二维LIC矢量场可视化算法的研究及改进

第4 O卷第 9期 2 0 1 3年 9月

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Co mp u t e r S c i e n c e

Vo 1 . 4 0 No . 9 S e p 2 0 1 3

二维 L I C矢量场可视化算法的研究及改进詹芳芳胡伟袁国栋。

(北京化工大学信息科学与技术学院 北京 1 0 0 0 2 9 ) (清华大学计算机科学与技术系 北京 1 0 O 0 8 4 )。摘要线积分卷积 ( L I C )是一种针对矢量场的可视化方法。针对二维空间上的 L I C算法进行了研究并提出了改

进。首先，针对某些二维矢量场在用户关注区域矢量大小比较接近的问题，采用非线性的颜色映射法进行处理，最终

的可视化结果可以突出用户感兴趣区域的矢量场特征。其次，从原始 L I C算法的串行计算任务中提取出 4个可以并行计算的子模块，并依托 NⅥD的 CU D A架构实现了颜色增强 LI C法的硬件加速。结果表明，加速后算法的加速比随着输入矢量场分辨率的增加而增加。因此，该算法适用于高分辨率二维矢量场的交互式可视化，且没有特别高的硬件要求，通用性较好。总之，新的算法较原始算法在视觉效果和性能上都有所改进。关键词矢量场可视化，线积分卷积，颜色增强， G P U加速中图法分类号 TP 3 9 1 . 4 1 文献标识码 A

I mp r o v e me n t o f 2 D LI C Al g o r i t h m f o r Ve c t o r F i e l d Vi s u a l i z a t i o nZ H AN F a n g - f a n g HU We i YUAN Gu o - d o n g e

( C o l l e g e o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y, B e i j i n g Un i v e r s i t y o f C h e mi c a l Te c h n o l o g y, B e i j i n g 1 0 0 0 2 9, C h i n a )( D e p a r t me n t o f o mp C u t e r S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y, Ts i n g h u a Un i v e r s i t y, B e i j i n g 1 0 0 0 8 4, Ch i n a )

Ab s t r a c t L i n e i n t e g r

a l c o n v o l u t i o n( LI C) i s a me t h o d f o r v e c t o r f i e l d v i s u a l i z a t i o n . Th i s p a p e r p r e s e n t e d a n i mp r o v e dLI C t e c h n i q u e f o r 2 D v e c t o r f i e l d . F i r s t l y。 f o c u s e d o n t h e p r o b l e m t h a t s o me v e c t o r f i e l d’ S ma g n i t u d e i s t O o s i mi l a r i n r e— g i o n s o f i n t e r e s t, we u s e d n o n l i n e a r c o l o r ma p p i g n me t h o d t o d e a l wi t h i t, a n d t h e f i n a l v i s u li a z a t i o n r e s u l t C n a h i g h l i g h tt h e v e c t o r f i e l d’ S c h a r a c t e r i s t i c s i n r e g i o n s o f i nt e r e s t . S e c o n d l y, we e x t r a c t e d f o u r p a r a l l e l s u b - mo d u l e s f r o m t h e o r i g i - n a l LI C s e r i a 1 c o mp u t i n g t a s k s nd a i mp l e me n t e d C O l o r e n h a n c e d LI C’ S h a r d wa r e a c c e l e r a t i o n r e l y i n g o n NⅧ I A’ S CU—

DA rC a h i t e c t u r￣ Th e r e s u l t s s h o w t h a t, wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e i n p u t v e c t o r f i e l d s’r e s o l u t i o n, t h e s p e e d o f t h e a c c e l e r a -

t e d a l g o r i t h m i n c r e a s e s a s we l 1 . Th e r e f o r e, he t a c c e l e r a t e d a l g o r i t m h i

mp l e me n t e d i n t h i s p a p e r c a n b e we l l a p p l i e d t o i n - t e r a c t i v e v i s u a l i z a t i o n o f h i g h - r e s o l u t i o n 2 D v e c t o r f i e l d s, nd a i t h a s a g o o d v e r s a t i l i t y, d e ma nd i n g n o h i g h h rd a wa re r e - q u i r e me n t s . To c o n c l u d e, t h e n e w me t h o d c a n i mp ov r e v i s u a 1 q u a l i t y wi t h b e t t e r p e r f o r ma n c e . Ke y wo r d s Ve c t o r f i e l d v i s u a l i z a t i o n, Li n e i n t e g r a l c o n v o l u t i o n, C o l o r e n h a n c i n g, GP U a c c e l e r a t i o n

1 引言矢量场可视化是科学计算可视化研究领域中的一个重要研究课题，它广泛应用于计算流体力学、航空航天、电磁场模拟、气象分析、地球系统模式等领域。 目前的矢量场可视化方法主要分为 3类_ 1]:直接映射的矢量场可视化方法、基于积分流线的矢量场可视化方法以及基于纹理的矢量场可视化方法。各类方法都有自己的优缺

点的位置选择不合理，很可能会丢失用户感兴趣的特征[ 2]。

基于纹理的矢量场可视化方法不仅可以展现矢量场的细节信息，而且不需要预先确定种子点，因此成为了研究热点之一。

点噪声法。 和L I C法 (即线积分卷积法 )[是两种比较常用的基于纹理的矢量场可视化方法。由于 L I C法比点噪声法更能精确地表现矢量场的方向信息[ 5],因此本文针对二维空间上的 L I C法进行了研究并提出了改进。

点。直接映射的矢量场可视化方法，比如箭头法，容易实现， 且可以同时表示矢量的大小和方向，但是由于空间分辨率的限制，该方法往往很难展现矢量场的细节信息。基于积分流线的矢量场可视化方法克服了箭头法的上述缺点，但是在该类方法的实现过

程中，需要预先确定种子点的位置，一旦种子到稿日期： 2 0 1 2一 I I一 0 4返修日期： 2 0 1 3— 0 3— 0 5( 6 1 0 0 3 1 3 2 )资助。

2背景和相关工作2 . 1 L I C算法原理 L I C ( 1 i n e i n t e g r a l c o n v o l u t i o n,即线积分卷积 ) _ 4],是由 B r i a n C a b r a l和L e i t h L e e d o m在 S I G GR APH’ 9 3上提出的一种基于纹理的矢量场可视化方法。

本文受国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3计划) ( 2 0 1 0 A A 0 1 2 4 0 2 ),国家自然科学基金项目伟( 1 9 7 9一),男，副教授，主要研究方向为真

詹芳芳( 1 9 8 7一),女，硕士，主要研究方向为科学计算可视化， E - ma i l: f a n g f a n g z h a n@g ma i l . c o m;胡

实感图形实时绘制、照片与视频计算、基于多投影拼接的大屏幕组合显示；袁国栋( 1 9 7 7一),男，讲师，主要研究方向为计算机图形学、虚拟现实、数字图像处理。

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