[发明专利]等值面构建方法及其应用

说明书

本发明公开一种等值面构建方法及其应用。针对现有技术将三维标量数据离散化成为规则的六面体或四面体产生的精度不足、环境依赖性大的技术缺陷，本发明提供一种等值面构建方法。方法首先建立三维空间数据场各层横截面上的等值线标量函数，其次以等值线几何中心为起点，以等值线上各点为终点作向量，再次用样条曲线相连两两相邻层的横截面上向量终点，再次由顶层横截面、底层横截面、样条曲线构成曲面线框模型，最后由曲面线框模型得到等值面。本发明还提供该方法在气象要素动态数据场可视化、人体医学三维空间数据场可视化中的应用。本发明方法能够适用于不规则三维空间数据场的三维等值面提取，使用范围广泛。方法原理科学，过程简便、计算量小。

技术领域

本发明涉及一种等值面构建方法及其应用，特别是涉及一种基于三维立体剖分法的三维空间等值面构建方法及其应用，属于用于计算机制图的3D建模领域。

背景技术

等值面的构建技术是三维空间数据场(体数据)可视化的重要组成部分。等值面可视化利用现有的、由硬件实现的画面绘制功能构作清晰的三维空间数据场中的表面图像，其图形生成及变换速度较快，因而被广泛地应用于科学及工程计算结果数据的显示中。

现有技术中，对三维空间数据等值面的提取算法有三维标量场的Marching Cubes(MC)和Marching Tetrahedra(MT)两种方法。MC算法的主要思想是检测与等值面相交的体素单元并计算交点的坐标，然后对不同的相交情况利用查找表在体素单元内构建相应的网格拓扑关系。其方法过程是把三维标量数据离散化成为规则的六面体，遍历每个六面体，在六面体每个边上插值出等值点，然后再连接这些等值点，形成等值多边形即等值面。作为三维重建算法中的经典算法，MC算法虽然能够快速提取等值面，但是在多边形连接时存在模型二义性的问题。MT算法与MC算法类似，但更为简单，顶点的取值只有两种不同的情况，即只有一个顶点函数值大于等值面数值(和三个顶点函数值大于等值面阈值情况对称)和两个顶点函数值大于等值面数值的情况，相应对于生成等值面上的一个或两个三角形。由于四面体是最简单的多面体，其它任何类型的多面体都可以剖分解析为四面体，因而可以广泛适用于各类体数据。MT算法能够解决MC算法的二义性问题，并且能够提高等值面的提取精度，但是却与MC算法一样只适合用在三维空间规则分布的动态数据场中。对于不规则数据场则存在将数据场剖分为一致四面体存在复杂性，而一旦剖分的四边形不一致，将最终导致建立的等值面不连续。在气象领域中，由于气压、温度、风场等要素的空间数据场很少可能属于规则分布的动态数据，因而现有的MC算法、MT算法难以适用。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种等值面构建方法。该方法过程简捷，且能够适用于不规则三维空间数据场的三维等值面提取。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种等值面构建方法，其特征在于：依如下步骤实施：

步骤S1、在三维空间数据场中绘制横截面，建立各层横截面上的等值线标量函数；

步骤S2、在各层横截面上，计算等值线上各点的坐标均值，记录为等值线几何中心坐标；

步骤S3、在各层横截面上，以几何中心为起点，以等值线上各点为终点作向量，并记录每条向量的起点、终点坐标；

步骤S4、用样条曲线相连两两相邻层的横截面上向量终点

若相邻横截面上相同方向的向量有多条，用样条曲线连接两两相邻层的横截面上相同方向对应长度的向量终点；反之用样条曲线连接两两相邻层的横截面上方向一致的向量的终点；

步骤S5、由顶层横截面、底层横截面、样条曲线构成曲面线框模型；

步骤S6、由曲面线框模型得到等值面。