气泡投影渲染工具

这个工具用于处理气泡的三维STL模型，生成多角度的二维投影图像，并计算相关的形态参数。

功能介绍

该工具可以：

1. 读取气泡STL文件并进行预处理
2. 从多角度对气泡进行二维投影渲染
3. 计算气泡的3D形态参数（体积、表面积、球形度、凸度等）
4. 计算每个投影图像的2D形态参数
5. 将所有参数导出到CSV文件中，方便后续分析

使用方法

1. 文件夹结构

确保您有以下文件夹结构：

bubble_rendering/
├── mesh/            # 存放STL文件的文件夹
│   └── 00002.stl    # 示例STL文件
├── projection/      # 输出投影图像和参数的文件夹（会自动创建）
└── rendering.py     # 主程序

2. 运行程序

python rendering.py

执行后，程序将：

• 读取mesh文件夹中的所有STL文件
• 为每个STL文件在projection文件夹下创建对应的子文件夹
• 生成多角度的投影图像并保存到对应子文件夹
• 计算所有形态参数并保存到projection/parameters.csv文件

3. 配置选项

您可以在代码中修改以下配置：

• 投影模型：

  # projection_model = 'fibonacci'  # 使用斐波那契分布的投影点
  projection_model = 'sphere'      # 使用球面均匀分布的投影点

• 投影点数量：

  points = generate_points_on_sphere(N = 33)  # 生成33个投影角度

输出内容

1. 投影图像

每个STL文件都会生成多个不同角度的投影图像，图像命名格式为：

Sphere_[x坐标]_[y坐标]_[z坐标]_scale=[缩放比例].png

2. 参数文件

parameters.csv文件包含以下参数：

3D参数：

• a, b, c: 拟合椭球的三个半轴长度
• Volume_3D: 气泡体积
• Surface_area_3D: 气泡表面积
• EI_3D: 扁平度指数
• FI_3D: 伸长度指数
• AR_3D: 长宽比
• Sphericity_3D: 球形度
• Convexity_3D: 凸度
• Angularity_3D: 棱角度

2D参数（每个投影图像）：

• Principal_Dimension_2D: 主轴长度
• Secondary_Dimension_2D: 次轴长度
• Area_2D: 投影面积
• Aspect_Ratio_2D: 长宽比
• Circularity_2D: 圆形度
• Solidity_2D: 实心度
• Convexity_2D: 凸度
• radius_angularity_index_2D: 半径棱角度指数

渲染原理

程序使用以下步骤渲染气泡投影：

1. STL文件读取与预处理：

   • 读取气泡的STL模型文件
   • 对点云数据进行归一化处理
   • 根据需要进行上采样，确保点云密度足够（默认约20000个点）
   • 应用Taubin平滑算法减少噪声
   • 填充模型中可能存在的小孔

2. 投影点生成：

   • 支持两种投影模型：
     • fibonacci：基于斐波那契螺旋分布在球面上的均匀点
     • sphere：基于PyVista球体模型生成的均匀分布点
   • 默认生成33个观察角度的投影点

3. 多角度渲染：

   • 对每个投影点，通过旋转模型实现不同角度的观察
   • 使用向量叉乘和点乘计算旋转轴和角度
   • 根据模型大小自动调整缩放比例

4. 光照模型与投影：

   • 考虑表面法线与视线方向的夹角计算光照强度
   • 使用高次幂函数(angles^8)增强边缘对比度
   • 应用基于距离的权重插值实现平滑渲染

5. 图像处理：

   • 应用高斯滤波(sigma=1.0)平滑图像
   • 应用中值滤波(size=5)去除噪点
   • 调整对比度增强图像质量

6. 形态参数计算：

   • 基于三维模型计算3D参数（体积、表面积、球形度等）
   • 基于投影轮廓计算2D参数（面积、周长、圆形度等）
   • 拟合椭球体/椭圆获取主轴和次轴信息
   • 计算各种形态指标如棱角度、凸度、圆形度等

7. 结果导出：

   • 生成多角度的投影图像（PNG格式）
   • 输出包含所有形态参数的CSV文件

安装与依赖

在运行程序前，确保已安装所有必要的依赖库：

pip install -r requirements.txt

主要依赖包括：

• numpy：用于数值计算
• pyvista：用于3D网格处理
• matplotlib：用于图像生成
• opencv-python (cv2)：用于图像处理
• scipy：用于科学计算
• tqdm：用于显示进度条

故障排除

如果程序运行出错，可能原因包括：

1. STL文件格式不正确或数据异常
2. 缺少依赖库（请安装：numpy, cv2, pyvista, matplotlib, scipy, tqdm）
3. 内存不足（处理大型STL文件时）

未来改进

计划在未来版本中添加：

1. 渲染管线的GPU加速
2. 更多的投影模型选项
3. 批处理功能的优化
4. 更直观的参数可视化

联系方式

如有任何问题或建议，请联系开发者。

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注：此工具主要用于气泡流研究，适用于分析气泡形态特征和流体动力学行为。

结果分析

输出参数说明

parameters.csv文件中的参数详细解释：

3D参数

• 椭球拟合参数：
  • a, b, c：拟合椭球的三个半轴长度（由大到小排序）
• 体积与表面积：
  • Volume_3D：气泡体积
  • Surface_area_3D：气泡表面积
• 形状指数：
  • EI_3D：扁平度指数 (Elongation Index) = b/a
  • FI_3D：伸长度指数 (Flatness Index) = c/b
  • AR_3D：纵横比 (Aspect Ratio) = (EI_3D + FI_3D)/2
  • Sphericity_3D：球形度，完美球体为1.0
  • Convexity_3D：凸度，表示与凸包的体积比
  • Angularity_3D：棱角度，表示表面的不规则程度

2D参数

• 尺寸参数：
  • Principal_Dimension_2D：投影的主轴长度
  • Secondary_Dimension_2D：投影的次轴长度
  • Area_2D：投影面积
• 形状参数：
  • Aspect_Ratio_2D：投影的长宽比
  • Circularity_2D：圆形度，完美圆形为1.0
  • Solidity_2D：实心度，表示投影面积与椭圆面积的接近程度
  • Convexity_2D：凸度，表示投影面积与凸包面积的比值
  • radius_angularity_index_2D：半径棱角度指数，表示轮廓相对于拟合椭圆的不规则程度

参数自定义

您可以在rendering.py文件中自定义以下参数：

# 投影方式
projection_model = 'sphere'  # 或 'fibonacci'

# 投影点数量
points = generate_points_on_sphere(N = 33)  # 生成33个投影角度

# 光照参数修改 (第347行附近)
M = angles ** 8  # 可以修改幂次来调整边缘锐利度

# 图像处理参数 (第395行附近)
mapped_points = gaussian_filter(mapped_points, sigma=1)  # 高斯滤波参数
mapped_points_normalized = median_filter(mapped_points_normalized, size=5)  # 中值滤波参数

Git上传指南

完成代码修改后，您可以使用以下命令将项目上传到Git仓库：

# 初始化Git仓库（如果尚未初始化）
git init

# 添加所有文件到暂存区
git add .

# 提交更改
git commit -m "初始版本：气泡渲染工具"

# 添加远程仓库（替换为您的仓库URL）
git remote add origin <仓库URL>

# 推送到远程仓库
git push -u origin master

如需更新代码：

# 添加修改的文件
git add .

# 提交更改
git commit -m "更新：添加新功能/修复问题"

# 推送更改
git push

后续开发计划

1. GPU加速渲染管线，提高大规模数据处理效率
2. 增加更多投影模式和视觉效果选项
3. 添加实时预览和交互式参数调整界面
4. 优化批处理能力，支持更大规模的数据集处理
5. 添加与机器学习模型的集成接口，用于自动化形态分析