第五讲二维平面数据其他可视化方法PPT课件

.,1,科学计算可视化,二维平面数据场的可视化特殊方法,.,2,二维平面数据场的可视化方法,二维数据场是科学计算可视化处理的最简单的一类数据场，二维数据场是在某一平面上的一些离散数据，可看成定义在某一平面上的一维标量函数F=F(x,y)。二维数据场可视化的方法主要有颜色映射法、等值线、立体图法和层次分割法等，这些方法的原理都比较简单。,.,3,颜色映射方法,可视化系统中，常用颜色表示数据场中数据值的大小，即在数据与颜色之间建立一个映射关系，把不同的数据映射为不同的颜色。在绘制图形时，根据场中的数据确定点或图元的颜色，从而以颜色来反映数据场中的数据及其变化。,神舟号宇宙飞船周围空气分布密度,.,4,颜色映射方法,可视化系统处理的数据一般为离散网格数据，网格之间的数据采用插值的方法计算。可视化系统的绘制模块一般不直接插值计算网格间的数据，而是利用计算机硬件提供的功能直接对颜色的RGB基色值进行插值计算，这样有助于提高绘制速度。,.,5,等值线方法,所谓等值线是由所有这样的点(xi,yi)定义，其中F(xi,yi)=Fi(Fi为一给定值)，将这些点按一定顺序连接组成了函数F(x,y)的值为Fi的等值。常见的等值线如等高线，等温线，是以一定的高度，温度作为度。,.,6,等值线方法,假设网格单元都是矩形，其等值线生成算法的主要步骤如下：1）逐个计算每一个网格单元与等值线的交点；2）连接该单元内等值线的交点，生成该单元内的等值线线段；3）由一系列单元内的等值线线段构成该网格中的等值线；,网格单元与等值线的交点计算主要计算各单元边与等值线的交点，可采用顶点判定，边上插值的方法计算。设等值线的值为Ft，若FijFt，则记顶点为+。若单元的四个顶点全为+或-，则网格单元内无等值线；否则对两个顶点分别为+-的单元边插值计算等值线的交点，并在单元内连线。,.,7,实际上存在着两种连接方式的二义情况，不可能判断哪种连接情况是正确的。可采用单元剖分法，算法的基本思想是利用对角线将矩形单元分成四个三角形单元，求出中心点的函数值，等值线的抽取直接在三角单元中进行。三角单元中至多只包含一条等值线，从而避免了二义性问题，但处理单元数目增加了四倍。,剖分法连接,.,8,二维平面的散乱数据,在实际应用中,有时数据不是规则数据,而是分散的.,F为每一个给定点的函数值。方法:(i)三角化(ii)在每一个三角形上插值(iii)绘制轮廓,.,9,三角化,三角化是指从数据点形成三角形网格的过程。,如何构造三角形网格?,.,10,剖分,对偶问题:假定每个数据点是一只狼。每只狼在控制自己的领地方面，实力均衡。这些狼控制的地区如何划分各自的领地?,.,11,剖分两只或三只狼的情况,.,12,剖分两只或三只狼的情况,.,13,Dirichlet剖分,这个剖分就是著名的Dirichlet或Voronoi剖分给定Dirichlet剖分的N个点P1,P2,.PN下面是一个增加新的数据点情况下构剖分的算法,.,14,Dirichlet剖分,P1,P2,P3,P1,P2,P3三点的剖分,.,15,Dirichlet剖分,P1,P2,P3,Q,.,16,Dirichlet剖分,P1,P2,P3,Q,.,17,DelaunayTriangulation,P1,P2,P3,Q,.,18,Delaunay三角化,这种三角化的形成基于各点分享共同边界的剖分。这种剖分具有很好的性质：避免出现瘦长的三角形出现。具体的实现可参考以下网址:/Info/People/chew/Delaunay.html,.,19,从三角数据绘制轮廓线,最后的步骤就是根据三角数据绘制轮廓线。方法特点：简单对现行插值绘制轮廓线很容易。,.,20,基于三角形轮廓线的实现,三角形每个顶点或正或负(忽略零的情况)有23=8可能性但是本质上只有两种情况无轮廓线(各点符号相同)有轮廓线(2点符号相同,1点不同)实现:确定8种可能性属于两类里的哪种顶点为零，怎么办?,各点符号相同,2点符号相同,.,21,基于曲面的视角可视化,曲面视角可视化是一个特殊的二维标量场的映射技术。在三维空间中创建一个曲面，曲面的高度由标量数值来表示。构造过程比较简单：假定在一个矩形网格上。,.,22,构造-1,.,23,构造-2,曲面的构造由每个矩形网格上的三角形对构成.然后的步骤就是对三角形渲染.,.,24,实例,.,25,立体图法和层次分割法,立体图法就是以一个立体图形来显示平面数据场，因为将平面数据场的数据转换为高度，从整体上可以看成三维图形。使用立体图方法显示，可以用多种方法拟合数据场，如：三角面片、曲面逼近等，曲面逼近会产生更好的效果。但由于数据场的密度较大，完全可以使用三角面片模型来显示整个数据场。在显示中，可以采用法向量插值来消除Mach效应，使用多光源来增强立体效果。,三维中国地图,.,26,立体图法和层次分割法,层次划分法是立体图法的扩展，首先用户定义层次范围及各层的颜色。在绘制每个三角面片时，若三角面片的最大值、最小值都在一个层内，则按该层的颜色绘制；否则要将三角面片进一步剖分为m个多边形，每个多边形处于一层，并以各层颜色绘制。这样各层之间就有一个明显的层次分割线。在实际应用中可用于显示等值线、等高线等。两种方法特别适合于对地形数据场进行可视化处理。,三维中国地图,.,27,图像显示,另一个二维数据映射技术是图像显示方法。点阵:每个数据点为一个绘制点,根据数值着色(此方法速度很快,但是生成质量差),.,28,图像显示,网格线:,.,29,图像显示,区域:,.,30,应用举例,立体云图显示处理系统气象分析和预报要处理大量的测量或计算数据，气象云图是其中一种非常重要的气象数据，也常用于发布天气预报。气象研究中，地形和云层的高度是影响天气演变的重要因素，运用可视化技术，将三维立体地形图和三维立体云图合成显示输出，能给人更形象、直观的认识。,.,31,立体云图显示处理系统,三维立体云图显示处理系统总体结构,系统的主要处理模块包括三维立体地形图绘制模块、立体云图绘制模块和合成云图绘制模块。卫星云图接收机每天定时从气象卫星上接收云图数据，将数据送到立体云图绘制模块和合成云图绘制模块。立体云图绘制模块直接根据数据绘制生成三维立体云图。合成云图的绘制还需要立体地形图数据，地形数据是事先存储在计算机上的卫星遥感地形数据，地形数据要经过投影变换处理，获得与云图数据大小一致且配准的局部地形数据，送立体地形图绘制模块，生成立体地形图后，送合成云图绘制模块，绘制三维立体合成云图，供后期图象编辑处理使用。,其中地形图只是在观察范围或绘制参数改变后才进行绘制，在业务运行状态，将自动使用存储的地形图文件。,.,32,立体地形图绘制模块,地形数据是定义在二维规则网格上的高程采样数据场，系统根据地形图的特点和立体感绘制效果的要求采用了立体图法和层次分割法进行绘制。立体图法就是以一个立体图形来显示平面高程数据场。使用立体图方法显示，可以用多种方法拟合数据场，如：三角面片、曲面逼近等，曲面逼近会产生更好的效果。但由于数据场的密度较大，完全可以使用三角面片模型来显示整个数据场。在显示中，可以采用法向量插值来消除Mach效应，使用多光源来增强立体效果。,.,33,立体云图绘制模块,卫星气象云图有两种类型：成相云图和红外云图。成相云图是利用卫星上的照相机拍摄获得。红外云图是通过卫星上的红外遥感探测仪获取。成相云图中没有云层高度的信息，红外云图的灰度信息给出了云层的温度信息，通过云层温度可换算出云层的高度信息，本系统选用红外云图绘制立体云图。红外云图接收后首先要经过云识别，去除不是云层的图象区域。系统采用了查找表的方法转换获得云层高度，先建立一个256级云层温度到高度的转换查找表，用云层温度信息可快速的通过查找表获得云层高度信息。获取云层高度信息后，可用上节所述的立体图法绘制立体云图。,.,34,合成云图绘制模块,合成云图是将绘制的三维立体地形图和立体云图合成在一起输出，绘制时要保证地形图和云图的大小、覆盖区域、投影关系和绘制参数完全一样，才能将两幅图配准合成。地形图绘制模块绘制生成的地形图文件中，包含了地形图的各种绘制参数，云图绘制模块首先读取地形图文件，再采用相同的参数绘制立体云图。云图与地形图合成时，云图可以是不透明的，也可以是半透明的。云层的透明度由云层的高度转换获得，云层高的地方云层较厚，透明度较小；云层低的地方云层较薄，透明度较大。,其中(RI,G