基于机器视觉光流法的涡旋可视化及测量

为了分析涡旋产生的形式和运动特点,探究产生涡旋现象的机理,以对气候变更进行预测和对自然灾害进行防治,有别于PIV这样昂贵的、体积庞大的涡旋测量设备,设计了一套简易的实验设备用于产生稳定移动的涡旋。使用机器视觉对涡旋进行可视化,并使用Farneback光流法对流场运动情况采集数据。为了使光流法适用于变化大的场景,利用金字塔算法将采集到的二维光流场数据做图像缩小处理,通过残余光流的计算得到像素偏移矢量,并与实际的流场大小的比例换算得到流场的流体微元实际位移,偏向角数据。对于采集光流数据遇到的异常光导致的数据噪声,采用拉依达法剔除异常数据。使用去异化数据计算流场中流速的分布和涡量的分布,结果表明,使用机器视觉的方法对涡旋的测量具有可行性。

基于传输函数的二/三维全时空连续海洋中尺度涡旋流场实时可视化

海洋中尺度涡旋可视化可以将海洋中尺度涡旋的运动规律以图形图像等直观的方式加以展现,是研究海洋中尺度涡旋强有力的工具。然而,现有的可视化方法存在一些不足,如时空连续可视化框架中的流线不能表现全时空连续的运动过程,应用到海洋涡旋提取的特征值受阈值影响严重,交互式传输函数依赖用户经验等。为解决已有的不足,本文首次提出了全时空连续框架和传输函数标准形态模式,将基于区域的涡旋提取技术(Ω准则)应用到海洋中尺度涡旋可视化中,并提出了全时空连续可视化框架二维及三维的GPU实现方案。实验结果表明,本文的可视化方案达到了实时可交互的级别,对于海洋中尺度涡旋交互式可视化具有重要意义。

基于传输函数标准形态模式的海洋涡旋温盐和压力异常三维结构交互可视化

随着海洋观测技术和海洋数值模拟技术的发展,海洋学家已经能够获取海量的时空连续的海洋数据。但目前人们对于三维海洋大数据缺乏高效的交互可视探索手段,因此,利用科学可视化技术展现海洋数据,以及更深一步地挖掘时空数据规律是建立对海洋大数据从感知到认知的关键技术桥梁。本文利用体绘制技术从传输函数特征点数量、特征颜色映射以及表现特征的线型三个方面,设计针对海洋温盐异常数据以及压力异常数据的传输函数标准形态模式,能够直观有效地表现海洋涡旋温盐和压力异常三维结构。本文优化了球面光线投射算法,在保证绘制质量的情况下,实现了大规模海洋三维涡旋实时交互展示;同时实现了三维数据的内部漫游功能,能够更加清晰且完整地表现局部海洋涡旋的三维结构。通过可视分析发现,处于黑潮延伸体附近的气旋涡(CE,Cy⁃clone Eddy)温度异常呈“上正下负”的三维结构;由于涡旋引起的海水升降运动,部分反气旋涡(AE,Anticyclone Eddy)盐度异常呈现出“上正下负”的三维结构;相较于温盐异常结构,海洋涡旋压力异常结构轮廓更为清晰且不会出现上下不一致的情况。

基于传输函数的中尺度涡旋时空连续可视化

本文结合二维流线可视化技术和中尺度涡旋识别技术,提出了3种中尺度涡旋时空连续可视化的方法:基于OW参数的涡旋可视化方法、基于栅格模板的涡旋可视化方法和基于矢量模板的涡旋可视化方法,这3种方法分别基于Okubo-Weiss算法、Faghmous的算法和Liu的算法来进行涡旋识别,同时将流场可视化的结果填充到涡旋内部,以获得更好的可视化效果。在可视化过程中本文引入了传输函数来对涡旋中的流线颜色和透明度进行实时交互,能够在控制界面上通过设置Key值点的颜色和位置来控制速度、涡度和OW参数等信息的显示效果。本文在性能和显示效果方面比较了3种方法的优劣。从性能上来讲,性能由高到低依次为:基于OW参数的涡旋可视化方法、基于栅格模板的涡旋可视化方法和基于矢量模板的涡旋可视化方法。从显示效果上来讲,基于OW参数的涡旋可视化方法在三者中最差,效果中有较多的杂乱的短线,同时涡旋边界较小,局限于涡旋核心区;基于栅格模板的涡旋可视化方法较第一种方法的显示效果有所提升,杂乱的短线较少,涡旋相对完整,但由于数据分辨率不够高的原因,在放大多倍后涡旋边界呈现锯齿状;基于矢量模板的涡旋可视化方法显示效果最好,涡旋完整、饱满。同时,因为首先进行了涡旋边界的重构,将涡旋边界矢量化,涡旋边界更加平滑。相对于传统长时间序列的涡旋可视化的方法而言,这3种方法提供了一个美观、动态和更富信息性的可视化方法,同时由于传输函数的加入,其可以成为科研人员研究涡旋的一个实用的工具。