Интегральная свертка линии - Line integral convolution

LIC визуализация поля течения.

В научная визуализация, свертка интеграла по линиям (LIC) - это метод визуализации векторного поля, например движения жидкости, например движения ветра в торнадо. LIC был предложен Брайан Кабрал и Лейт Лидом.^[1] По сравнению с другими методами, основанными на интеграции, которые вычисляют линии поля входного векторного поля, LIC имеет то преимущество, что отображаются все структурные особенности векторного поля без необходимости адаптации начальной и конечной точек линий поля к конкретному векторному полю. . LIC - это метод из адвекция текстуры семья.

Принцип

LIC-визуализация с цветом, обозначающим величину скорости.

Интуиция

Интуитивно, поток векторное поле в некоторых областях визуализируется добавлением статического случайного узора из темных и светлых источников краски. По мере того, как поток проходит мимо источников, каждая часть жидкости приобретает некоторую часть исходного цвета, усредняя ее с цветом, который она уже приобрела, подобно тому, как бросают краску в реку. В результате получается случайная полосатая текстура, в которой точки вдоль одной и той же линии тока обычно имеют одинаковый цвет.

Алгоритм

Алгоритмически метод начинается с генерации в области векторного поля случайного изображение уровня серого при желаемом разрешении вывода. Затем для каждого пикселя в этом изображении прямая и обратная рационализировать фиксированного длина дуги рассчитывается. Значение, присвоенное текущему пикселю, вычисляется свертка подходящего ядро свертки с уровнями серого всех пикселей, лежащих на сегменте этой линии тока. Это создает изображение LIC с уровнем серого.

Математическое описание

Хотя входное векторное поле и результирующее изображение дискретизированы, стоит посмотреть на него с непрерывной точки зрения.^[2] Позволять ${\displaystyle \mathbf {v} }$ - векторное поле, заданное в некоторой области ${\displaystyle \Omega }$. Хотя входное векторное поле обычно дискретизируется, мы рассматриваем поле ${\displaystyle \mathbf {v} }$ как определено в каждой точке ${\displaystyle \Omega }$, т.е. мы предполагаем интерполяцию. Линии тока или, в более общем смысле, линии поля касаются векторного поля в каждой точке. Они заканчиваются либо на границе ${\displaystyle \Omega }$ или в критических точках, где ${\displaystyle \mathbf {v} =\mathbf {0} }$. Для простоты в следующих ниже критических точках и границах не учитываются. Полевая линия ${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}}$, параметризованный длиной дуги ${\displaystyle s}$, определяется как ${\displaystyle {\frac {d{\boldsymbol {\sigma }}(s)}{ds}}={\frac {\mathbf {v} ({\boldsymbol {\sigma }}(s))}{|\mathbf {v} ({\boldsymbol {\sigma }}(s))|}}}$. Позволять ${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}_{\mathbf {r} }(s)}$ линия поля, проходящая через точку ${\displaystyle \mathbf {r} }$ для ${\displaystyle s=0}$. Тогда значение серого изображения на ${\displaystyle \mathbf {r} }$ установлен на

${\displaystyle D(\mathbf {r} )=\int _{-L/2}^{L/2}k(s)N({\boldsymbol {\sigma }}_{\mathbf {r} }(s))ds}$

где ${\displaystyle k(s)}$ ядро свертки, ${\displaystyle N(\mathbf {r} )}$ - изображение шума, а ${\displaystyle L}$ - длина следующего сегмента линии поля.

${\displaystyle D(\mathbf {r} )}$ должен быть вычислен для каждого пикселя в изображении LIC. Если провести наивно, это довольно дорого. Во-первых, силовые линии должны быть вычислены с использованием численный метод решения обыкновенных дифференциальных уравнений, как Метод Рунге – Кутты, а затем для каждого пикселя должна быть вычислена свертка вдоль сегмента линии поля. Вычисления можно значительно ускорить, повторно используя части уже вычисленных линий поля, специализируясь на функции ящика в качестве ядра свертки. ${\displaystyle k(s)}$ и избежание избыточных вычислений во время свертки.^[2] Результирующий быстрый метод LIC может быть обобщен на ядра свертки, которые являются произвольными полиномами.^[3]

Обратите внимание, что ${\displaystyle \Omega }$ не обязательно должна быть двумерной областью: метод применим к многомерным областям, использующим многомерные шумовые поля. Однако визуализация многомерной LIC-текстуры проблематична; один из способов - использовать интерактивное исследование с двумерными срезами, которые позиционируются и поворачиваются вручную. Домен ${\displaystyle \Omega }$ тоже не обязательно должен быть плоским; LIC-текстуру можно вычислить также для 2D-поверхностей произвольной формы в 3D-пространстве.^[4]

Выходное изображение обычно каким-то образом окрашивается. Обычно какое-то скалярное поле в ${\displaystyle \Omega }$ используется, как длина вектора, для определения оттенка, в то время как изображение LIC в градациях серого определяет яркость цвета.

Различные варианты ядер свертки и случайного шума создают разные текстуры: например розовый шум создает облачный узор, где участки с более высоким потоком выделяются как размытые, подходящие для визуализации погоды. Дальнейшие уточнения свертки могут улучшить качество изображения.^[5]

Анимированная версия

Иллюстрация к анимации. Выше нормального Коробка Фильтр (средний). В центре: синусоидальный фильтр на ${\displaystyle t}$. Внизу: синусоидальный фильтр на ${\displaystyle t+\delta t}$

Изображения LIC можно анимировать с помощью ядра, которое изменяется со временем. По-прежнему будут использоваться выборки в постоянное время из линии тока, но вместо усреднения всех пикселей в линии потока со статическим ядром, ядро ​​типа пульсации, построенное из периодической функции, умноженной на Функция Ханна действует как окно (для предотвращения артефактов). Затем периодическая функция сдвигается по периоду для создания анимации.

Изменяющиеся во времени векторные поля

Для зависящих от времени векторных полей был разработан вариант (UFLIC), который поддерживает согласованность анимации потока.^[6]

Параллельные версии

Поскольку вычисление LIC-изображения дорогое, но по своей сути параллельное, оно также было распараллелено.^[7] а с появлением реализаций на базе графического процессора он стал интерактивным на ПК. Также для UFLIC была представлена ​​интерактивная реализация на базе графического процессора.^[8]

Юзабилити

Хотя изображение LIC передает ориентацию векторов поля, оно не указывает их направление; для стационарных полей это можно исправить с помощью анимации. Базовые изображения LIC без цвета и анимации не показывают длину векторов (или силу поля). Если эта информация должна быть передана, она обычно кодируется цветом; в качестве альтернативы можно использовать анимацию.^[1][2]

При пользовательском тестировании было обнаружено, что LIC особенно хорош для определения критических точек.^[9] С появлением высокопроизводительных реализаций на основе графических процессоров прежний недостаток ограниченной интерактивности больше не присутствует.

использованная литература

1. Кабрал, Брайан; Лидом, Лейт Кейси (2–6 августа 1993 г.). "Визуализация векторных полей с использованием свертки интеграла линий". Материалы 20-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным техникам.. СИГГРАФ '93. Анахайм, Калифорния. С. 263–270. CiteSeerX  10.1.1.115.1636. Дои:10.1145/166117.166151. ISBN  0-89791-601-8.
2. Сваливание, Детлев; Хеге, Ганс-Кристиан (6–11 августа 1995 г.). «Быстрая и независимая от разрешения свертка интеграла линий». Материалы 22-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям. СИГГРАФ '95. Лос-Анджелес, Калифорния. стр.249–256. CiteSeerX  10.1.1.45.5526. Дои:10.1145/218380.218448. ISBN  0-89791-701-4.
3. Хеге, Ганс-Кристиан; Столлинг, Детлев (1998), «Быстрый LIC с кусочно-полиномиальными ядрами фильтра», в Hege, Hans-Christian; Полтье, Конрад (ред.), Математическая визуализация, Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag, стр. 295–314, CiteSeerX  10.1.1.31.504, Дои:10.1007/978-3-662-03567-2_22, ISBN  978-3-642-08373-0
4. Баттке, Хенрик; Сваливание, Детлев; Хеге, Ганс-Кристиан (1997). «Быстрая интегральная свертка по линиям для произвольных поверхностей в 3D». В Хеге - Ганс-Кристиан; Полтье, Конрад (ред.). Визуализация и математика: эксперименты, симуляции и среды. Берлин, Нью-Йорк: Springer. стр.181 –195. CiteSeerX  10.1.1.71.7228. Дои:10.1007/978-3-642-59195-2_12. ISBN  3-540-61269-6.
5. Вайскопф, Даниэль (2009). «Итеративная интегральная свертка двух линий для визуализации текстурных векторных полей». В Мёллер, Торстен; Хаманн, Бернд; Рассел, Роберт Д. (ред.). Математические основы научной визуализации, компьютерной графики и исследования массивных данных. Математика и визуализация. Берлин, Нью-Йорк: Springer. стр.191 –211. CiteSeerX  10.1.1.66.3013. Дои:10.1007 / b106657_10. ISBN  978-3-540-25076-0.
6. Шэнь, Хань-Вэй; Кам, Дэвид Л. (1998). «Новый алгоритм интегральной свертки по строкам для визуализации полей потока, меняющихся во времени» (PDF). Вычислительный график IEEE Trans Vis. Лос-Аламитос: IEEE. 4 (2): 98–108. Дои:10.1109/2945.694952. ISSN  1077-2626.
7. Цёклер, Мальте; Сваливание, Детлев; Хеге, Ганс-Кристиан (1997). «Интегральная свертка по параллельным линиям» (PDF). Параллельные вычисления. Амстердам: Северная Голландия. 23 (7): 975–989. Дои:10.1016 / S0167-8191 (97) 00039-2. ISSN  0167-8191.
8. Дин, Цзыанг; Лю, Чжаньпин; Ю, Ян; Чен, Вэй (2015). «Интегральная свертка параллельных нестационарных линий потока для высокопроизводительной плотной визуализации». Симпозиум IEEE Pacific Visualization 2015, PacificVis 2015. Ханчжоу, Китай. С. 25–30.
9. Laidlaw, Дэвид Х .; Кирби, Роберт М .; Дэвидсон, Дж. Скотт; Миллер, Тимоти С .; да Силва, Марко; Уоррен, Уильям Х .; Тарр, Майкл Дж. (21–26 октября 2001 г.). «Количественная сравнительная оценка методов визуализации 2D-векторного поля». IEEE Visualization 2001, VIS '01. Труды. Сан-Диего, Калифорния, США. С. 143–150.

внешние ссылки

• Учебное пособие, включающее множество образцов изображений
• Учебник Siggraph 1997 о быстром методе LIC