时变体数据传输函数设计及其在行星际数值模拟结果可视化中的应用.pdf
《时变体数据传输函数设计及其在行星际数值模拟结果可视化中的应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《时变体数据传输函数设计及其在行星际数值模拟结果可视化中的应用.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Journal ofSpaceScience,22023,43(3):423-433.D01:10.11728/cjss2023.03.2022-0011ZHUYan,ZHONGTime-varying Volume Data Transfer Function for Interplanetary Numerical Simulation Data(in Chinese).Chineseingkun.Chin.J.SpaceSci.0254-6124/2023/43(3)-0423-11空间科学学报时变体数据传输函数设计及其在行星际数值模拟结果可视化中的应用*祝艳1,2钟鼎坤11(中国科学院
2、国家空间科学中心北京10 0 190)2(中国科学院大学北京100049)摘要为便于太阳风暴行星际传播数值模型结果可视化分析,提出一种针对时变模拟数据体绘制的传输函数设计算法(TransferFunction forTime-varyingVolumedata,T FT V)。该算法首先基于KNN(K-Ne a r e s tNeighbors,K NN)背景差分法提取运动区域;然后,利用频率调谐(FrequencyTuned,FT)显著性算法检测日冕物质抛射(CoronalMassEjection,CM E),并设计颜色反映射算法查找CME与背景的分界阈值;最后,基于阈值自适应调整传输函数实
3、现各时间步上运动区域中CME的快速三维可视化。实验结果表明,该算法能够适应静态及动态背景下CME的数值模型结果,相对于线性传输函数有效避免了视线方向的遮挡,直观自动地展示了相对动量的变化,示踪行星际空间中CME的演化过程,局部区域的提取降低了数据穴余,借助算法自动分析数据自适应调整传输函数避免了人工调整的低效性。关键词体绘制,传输函数,可视化,数值模拟中图分类号P35,TP391.41A Time-varying Volume Data Transfer Function forInterplanetary Numerical Simulation DataZHU Yan1,2ZHONG Di
4、ngkun1(National Space Science Center,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)2(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)AbstractUnderstanding the interplanetary propagation of solar storms is the foundation of space en-vironmental forecasting and services.The visualization of nume
5、rical model simulation data is an impor-tant method to analyze the propagation dynamics process and verify the validity of the model.In orderto facilitate the visualization analysis of the numerical model simulation data with increasing simulation国家自然科学基金项目资助(418 7 42 0 2,42 0 30 2 0 4)2022-01-08收到原
6、稿,2 0 2 2-12-18 收到修定稿E-mail:The Author(s)2023.This is an open access article under the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)4242023,43(3)空间科学学报Chin.J.Space Sci.scale,a Transfer Function for Time-varying Volume data rendering(TFTV)based on the characteris-tics of time domain
7、and frequency domain is proposed.The algorithm is designed to extract images in-cluding motion regions based on the K-Nearest Neighbor(KNN)background subtraction method,andthen the three-dimensional subset of the moving region can be extracted according to the mapping rela-tionship between the image
8、 and the volume data to achieve the reduction of large-scale grid volume da-ta.Then the Frequency Tuned(FT)salient region detection algorithm is used to detect Coronal MassEjection(CME)in motion area images,and according to the CME detection results,a color inversemapping algorithm is designed to fi
9、nd the boundary threshold between the CME and interplanetaryspace background.Finally,the transfer function design in volume visualization is adaptively adjustedbased on the threshold to realize the fast 3D visualization of CME in the motion region at each timestep.The experimental results show that
10、TFTV transfer function algorithm can adapt to the numericalmodel simulation data in static and dynamic backgrounds.Compared with the linear transfer function,the occlusion of the line in sight direction is effectively avoided,the change of relative momentum is in-tuitively and automatically displaye
11、d,and the evolution process of CME in interplanetary space istraced.The extraction of local regions reduces data redundancy,and the process of adaptively adjustingthe transfer function by automatically analyzing the data with the help of algorithms avoids the ineffi-ciency of manual adjustment.Keywo
12、rdsVolume rendering,Transfer function,Visualization,Numerical simulation0引言了解太阳风暴行星际传播过程是空间环境预报和服务的基础,数值模型结果可视化是分析传播动力学过程及验证模型有效性的重要方法,体绘制算法能够直观地展示三维数据整体及内部的特征信息,是刻画大规模科学数据中复杂物理特征的有效途径。基于传输函数和光线投射算法的体绘制技术在空间环境中有很多成功实践。Mikic等利用体绘制算法可视化日冕区域数值模拟结果中磁通量管挤压因子Q,以强调太阳磁场的内在复杂性及其与太阳日冕可见光的密切联系;Bock等 2 使用体绘制技术分
13、析检查数值模拟结果中CME的三维结构;Carlbaum等 3 基于ENLIL模型模拟结果集成场线、日冕及体绘制结果,以直观地表现日地事件。体绘制的关键在于传输函数的设计。2 0 世纪90年代以来,不断推出新的传输函数方法简化体绘制传输函数设计过程,以提高三维标量场数据可视化方法的有效性和实用性 5。建立传输函数映射规则的过程本质上是对数据进行分类,目前传输函数的自动设计方案主要有3类:(1)对统计空间进行聚类分析并基于聚类结果自动调整传输函数 6-8 ;(2)针对时变体数据特征使用核密度估计、高斯混合等概率估计模型并基于概率自动调整传输函数 9-12);(3)通过交互式方式勾画感兴趣特征线及背
14、景特征线,根据两者差异增大感兴趣标量范围不透明度设计的自动传输函数 13。然而随着体数据网格规模的增加,数据量呈指数增长,逐个计算、比较概率的计算量巨大,且统计空间维数的增加会使相似度量及距离计算逐渐产生偏差,进而引发维数灾难问题。在大规模数据中,这些方法将变得低效,且随着统计空间维数的增加,算法效果将逐渐退化。千万亿次超级计算机的出现使得复杂、大规模、高分辨率的模拟计算成为可能,如何快速从庞大的数据中提取有用信息并实现高质量展示效果是体绘制研究的主要挑战。由高分辩率模拟结果引发的数据传输和I/O瓶颈阻塞问题降低了科学模拟研究的效率。针对数据量极大的模拟数据,常见做法是采用降采样、原位数据提取
15、等方法对数据进行约简,进而在资源有限的后处理机器上进行分析及可视化 14,15。Jung等 16 通过对射线经过的两个最大剖面的显著度进行分析,组合多个基于显著性定义的分量形成传递祝425艳等:时变体数据传输函数设计及其在行星际数值模拟结果可视化中的应用函数,进而对感兴趣的区域进行体绘制。Wang 等 17 提出了一种基于图像和分布的大规模数据表示方法,将图像作为代理在后处理机器上探索传输函数设计方案,利用可视化结果辅助理解物理现象。本文同样在图像空间中进行分析,以应对模拟规模不断增加的趋势。针对CME行星际传播数值模拟结果,在时域及频域空间中分析不同时间步切面图像,并根据分析结果提取运动区域
16、实现三维数据的约简,最后设计颜色反映射算法,根据不同时刻的CME特征检测结果自动调整传输函数,增强CME区域信息展示1TFTV算法1.1基本思想为便于模型模拟结果可视化分析,提高模拟数据可视化的有效性和实用性,针对时变数值模拟结果的三维可视化提出TFTV(TransferFunctionforTime-varying Volume data,TFTV)算法。TFTV算法的基本过程如下:基于KNN背景差分法确定运动区域外接矩形并提取图像及三维运动子集,利用FT显著性算法在运动区域图像中检测CME,并依赖CME检测结果设计颜色反映射算法查找各时间步CME与背景的分界阈值,进而基于阈值自适应调整传输
17、函数对局部运动区域中的CME实现快速三维可视化。TFTV算法总体框架如图1所示。1.2体绘制传输函数设计方案1.2.1基于KNN背景差分法及FT显著性算法的CME检测过程CME在行星际空间传播时所到区域表现为速度、密度、磁场等物理属性的显著增强,持续一段时间后恢复平静 18 。速度及密度是CME的两个关键属性。标准化处理消除径向梯度的密度及径向速度以去除两个属性值的量纲差异,进而计算两者乘积为相对动量,并将相对动量作为展示CME结构的映射标量。通过提取各时间步上体数据赤道切面图像形成视频,从时域及频域特征出发,在切面视频中利用KNN背景差分法(K-Nearest Neighbors back-
18、ground subtraction method)及FT显著性算法(Fre-Merge slices intoKNNbackgroundExtract 3D-Result-一videosubtractormotion subsetsKNNbackgroundsubtractorExtract imagemotion subsetFT salientregion detectionCME targetdetection resultsColorinverseVolume renderingmappingTransferfunctionadjustment图1TFTV算法框架Fig.1Frame
19、work of TFTV algorithm4262023,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报quency Tuned Salient Region Detection method)检测CME。KNN背景差分法通过保存历史帧并学习当前顿实现背景模型的实时更新,捕捉表现为前景的动态特征,在渐变场景下可以取得很好的效果 9。对比高斯混合模型等参数概率密度估计算法,KNN算法能够快速检测到进人窗口的物体,对自太阳向外抛射的CME提取具有明显的优越性。无参数概率密度估计方法也为建立样本模型提供更大的自由度,对数值模拟结果中静态及渐变动态背景的数值模拟结果具有较好适用性。在频域中图
20、像可以分为低频和高频两部分,高频部分反映了图像的细节信息,低频部分反映了图像的整体信息,FT显著性检测算法使用55的高斯核过滤纹理、噪声等高频区域,主要关注低频信息,适合整体对象的识别及分割 2 0 。本文基于KNN背景差分法及FT显著性算法设计的CME检测算法过程如下。KNN背景差分法使用统一的高斯核函数K对历史帧数据X中位于核体积V内样本进行计数,KNN分类算法 2 1 对异常值具有鲁棒性且不需要先验数据,基于KNN分类思想根据新样本在特征空间中的k个最相邻样本的类别判断该样本所属类别,像素(t)的时域概率分布模型为p()|XT,B+F)=12KIl m-(t)(1)TVDTV.m=t-T
21、其中,Ilm一(t)Il表示当前像素(t)与前T顿像素的L2范数差异;若u Pake.(7)祝427艳等:时变体数据传输函数设计及其在行星际数值模拟结果可视化中的应用1.2.2颜色反映射算法颜色反映射算法为数值到颜色的反映射过程,即颜色空间到原始数据值的过程。值得注意的是,数值到颜色的映射过程中首先将原始数值归一化到 0,1区间内,然后建立数值到颜色的映射关系,颜色映射及反映射过程如图2 所示,颜色反映射算法主要有以下三步。步骤1基于 CME检测结果D(,y),获取该区域像素点的RGB颜色分量XRGB步骤2 木根据颜色映射过程中构建的颜色映射表XTableY n o r m,查找颜色表中与各像
22、素点XiGB欧氏距离最短的颜色分量indec(llXAGBXT a b l l mi n)所对应的归一化后属性值Yiorm,其中0 iM,M 为D(,y)区域像素点个数。步骤3基于颜色映射过程中所使用的归一化函数以及归一化后属性值Ynorm计算前景CME区域均值Zo长m(f-1(Yim)/M)作为阈值r,-为归一化函数f的反函数。1.2.3基于阈值的传输函数体绘制技术能够对大规模数据中复杂物理三维特征提供直观形象的展示,体绘制的关键在于传输函数的设计,传输函数通过定义数据值与颜色、不透明度等视觉元素之间的映射关系实现不同可视化效果。传输函数的颜色以及不透明度映射规则如下。(1)颜色映射:颜色映
23、射区间由参与映射的标量值范围确定,以相对动量为例,其中CME对应相对动量较大的区域。(2)不透明度映射:不同于Paraview和Visit*等可视化软件常用的线性映射规则,基于逻辑回归预测模型中常用的sigmoid函数 2 3,根据KNN背景差分法及FT显著性算法提取CME检测结果并根据颜色反映射算法确定阈值r,将参与映射的标量值区间划分为非特征区域及特征区域两类并分别设计不透明度,根据r将属性值转换为0 1的概率值,最终不透明度根据属性值位于特征区域的概率决定,具体映射方案如下:于(a)=1+1(8)e-其中,属性值小于r的值映射到-10,0 内,属性值大于r的值映射到 0,10 内,将参与
24、映射的相对动量属性值归一化到E-10,10区间内计算其位于特征区域的概率。此外,可以调整最大不透明度,以更好地展现内部结构。基于阈值设计的不透明度映射函数及Paraview与Visit三维可视化软件常用的线性映射函数作用在参与映射的标量值区间上的效果如图3所示。2实验与结果分析2.1实验数据数值模拟方法在观测数据有限的空间科学领域中被广泛应用。因此,针对数值模拟结果设计有效的可视化分析算法有助于复杂物理特征的发现和了解,直观的可视化结果亦能满足稳步增加的空间天气数值模拟结果的快速分析需求。设计TFTV算法简化传输函数设计过程,以整合速度及密度特征的相对动量为例,给出时变太阳风暴数值模拟结果中C
25、ME三维结构及传播演化状态。基于SIP-CESE(SolarIn-terPlanetary-Conservative Element SolutionEle-ment,SIP-CESE)模型 2 4 及空间天气模型的协同建模中心(Community Coordinated Modeling Center,CCMC)提供的在线运行CORHEL(CORonal andDataNormalizationColor(3)(2)()Value dataNormalizationColor tableColor图2颜色映射及反映射过程Fig.2Color map and reflection proces
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 变体 数据传输 函数 设计 及其 在行 星际 数值 模拟 结果 可视化 中的 应用
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。