矢量场数据的绘制，保证可以通过不同视角对信息进行描述。如果从绘制性能方面出发，以多分辨率为基础的交互式可视化方法的应用可以对不同的视点进行绘制帧率的性能计算，因为可以被不断的扩大，使得距离不断被拉近，绘画性能也愈发明显。

5 结论

可视化技术主要是将矢量场内的数据进行相应的处理，将其以几何图形的方式显示出来，通过处理后，数据的特征和相关性可以更加直观的显示出来。传统的矢量场可视化方法有很多，都存在着各自的优点和缺陷，随着矢量场的规模越来越大，矢量场数据也越来越复杂，产生了多分辨率的交互式可视化方案，该方案不仅可以对全局矢量场数据进行刻画，还可以通过不断的拉近和扩大，对局部的矢量场数据进行精准的刻画，同时还可以更加直观的显示数据的内在规律，这对于当前的矢量场数据研究来说，具有非常重要的意义。