基于纹理的流场动态可视化平台开发
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（ 1）
{
k － 1） ， F（ p k －1 ， 0，
如果 p k － 1 ∈ Ω 如果 p k － 1 Ω
（ 4）
第5期
张尚弘等： 基于纹理的流场动态可视化平台开发
121
k ） 最终会被平移出研究区域， 由上式可知， 这样平流运动的结果是图像 F （ p k ， 最终 F 为全黑（ 值为零 ） 的图像， 无 在每个时间 步 采 用 另 一 张 图 像 G 与 F 进 行 融 合， 以实现流场表征属性不 法显示流场运动 。 为了避免这种结果， 被清除： F（ pk ， k） = （ 1 － α） F（ p k －1 ， k － 1 ） + αG（ p k ， k） k） ∈ ［ 0， 1］ ，是混合因子 。 式中 p k 由式（ 3 ） 定义，α = α （ x ， 方程（ 5 ） 定义了流场显示图像的生 成 方 法， 是基于纹理图像生成动态流场的基本思想。即将前一帧流场 图 像的平移结果与图像 G 进行融合， 生成新的流场 状 态 帧， 整 个 流 场 生 成 过 程 如 图 1 所 示。 图 像 G 用 来 实 现 流 场 变化示踪， 采用噪声纹理是最佳选择 。 式（ 5 ） 通过约简得到： F（ pk ， k） = （ 1 － α） k F （ p0 ， 0） +
拟思路比较简单， 容易实现， 被广泛应用于河道流场模拟， 但只适合于较为宏观的可视化表现， 采样点稀疏会忽略 而加密采样点又容易导致图像混乱， 不易于观察流场内部细节 。 矢量场中的一些重要细节， 基于纹理的流场可视化是近年来发展迅速的一种矢量场可视化技术 ， 其内在的致密 性 和 高 质 量 的 纹 理 图 像 几乎能反映流场的全部细节， 克服了直接法和几何法的不足； 同时， 采用基于纹理的流场动 画 技 术 不 仅 有 助 于 了 解矢量场的形态和拓扑结构， 而且能够很好地表征非恒定流场的动态变化 IBFV 方法等 。 卷积法（ LIC ） 和一些扩展技术 、 LIC 方法是应用广泛的模拟细致流场的方 法， 该算法利用一维低通卷积核双向对称地沿流线方向卷积整个 噪声纹理
1
流场可视化方法
流场可视化方法大体上可分为直接 法 、 几何法和纹理法三种
［1 ， 2］
， 直 接 法 包 括 颜 色 编 码 法 和 箭 头 法， 几何法
［3 ， 4］ 。这两类方法模 是用等值线 、 等值面和流线来表示流 场 。 目 前 河 道 流 场 可 视 化 中 仍 以 箭 头 法 和 流 线 法 为 主
第 30 卷 第 5 期 2011 年 10 月
水 力 发 电 学 报 JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING
Vol． 30 No． 5 Oct． ，2011
基于纹理的流场动态可视化平台开发
1 2 张尚弘 ， 易雨君 ， 江 3 4 岩 ， 冶运涛
（ 1. 华北电力大学 可再生能源学院， 北京 2. 北京师范大学 环境学院， 北京
11 09 收稿日期： 200950909006 ） 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51009064 ， 作者简介： 张尚弘（ 1977 － ） ，男，副教授 ． E-mail ： zhangsh928@ 126． com
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水
力
发
电
学
报
2011 年
方面， 可视化起着举足轻重的作用 。 随着计算流体力学的发展， 海量计算结果的动态可 视 化 需 求 不 断 增 加， 研究 高效直观方便的流场可视化方法和软件平台显得尤为必要 。 在流场动态可视化方面， 常用的方法是箭头法 、 流线法等以流场空间插值计算为 基 础 的 方 法， 适合于宏观的 不易反映流场的内部细节 。 近年来发展迅速的基于纹理的流场可视化方 法 采 用 网 格 图 像 变 形 流场可视化表现， 的方式表现流场， 不需要进行流场插值， 在减小计算量的同时能够保持很高的显示精度， 反映出更多的流场细节 。 本文对基于纹理流场可视化方法的原理及实现方法进行研究， 基于该方法开发二维流场动态可视化平台， 实 现不同流场计算结果的载入与动态可视化功能 。 对流场的动态绘制方法 、 流场细节的缩放显示 、 流速水深等标量 实现水流矢量场和标量场同时动态模拟显示的可视化平台 。 场的颜色表示等关键技术进行探讨，
102206 ； 150001 ； 100084 ）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
100875 ； 3. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨
4. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室， 北京
摘
要： 基于纹理的流场可视化是流场显示的最新方法， 该方法采用网格图像变形的方式表现流场， 不需 要 进 行 流 场 空
可以减小计算量， 同时保持很高的显示精 度 。 讨 论 了 基 于 图 像 纹 理 的 流 场 动 态 显 示 原 理 ， 基 于 Visual C ++ 间插值计算， 和 OpenGL 开发了流场动态可视化平台， 实现了流场 数 据 坐 标 转 换 、 网 格 变 形 与 背 景 图 像 映 射 绘 制、 噪声图像生成与融 合、 标量场颜色绘制等关键技术 。 在开发平台上模拟了三峡与葛洲坝两坝间河道流场， 并与粒子系统模拟 的 流 场 效 果 进 结果表明基于纹理的流场动态可视化方法计算量小， 能够展示出流场的更多细节 。 所开发平台 的 数 据 适 应 性 行了比较， 好， 为流场动态可视化提供了实用的平台工具 。 关键词： 计算流体动力学； 数字流域； 流场可视化； 纹理融合； 标量场显示； 平台开发 中图分类号： TV131. 4 文献标识码： A
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基于纹理图像的流场可视化原理
基于纹理图像的流场可视化是 Van Wijk 首先提出的一种模拟细致流场的方法， 其思想是基于流场中质点的
运动， 以背景图像的运动变形替代以往的 质 点 运 动 来 展 示 流 场 状 态， 是一种用宏观图形表现微观粒子运动的方 法 。 基于纹理的流场可视化实现原理如下： t） ∈ R 2 假设非恒定流场 V （ x ， V（ x， t） = ［ V x （ x， y， t） ， V y （ x， y， t） ］ x ∈ Ω， 流场定义域为 t ≥ 0 ， ΩR 。 流场中粒子的运动轨迹采用以下方程定义： d p （ t） = V（ p （ t） ， t） dt p （ t ） 的欧拉一阶近似为： p k = p k －1 + V（ p k －1 ， t） Δ t （ 3） t = k Δ t。 k ） 是整个流场运动属性的反映， 其中 k ∈ N ， 用帧数 k 表示时间 。 假设场 F （ p k ， 用 RGB 图像记录， 即背景 图像， 则随着流场网格的动态变化， 在流场定义域内的网格节点运动属性保持不变， 而流场 定 义 域 以 外 节 点 运 动 属性为 0 。 整个流场运动属性的变化可表示为： F（ pk ， k） = （ 2）
3. College of Shipbuilding Engineering ，Harbin Engineering University ，Harbin
4. State Key Laboratory of Hydro-science ＆ Engineering ，Tsinghua University ，Beijing
［9］
，
为流场动态可视化提供了一种全新的思路 。 IBFV 方法的 数 据 适 应 性 好， 不 需 要 事 先 分 析 数 据 的 特 点， 可以很好 IBFV 方法充分利用了计算机的显卡硬件功能， 对于恒定场和非恒定场同样适用 。 另外， 将大 地表示流场的细节， 部分复杂的显示计算过程交给显卡完成， 从而获得较高的显示速度， 是流场动态可视化中综合效果最好的方法之 一。
Development of texturebased flow visualization platform
ZHANG Shanghong 1 ，YI Yujun 2 ，JIANG Yan 3 ，YE Yuntao 4 （ 1. Renewable Energy School ，North China Electric Power University ，Beijing 102206 ； 100875 ； 150001 ； 100084 ） 2. School of Environment ，Beijing Normal University ，Beijing
［6 ～ 8］ ［5］
， 纹理法主要包括点噪声法 、 线积分
， 得出的图像致密地表征了整个流场矢量， 可以很好地显示运动方向， 表达流场细节， 缺点是计算耗
时， 容易引入高频噪声 。 目前， 针对 LIC 的改进方法很多， 主要是通过算法来减少计算量， 由于这种方法以离散的 网格点为研究对象， 要达到比较好的显示效果通常需要图形工作站的支持 。 IBFV 方 法 区 别 于 以 流 场 基于纹理图像的流场可视化（ IBFV ） 是 近 年 来 发 展 迅 速 的 一 种 矢 量 场 可 视 化 技 术， 网格离散数据点为研究对象的可视化方法， 它将整个流场作为研究对象， 以图像的变形流动替代质点 的 平 流
Abstract ： Texture-based flow visualization is a new visualization method of flow field that is based on blending of a warped version of the previous image with a number of background images ，a method of high performance using standard features of graphics hardware and no special interpolation． This paper discusses the principles of this new method and develops a visualization platform using Visual C + + and OpenGL． In the method ， several key techniques are adopted ，flow field data coordinate conversion ，flow field grid modification and drawing background image mapping ，generation and integration of noise image ，color rendering scalar field ， etc． On the platform developed ，the river reach between Three Gorges dam and Gezhouba dam is visualized． The platform has advantages of less calculation ，more detailed flow field and higher adaptability to data format in comparison to a particles-based system． The platform is useful for dynamic visualization of flow field． Key words ： computational fluid dynamics ； digital watershed ； flow visualization ； texture blend ； scalar field visualization ； platform development
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引言
水流模拟一直是流体研究的重点问题之一， 为寻求水流运动规律， 除水流基本理 论 、 模型实验和数值模拟的
研究外， 流场动态可视化是反映流场动态变化过程 、 发现水流规律的重要手段 。 在复杂 流 动 的 研 究 中， 通过流场 而且可以表现流场随时间的变化过程， 在海量数据的计算分析 可视化不但可以直观地观察流场的空间分布特征，
（ 1）
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k － 1） ， F（ p k －1 ， 0，
如果 p k － 1 ∈ Ω 如果 p k － 1 Ω
（ 4）
第5期
张尚弘等： 基于纹理的流场动态可视化平台开发
121
k ） 最终会被平移出研究区域， 由上式可知， 这样平流运动的结果是图像 F （ p k ， 最终 F 为全黑（ 值为零 ） 的图像， 无 在每个时间 步 采 用 另 一 张 图 像 G 与 F 进 行 融 合， 以实现流场表征属性不 法显示流场运动 。 为了避免这种结果， 被清除： F（ pk ， k） = （ 1 － α） F（ p k －1 ， k － 1 ） + αG（ p k ， k） k） ∈ ［ 0， 1］ ，是混合因子 。 式中 p k 由式（ 3 ） 定义，α = α （ x ， 方程（ 5 ） 定义了流场显示图像的生 成 方 法， 是基于纹理图像生成动态流场的基本思想。即将前一帧流场 图 像的平移结果与图像 G 进行融合， 生成新的流场 状 态 帧， 整 个 流 场 生 成 过 程 如 图 1 所 示。 图 像 G 用 来 实 现 流 场 变化示踪， 采用噪声纹理是最佳选择 。 式（ 5 ） 通过约简得到： F（ pk ， k） = （ 1 － α） k F （ p0 ， 0） +
拟思路比较简单， 容易实现， 被广泛应用于河道流场模拟， 但只适合于较为宏观的可视化表现， 采样点稀疏会忽略 而加密采样点又容易导致图像混乱， 不易于观察流场内部细节 。 矢量场中的一些重要细节， 基于纹理的流场可视化是近年来发展迅速的一种矢量场可视化技术 ， 其内在的致密 性 和 高 质 量 的 纹 理 图 像 几乎能反映流场的全部细节， 克服了直接法和几何法的不足； 同时， 采用基于纹理的流场动 画 技 术 不 仅 有 助 于 了 解矢量场的形态和拓扑结构， 而且能够很好地表征非恒定流场的动态变化 IBFV 方法等 。 卷积法（ LIC ） 和一些扩展技术 、 LIC 方法是应用广泛的模拟细致流场的方 法， 该算法利用一维低通卷积核双向对称地沿流线方向卷积整个 噪声纹理
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流场可视化方法
流场可视化方法大体上可分为直接 法 、 几何法和纹理法三种
［1 ， 2］
， 直 接 法 包 括 颜 色 编 码 法 和 箭 头 法， 几何法
［3 ， 4］ 。这两类方法模 是用等值线 、 等值面和流线来表示流 场 。 目 前 河 道 流 场 可 视 化 中 仍 以 箭 头 法 和 流 线 法 为 主
第 30 卷 第 5 期 2011 年 10 月
水 力 发 电 学 报 JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING
Vol． 30 No． 5 Oct． ，2011
基于纹理的流场动态可视化平台开发
1 2 张尚弘 ， 易雨君 ， 江 3 4 岩 ， 冶运涛
（ 1. 华北电力大学 可再生能源学院， 北京 2. 北京师范大学 环境学院， 北京
11 09 收稿日期： 200950909006 ） 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51009064 ， 作者简介： 张尚弘（ 1977 － ） ，男，副教授 ． E-mail ： zhangsh928@ 126． com
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方面， 可视化起着举足轻重的作用 。 随着计算流体力学的发展， 海量计算结果的动态可 视 化 需 求 不 断 增 加， 研究 高效直观方便的流场可视化方法和软件平台显得尤为必要 。 在流场动态可视化方面， 常用的方法是箭头法 、 流线法等以流场空间插值计算为 基 础 的 方 法， 适合于宏观的 不易反映流场的内部细节 。 近年来发展迅速的基于纹理的流场可视化方 法 采 用 网 格 图 像 变 形 流场可视化表现， 的方式表现流场， 不需要进行流场插值， 在减小计算量的同时能够保持很高的显示精度， 反映出更多的流场细节 。 本文对基于纹理流场可视化方法的原理及实现方法进行研究， 基于该方法开发二维流场动态可视化平台， 实 现不同流场计算结果的载入与动态可视化功能 。 对流场的动态绘制方法 、 流场细节的缩放显示 、 流速水深等标量 实现水流矢量场和标量场同时动态模拟显示的可视化平台 。 场的颜色表示等关键技术进行探讨，
102206 ； 150001 ； 100084 ）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
100875 ； 3. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨
4. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室， 北京
摘
要： 基于纹理的流场可视化是流场显示的最新方法， 该方法采用网格图像变形的方式表现流场， 不需 要 进 行 流 场 空
可以减小计算量， 同时保持很高的显示精 度 。 讨 论 了 基 于 图 像 纹 理 的 流 场 动 态 显 示 原 理 ， 基 于 Visual C ++ 间插值计算， 和 OpenGL 开发了流场动态可视化平台， 实现了流场 数 据 坐 标 转 换 、 网 格 变 形 与 背 景 图 像 映 射 绘 制、 噪声图像生成与融 合、 标量场颜色绘制等关键技术 。 在开发平台上模拟了三峡与葛洲坝两坝间河道流场， 并与粒子系统模拟 的 流 场 效 果 进 结果表明基于纹理的流场动态可视化方法计算量小， 能够展示出流场的更多细节 。 所开发平台 的 数 据 适 应 性 行了比较， 好， 为流场动态可视化提供了实用的平台工具 。 关键词： 计算流体动力学； 数字流域； 流场可视化； 纹理融合； 标量场显示； 平台开发 中图分类号： TV131. 4 文献标识码： A
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基于纹理图像的流场可视化原理
基于纹理图像的流场可视化是 Van Wijk 首先提出的一种模拟细致流场的方法， 其思想是基于流场中质点的
运动， 以背景图像的运动变形替代以往的 质 点 运 动 来 展 示 流 场 状 态， 是一种用宏观图形表现微观粒子运动的方 法 。 基于纹理的流场可视化实现原理如下： t） ∈ R 2 假设非恒定流场 V （ x ， V（ x， t） = ［ V x （ x， y， t） ， V y （ x， y， t） ］ x ∈ Ω， 流场定义域为 t ≥ 0 ， ΩR 。 流场中粒子的运动轨迹采用以下方程定义： d p （ t） = V（ p （ t） ， t） dt p （ t ） 的欧拉一阶近似为： p k = p k －1 + V（ p k －1 ， t） Δ t （ 3） t = k Δ t。 k ） 是整个流场运动属性的反映， 其中 k ∈ N ， 用帧数 k 表示时间 。 假设场 F （ p k ， 用 RGB 图像记录， 即背景 图像， 则随着流场网格的动态变化， 在流场定义域内的网格节点运动属性保持不变， 而流场 定 义 域 以 外 节 点 运 动 属性为 0 。 整个流场运动属性的变化可表示为： F（ pk ， k） = （ 2）
3. College of Shipbuilding Engineering ，Harbin Engineering University ，Harbin
4. State Key Laboratory of Hydro-science ＆ Engineering ，Tsinghua University ，Beijing
［9］
，
为流场动态可视化提供了一种全新的思路 。 IBFV 方法的 数 据 适 应 性 好， 不 需 要 事 先 分 析 数 据 的 特 点， 可以很好 IBFV 方法充分利用了计算机的显卡硬件功能， 对于恒定场和非恒定场同样适用 。 另外， 将大 地表示流场的细节， 部分复杂的显示计算过程交给显卡完成， 从而获得较高的显示速度， 是流场动态可视化中综合效果最好的方法之 一。
Development of texturebased flow visualization platform
ZHANG Shanghong 1 ，YI Yujun 2 ，JIANG Yan 3 ，YE Yuntao 4 （ 1. Renewable Energy School ，North China Electric Power University ，Beijing 102206 ； 100875 ； 150001 ； 100084 ） 2. School of Environment ，Beijing Normal University ，Beijing
［6 ～ 8］ ［5］
， 纹理法主要包括点噪声法 、 线积分
， 得出的图像致密地表征了整个流场矢量， 可以很好地显示运动方向， 表达流场细节， 缺点是计算耗
时， 容易引入高频噪声 。 目前， 针对 LIC 的改进方法很多， 主要是通过算法来减少计算量， 由于这种方法以离散的 网格点为研究对象， 要达到比较好的显示效果通常需要图形工作站的支持 。 IBFV 方 法 区 别 于 以 流 场 基于纹理图像的流场可视化（ IBFV ） 是 近 年 来 发 展 迅 速 的 一 种 矢 量 场 可 视 化 技 术， 网格离散数据点为研究对象的可视化方法， 它将整个流场作为研究对象， 以图像的变形流动替代质点 的 平 流
Abstract ： Texture-based flow visualization is a new visualization method of flow field that is based on blending of a warped version of the previous image with a number of background images ，a method of high performance using standard features of graphics hardware and no special interpolation． This paper discusses the principles of this new method and develops a visualization platform using Visual C + + and OpenGL． In the method ， several key techniques are adopted ，flow field data coordinate conversion ，flow field grid modification and drawing background image mapping ，generation and integration of noise image ，color rendering scalar field ， etc． On the platform developed ，the river reach between Three Gorges dam and Gezhouba dam is visualized． The platform has advantages of less calculation ，more detailed flow field and higher adaptability to data format in comparison to a particles-based system． The platform is useful for dynamic visualization of flow field． Key words ： computational fluid dynamics ； digital watershed ； flow visualization ； texture blend ； scalar field visualization ； platform development
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引言
水流模拟一直是流体研究的重点问题之一， 为寻求水流运动规律， 除水流基本理 论 、 模型实验和数值模拟的
研究外， 流场动态可视化是反映流场动态变化过程 、 发现水流规律的重要手段 。 在复杂 流 动 的 研 究 中， 通过流场 而且可以表现流场随时间的变化过程， 在海量数据的计算分析 可视化不但可以直观地观察流场的空间分布特征，