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[Python知识库]基于python的三维射线追踪库-ttcrpy详解(5)

作者:222_151

基于python的三维射线追踪库-ttcrpy详解(5)

ttcrpy是加拿大学者伯纳德·吉鲁(Bernard Giroux)于2021年发布的开源python库,详见(https://github.com/groupeLIAMG),参考文献(Giroux B. 2021. ttcrpy: A Python package for traveltime computation and raytracing.
SoftwareX, vol. 16, 100834. doi:10.1016/j.softx.2021.100834
)。

ttcrpy库中包含了矩形网格和三角形网格两种网格剖分形式,对于三角网格,要利用python中的vtk库和pygmsh库,本文研究ttcrpy中三角网格射线追踪。

1、vtk库

1.1、vtk库的安装

安装:直接在cmd中pip即可。(正常情况下会报错,可以在vtk官网下载支持python的*.whl文件安装)

pip install vtk

csdn有不少博客介绍python vtk的安装方法,本人安装的版本是9.1.0版本(目前最新版本)。

1.2、vtk库的使用

在python vtk官网(地址:https://vtk.org/download/),有一个简单示例,代码如下:

import vtk  
  
cone_a=vtk.vtkConeSource()  
  
coneMapper = vtk.vtkPolyDataMapper()  
coneMapper.SetInputConnection(cone_a.GetOutputPort())  
  
coneActor = vtk.vtkActor()  
coneActor.SetMapper(coneMapper)  
  
  
ren1= vtk.vtkRenderer()  
ren1.AddActor( coneActor )  
ren1.SetBackground( 0.1, 0.2, 0.4 )  
  
renWin = vtk.vtkRenderWindow()  
renWin.AddRenderer( ren1 )  
renWin.SetSize( 600, 600 )  
renWin.Render()  
  
iren=vtk.vtkRenderWindowInteractor()  
iren.SetRenderWindow(renWin)  
  
iren.Initialize()  
iren.Start() 

在spyder下运行结果:
在这里插入图片描述
vtk库包含的方法单词较长,ctrl+V比较方便,vtk说明书里面语法讲解的很详细,较易上手,但是熟练掌握要花费很多时间,ttcrpy库只需要部分vtk功能。

2、pygmsh库

2.1、pygmsh库安装

直接pip安装。

pip install pygmsh

我安装的版本是7.1.17版本。

2.2、pygmsh库使用

pygmsh官方文档给出了一个简单的示例(见官网https://pypi.org/project/pygmsh/),示例代码如下:

import pygmsh

with pygmsh.geo.Geometry() as geom:
    geom.add_circle([0.0, 0.0], 1.0, mesh_size=0.2)
    mesh = geom.generate_mesh()

# 将网格文件保存为 vtk 格式
mesh.write("test.vtk")

将生成的vtk文件用paraview打开,显示模型:
在这里插入图片描述
如果每次生成vtk模型,都要用paraview打开,将非常麻烦,利用python代码可以将vtk模型显示出来。

2.2.1、二维矩形网格

利用python vtk生成二维矩形网格如下:
在这里插入图片描述
对应的python代码如下:

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Thu May  5 14:48:05 2022

@author: 86159
"""

'''
此代码是用vtk绘制一个平面网格
'''

# 导入vtk库
import vtk

# 设置点与网格信息
points = vtk.vtkPoints()
cells = vtk.vtkCellArray()
polydata = vtk.vtkPolyData()
mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()

# 图的范围
rangeX = [-10,10]
rangeY = [-10,10]
 
intervalX = 2
intervalY = 2

for gridY in range(rangeY[0], rangeY[1] + intervalY, intervalY):
    lineStart = [rangeX[0], gridY, 1.0]
    lineEnd = [rangeX[1], gridY, 1.0] 
    pointIdStart = points.InsertNextPoint(lineStart)
    pointIdEnd = points.InsertNextPoint(lineEnd)
    singleLineCell = [pointIdStart, pointIdEnd]
    cells.InsertNextCell(2,singleLineCell)
    
    print(lineStart)
    print(lineEnd)
    print(pointIdStart)
    print(pointIdEnd)
    print(singleLineCell)
    
for gridX in range(rangeX[0], rangeX[1] + intervalX, intervalX):
    lineStart = [gridX, rangeY[0], 1.0]
    lineEnd = [gridX, rangeY[1], 1.0] 
    pointIdStart = points.InsertNextPoint(lineStart)
    pointIdEnd = points.InsertNextPoint(lineEnd)
    singleLineCell = [pointIdStart, pointIdEnd]
    cells.InsertNextCell(2,singleLineCell)

 
polydata.SetLines(cells)
polydata.SetPoints(points)
mapper.SetInputData(polydata)
 
actor = vtk.vtkActor()
actor.SetMapper(mapper)
 
ren1 = vtk.vtkRenderer()
ren1.AddActor(actor)
ren1.SetBackground(0.1,0.2,0.4)
 
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren1);
renWin.SetSize(300, 300);
 
#enderWindowInteractor
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor();
iren.SetRenderWindow(renWin);
style = vtk.vtkInteractorStyleTrackballCamera();
iren.SetInteractorStyle(style);
 
renWin.SetSize(800, 800);
renWin.SetWindowName('test ttcrpy vtk')
renWin.Render();
iren.Initialize()
iren.Start()

2.2.2、二维三角形网格

利用python vtk生成二维三角形网格如下:
在这里插入图片描述
对应的python代码:

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Fri May  6 17:03:16 2022

@author: 86159
"""

import pygmsh
import vtk
    
with pygmsh.geo.Geometry() as geom:
    geom.add_polygon(
        [
            [0.0, 0.0],
            [1.0, 0.0],
            [1.0, 1.0],
            [0.0, 1.0],
        ],
        mesh_size=0.1,
    )
    mesh = geom.generate_mesh()
    
a = mesh.points
b = mesh.cells_dict['triangle']

points = vtk.vtkPoints()
for ai in a:
    points.InsertNextPoint(ai)
    
cells = vtk.vtkCellArray()
for bi in b:
    cells.InsertNextCell(3, bi)
    
cellColor = vtk.vtkUnsignedCharArray()    
cellColor.SetNumberOfComponents(3)        
for tmp in b:
    cellColor.InsertNextTuple(tmp)
    

cube = vtk.vtkPolyData()                  
cube.SetPoints(points)
cube.SetPolys(cells)

# # 2.创建Mapper
mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
mapper.SetColorModeToDefault()
mapper.SetInputData(cube)                        

# 3.创建Actor
actor = vtk.vtkActor()
actor.SetMapper(mapper)
actor.GetProperty().SetEdgeColor(1, 0, 1)
actor.GetProperty().SetEdgeVisibility(1)    # 显示边

# 4.创建Renderer
renderer = vtk.vtkRenderer()
renderer.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)    # 背景白色
renderer.AddActor(actor)           # 将actor加入
renderer.ResetCamera()             # 调整显示

# 5.渲染窗口
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(renderer)
renWin.SetSize(800,800)
renWin.SetWindowName('test ttcrpy vtk')
renWin.Render()

# 6.交互
renWinInteractor = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
renWinInteractor.SetRenderWindow(renWin)
renWinInteractor.SetInteractorStyle(vtk.vtkInteractorStyleTrackballCamera())
renWinInteractor.Start()

2.2.3、一些其他图形

以下图形来自pygmsh官网上给出的示例,将三角形其填充颜色后显示为下列图片,具体的代码可参照pygmsh7.1.17官网,利用python vtk显示图片。
在这里插入图片描述

with pygmsh.geo.Geometry() as geom:
    geom.add_polygon(
        [
            [0.0, 0.0],
            [1.0, -0.2],
            [1.1, 1.2],
            [0.1, 0.7],
        ],
        mesh_size=0.1,
    )
    mesh = geom.generate_mesh()

在这里插入图片描述

# ellpsoid with holes
with pygmsh.occ.Geometry() as geom:
    geom.characteristic_length_max = 0.1
    ellipsoid = geom.add_ellipsoid([0.0, 0.0, 0.0], [1.0, 0.7, 0.5])

    cylinders = [
        geom.add_cylinder([-1.0, 0.0, 0.0], [2.0, 0.0, 0.0], 0.3),
        geom.add_cylinder([0.0, -1.0, 0.0], [0.0, 2.0, 0.0], 0.3),
        geom.add_cylinder([0.0, 0.0, -1.0], [0.0, 0.0, 2.0], 0.3),
    ]
    geom.boolean_difference(ellipsoid, geom.boolean_union(cylinders))

    mesh = geom.generate_mesh()

在这里插入图片描述

with pygmsh.occ.Geometry() as geom:
    geom.characteristic_length_min = 0.1
    geom.characteristic_length_max = 0.1

    rectangle = geom.add_rectangle([-1.0, -1.0, 0.0], 2.0, 2.0)
    disk1 = geom.add_disk([-1.2, 0.0, 0.0], 0.5)
    disk2 = geom.add_disk([+1.2, 0.0, 0.0], 0.5)

    disk3 = geom.add_disk([0.0, -0.9, 0.0], 0.5)
    disk4 = geom.add_disk([0.0, +0.9, 0.0], 0.5)
    flat = geom.boolean_difference(
        geom.boolean_union([rectangle, disk1, disk2]),
        geom.boolean_union([disk3, disk4]),
    )

    geom.extrude(flat, [0, 0, 0.3])

    mesh = geom.generate_mesh()

在这里插入图片描述

with pygmsh.geo.Geometry() as geom:
    poly = geom.add_polygon(
        [
            [0.0, 0.0],
            [2.0, 0.0],
            [3.0, 1.0],
            [1.0, 2.0],
            [0.0, 1.0],
        ],
        mesh_size=0.3,
    )

    field0 = geom.add_boundary_layer(
        edges_list=[poly.curves[0]],
        lcmin=0.05,
        lcmax=0.2,
        distmin=0.0,
        distmax=0.2,
    )
    field1 = geom.add_boundary_layer(
        nodes_list=[poly.points[2]],
        lcmin=0.05,
        lcmax=0.2,
        distmin=0.1,
        distmax=0.4,
    )
    geom.set_background_mesh([field0, field1], operator="Min")

    mesh = geom.generate_mesh()

在这里插入图片描述

from math import pi
import pygmsh

with pygmsh.geo.Geometry() as geom:
    poly = geom.add_polygon(
        [
            [+0.0, +0.5],
            [-0.1, +0.1],
            [-0.5, +0.0],
            [-0.1, -0.1],
            [+0.0, -0.5],
            [+0.1, -0.1],
            [+0.5, +0.0],
            [+0.1, +0.1],
        ],
        mesh_size=0.05,
    )

    geom.twist(
        poly,
        translation_axis=[0, 0, 1],
        rotation_axis=[0, 0, 1],
        point_on_axis=[0, 0, 0],
        angle=pi / 3,
    )

    mesh = geom.generate_mesh()

3、ttrpy中tmesh三角网射线追踪

3.1、导入对应的库

需要导入的库有time、numpy、matplotlib.pyplot、pygmsh、ttcrpy中的tmesh、numpy、vtk等。

import time
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import pygmsh
from ttcrpy import tmesh
from numpy.random import default_rng
import vtk

3.2、定义vtk中显示网格的函数

此部分代码如下,基本上复制上述代码即可。

def draw_vtk(mesh):
    '''
    在vtk中显示网格模型
    '''
    a = mesh.points
    b = mesh.cells_dict['triangle']

    points = vtk.vtkPoints()
    for ai in a:
        points.InsertNextPoint(ai)
        
    cells = vtk.vtkCellArray()
    for bi in b:
        cells.InsertNextCell(3, bi)
        
    cellColor = vtk.vtkUnsignedCharArray()    
    cellColor.SetNumberOfComponents(3)        
    for tmp in b:
        cellColor.InsertNextTuple(tmp)

    cube = vtk.vtkPolyData()                  
    cube.SetPoints(points)
    cube.SetPolys(cells)

    # # 2.创建Mapper
    mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
    mapper.SetColorModeToDefault()
    mapper.SetInputData(cube)                    

    # 3.创建Actor
    actor = vtk.vtkActor()
    actor.SetMapper(mapper)
    actor.GetProperty().SetEdgeColor(1, 0, 1)
    actor.GetProperty().SetEdgeVisibility(1)    # 显示边

    # 4.创建Renderer
    renderer = vtk.vtkRenderer()
    renderer.SetBackground(1, 0, 0)    # 背景白色
    renderer.AddActor(actor)           # 将actor加入
    renderer.ResetCamera()             # 调整显示

    # 5.渲染窗口
    renWin = vtk.vtkRenderWindow()
    renWin.AddRenderer(renderer)
    renWin.SetSize(600,600)
    renWin.SetWindowName('meshio example')
    renWin.Render()

    # 6.交互
    renWinInteractor = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
    renWinInteractor.SetRenderWindow(renWin)
    renWinInteractor.SetInteractorStyle(vtk.vtkInteractorStyleTrackballCamera())
    renWinInteractor.Start()

3.3、设置网格

设置一个大小为1×1×1的三维立体网格,三角形单元的边长为0.042,显示图形

with pygmsh.geo.Geometry() as geom:
    geom.add_box(0.0, 1.0, 0.0, 1.0, 0.0, 1.0, 
                 mesh_size = 0.042)
    msh = geom.generate_mesh()

# 显示模型
draw_vtk(msh)

模型显示结果如下所示:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.4、设置慢度模型

根据ttcrpy官方文档中示例,设置模型参数如下:

def f(z):
    return 1.0 / (1.5 + 4.5*z)

slowness = f(msh.points[:,2])

rng = default_rng(1966)

src = rng.uniform(0.01, 0.99, (10, 3))  # 10 src points
rcv = rng.uniform(0.05, 0.95, (20, 3))  # 20 receivers

# src & rcv must have the same number of rows, with rows corresponding to src-rcv pairs
src = np.kron(np.ones((20, 1)), src)
rcv = np.kron(rcv, np.ones((10, 1)))

3.5、射线追踪并计算走时

运行以下代码,输出计算得到的走时。

tm = tmesh.Mesh3d(msh.points,msh.cells_dict['tetra'],
                  n_threads = 1, cell_slowness=0, method='DSPM', 
                  gradient_method = 1, tt_from_rp = 1, 
                  process_vel = False,  
                  maxit = 20, min_dist = 1e-5, 
                  n_secondary = 2, n_tertiary = 2, 
                  radius_factor_tertiary=3, translate_grid = False)

tm.set_slowness(slowness)

tstart = time.time()
tt1 = tm.raytrace(src, rcv)
tend1 = time.time() - tstart
print('time serial = ', tend1)

计算结果如下
在这里插入图片描述
计算耗时:time serial = 13.381624937057495
走时曲线
在这里插入图片描述

以上就是完整过程了,详见官方文档。

4、参考资料

Giroux B. 2021. ttcrpy: A Python package for traveltime computation and raytracing.
SoftwareX, vol. 16, 100834. doi: 10.1016/j.softx.2021.100834

https://github.com/groupeLIAMG/ttcr

搬砖不易,走过路过,点个赞可好

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