KR101828020B1 - System and Method for processing Grid Data on the Cubed Sphere using Spectral Element High Order Digital Filter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 육면체구 분광요소법을 이용한 지역 영역 고차 필터를 구성하여 계산의 효율성과 안정성을 높인 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 육면체구 격자 구성을 하는 육면체구 격자구성부;분광 요소법을 이용한 이산화를 위하여, 기저함수인 GLLIP(Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial)을 구성하는 GLLIP 구성부;GLLIP를 이용하여, 라플라시안 연산자를 전개하고 이를 한 요소에 대해 적분하여 각 요소별 이산 라플라시안 연산자 행렬을 얻는 연산자 행렬 구축부;Nl x Nl 개의 요소를 결합해 지역 영역에 대한 라플라시안 행렬을 구성하는 지역 영역 설정부;각 요소에 대하여 정의된 결합 요소영역을 따라 이산 라플라시안 연산자 행렬을 결합하는 연산자 행렬 결합부;지역 영역에 대한 이산 라플라시안 연산자 행렬을 이용하여, 필터 방정식에 이를 대입하고 이산 필터 행렬 연산자 행렬을 구축하는 필터 행렬 구축부;를 포함하는 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for processing hexahedral spherical aberration data by using a spectral element method digital filter which constitutes a local area higher order filter using a hexahedral spherical spectroscopic element method and increases computational efficiency and stability, GLLIP constructs GLLIP (Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial), which is a basis function for discretization using the spectral element method; GLLIP is used to develop a Laplacian operator and integrate it on one element An operator matrix building unit for obtaining a discrete Laplacian operator matrix for each element N l x N l regional area setting unit combines the elements of the Laplacian matrix of the local area; discrete Laplacian for the local area; operator matrix combination unit for combining the discrete Laplacian operator matrix in accordance with the engagement element region is defined for each element And a filter matrix building unit for substituting the filter matrix into a filter equation using the operator matrix and constructing a discrete filter matrix operator matrix.
Description
본 발명은 분광요소법 디지털 필터에 관한 것으로, 구체적으로 육면체구 분광요소법을 이용한 지역 영역 고차 필터를 구성하여 계산의 효율성과 안정성을 높인 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a spectral element digital filter, and more particularly, to an apparatus and method for processing a hexahedral spherical lattice data using a spectral element method digital filter having a high-order domain filter using a hexahedral spherical spectral element method and improving the efficiency and stability of calculation .
수치일기예보모델(numerical weather prediction model)은 현재 또는 과거의 일기 조건으로부터 미래의 날씨를 예측하기 위해 대기 및 해양의 역학 방정식, 물리 모수화식 등을 계산하는 수학적 모델이다.A numerical weather prediction model is a mathematical model for calculating the atmospheric and oceanic dynamical equations, physical parametric equations, etc. to predict future weather from current or past diurnal conditions.
수치일기예보모델의 중요한 구성요소인 역학 코어(dynamic core)부는, 대기 중의 바람, 온도, 기압, 습도, 엔트로피 등의 물리량들을 다수의 편미분 관계식을 포함한 지배 방정식으로 기술(describe)하며, 상기 지배 방정식의 해를 수치적으로 풀이하는 부분이다.The dynamic core part, which is an important component of the numerical weather forecast model, describes physical quantities such as wind, temperature, air pressure, humidity and entropy in the atmosphere as a governing equation including a plurality of partial differential equations, It is the part that solves numerically the solution of.
상기 역학 코어부의 수치 계산을 위해서는, 상기 지배 방정식을 구성하는 변수들의 위치 정보와 함께, 상기 편미분 관계식의 수치적 풀이를 위한 계산법이 필요하다. 상기 변수들의 위치 정보는 지구 상의 수평, 연직 위치를 지시하기 위한 임의의 구면격자 좌표계로부터 얻어질 수 있다.For the numerical calculation of the mechanical core portion, a calculation method for numerical solution of the partial differential equation is required together with the positional information of the variables constituting the governing equation. The positional information of the variables can be obtained from any spherical grid coordinate system for indicating the horizontal, vertical position on the earth.
예를 들어, 상기 변수들의 수평 위치를 지시하기 위하여 통상적인 위도 및 경도의 수평 좌표계가 사용될 수 있다. 또한, 상기 변수들의 연직 위치를 지시하기 위하여 기압 고도, 해수면고도 등의 연직 좌표계가 사용될 수 있다.For example, a horizontal coordinate system of normal latitude and longitude may be used to indicate the horizontal position of the variables. In addition, a vertical coordinate system such as a barometric altitude, sea level altitude, etc. may be used to indicate the vertical position of the variables.
한편, 상기 편미분 관계식의 수치적 풀이를 위한 계산법으로는 분광요소법(spectral element method)이 사용될 수 있다.On the other hand, a spectral element method can be used as a calculation method for numerical solution of the partial differential equation.
분광요소법은 전체의 계산 공간을 요소(element) 단위로 구분하고, 각각의 요소에서 르장드르(Legendre) 다항식 또는 라그랑지(Lagrange) 다항식을 전개함으로써, 편미분 관계식의 수치 해(numerical solution)를 계산하는 방법이다.The spectral element method calculates a numerical solution of a partial differential equation by dividing the entire computational space by element and developing a Legendre polynomial or a Lagrange polynomial in each element Method.
최근에는, 위도 및 경도의 수평 좌표계가 갖는 극 지역 및 적도 지역의 격자 분포의 편차를 해결하기 위하여, 육면체구 격자(cubed-sphere grid)를 사용하여 수치 해를 계산하는 기술들이 개발되고 있다.Recently, techniques for calculating numerical solutions using a cubed-sphere grid have been developed in order to solve the deviation of the lattice distribution of the polar regions and the equatorial regions of the horizontal coordinate system of latitude and longitude.
육면체구 격자에 분광요소법을 적용하는 경우, MPI(message passing interface) 계산-통신 방법에 의해, 다수의 요소들에 대하여 요소 내부 계산 및 요소 간의 통신을 수행할 수 있다.When a spectral element method is applied to a hexahedral sphere, it is possible to perform intra-element calculation and communication between elements for a plurality of elements by using a message passing interface (MPI) calculation-communication method.
이와 같이 최근 육면체구 분광요소법을 이용한 수치모델이 많이 개발되고 있으며, 이에 따라 육면체구 분광요소법 모델 또는 격자자료의 잡음을 제거하기 위한 기술이 요구되고 있다.Recently, many numerical models using the hexahedral spherical spectroscopic element method have been developed. Accordingly, a technique for removing the noise of the hexahedral spherical spectroscopic element model or the lattice data is required.
육면체구 분광요소법을 이용한 명시적(explicit) 잡음 제거 방법이 많이 이용되고 있으나, 때에 따라 부정확하며 불안정하다. 특히, 고차수 필터링(high-order filtering)시에는 그 정도가 매우 심각해 진다.An explicit noise cancellation method using a hexahedral spectral element method is widely used but is sometimes inaccurate and unstable. Particularly, in high-order filtering, the degree becomes very serious.
따라서, 육면체구 격자상의 자료를 규모에 따른 분리 및 잡음(noise)을 고속으로 처리하여 격자자료 및 수치예보자료의 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.Therefore, it is required to develop a new technique to improve the quality of lattice data and numerical forecast data by processing the data on the hexagonal lattice grid with high-speed separation and noise.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 분광요소법 디지털 필터의 문제를 해결하기 위한 것으로, 육면체구 분광요소법을 이용한 지역 영역 고차 필터를 구성하여 계산의 효율성과 안정성을 높인 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention solves the problem of the conventional digital filter of the spectroscopic element method. The present invention is to solve the problem of the conventional digital filter of the spectroscopic element method by using a spectral element method digital filter which constitutes a local domain higher order filter using a hexahedral spherical spectroscopic element method, And an object of the present invention is to provide an apparatus and a method for processing.
본 발명은 육면체구 분광요소법을 이용한 묵시적(implicit) 잡음 제거 방법을 도입하여 안정적이고 정확한 필터링이 가능하도록 한 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for processing hexahedral spherical aberration data using a spectroscopic element method digital filter capable of performing stable and accurate filtering by introducing an implicit noise cancellation method using a hexahedral spherical spectroscopic element method .
본 발명은 지역 영역에 대한 묵시적 잡음 제거 방법을 사용하여 전구영역에 대한 묵시적 잡음 제거 방법보다 더 높은 계산 효율로 필터링을 수행할 수 있도록 한 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a device for processing hexahedral sphere lattice data using a spectral element method digital filter capable of performing filtering with higher calculation efficiency than an implicit noise elimination method for a bulb area by using an implicit noise elimination method for a local area The purpose of the method is to provide.
본 발명은 육면체구 분광요소법을 이용한 지역 영역 고차 필터를 구성하여 계산의 효율성과 안정성을 높이고, 이를 육면체구 격자자료 및 육면체구 분광요소 수치모델에 효율적으로 적용할 수 있도록 한 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a spectral element method using a spectral element method digital filter which can improve the efficiency and stability of a calculation by constructing a local area higher order filter using a hexahedral spherical spectroscopic element method and efficiently apply it to a numerical model of hexahedral spherical lattice data and a hexahedral spherical spectroscopic element And to provide a device and method for processing cube spherical lattice data.
본 발명은 육면체구 격자상의 자료를 규모에 따른 분리 및 잡음(noise)을 고속으로 처리하여 격자자료 및 수치예보자료의 품질을 향상시킬 수 있도록 한 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a method and apparatus for processing hexahedral sphere data using a spectroscopic element digital filter that improves the quality of lattice data and numerical forecast data by processing the data on the hexahedral sphere grid at high speeds And an object of the present invention is to provide an apparatus and method.
본 발명은 육면체구 분광요소법을 이용함으로써 높은 병렬 확장성(parallel scalability)이 보장되고 고해상도 육면체구 격자자료의 등방적 필터링이 가능하도록 한 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a device and a method for processing hexahedral spherical aberration data using a spectral element method digital filter that ensures high parallel scalability and isotropic filtering of high resolution hexahedral spherical aberration data by using a hexahedral spherical spectroscopic element method The purpose is to provide.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치는 육면체구 격자 구성을 하는 육면체구 격자구성부;분광 요소법을 이용한 이산화를 위하여, 기저함수인 GLLIP(Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial)을 구성하는 GLLIP 구성부;GLLIP를 이용하여, 라플라시안 연산자를 전개하고 이를 한 요소에 대해 적분하여 각 요소별 이산 라플라시안 연산자 행렬을 얻는 연산자 행렬 구축부;Nl x Nl 개의 요소를 결합해 지역 영역에 대한 라플라시안 행렬을 구성하는 지역 영역 설정부;각 요소에 대하여 정의된 결합 요소영역을 따라 이산 라플라시안 연산자 행렬을 결합하는 연산자 행렬 결합부;지역 영역에 대한 이산 라플라시안 연산자 행렬을 이용하여, 필터 방정식에 이를 대입하고 이산 필터 행렬 연산자 행렬을 구축하는 필터 행렬 구축부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a device for processing a hexahedral spherical lattice data using a spectral element method digital filter according to the present invention includes a hexahedral spherical lattice constituting a hexagonal spherical lattice, (Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial ) configuration GLLIP configuration unit; using GLLIP, part deploy the Laplacian operator, and by integrating them for the element construction, each element by the operator to obtain a discrete Laplacian operator matrix matrix; N l x N l regional area setting unit combines the elements of the Laplacian matrix of the local area; discrete Laplacian for the local area; operator matrix combination unit for combining the discrete Laplacian operator matrix in accordance with the engagement element region is defined for each element And a filter matrix building unit for substituting the filter matrix into a filter equation using the operator matrix and constructing a discrete filter matrix operator matrix.
여기서, 상기 육면체구 격자구성부는, 요소와 격자점의 개수를 사용자가 지정하고, 육면체구의 각 면을 유한한 개수의 요소로 나누고, 각 요소내에서 격자점이 정의되는 육면체구 격자 구성을 하는 것을 특징으로 한다.Here, the hexahedral sphere lattice configuration unit is configured such that the user specifies the number of elements and lattice points, divides each surface of the hexahedral sphere into a finite number of elements, and a lattice point is defined in each element .
그리고 각 요소마다 구축된 이산 필터 행렬 연산자를 미리 역산해두고, 이를 계산 시 활용하도록 하는 역행렬 계산부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And an inverse matrix computation unit for inversely preliminarily inverting the discrete filter matrix operator constructed for each element and using it in calculation.
그리고 상기 지역 영역 설정부에서, 결합요소수 Nl은 FLOOR[6-1Ne+N-1]으로 주어지며, 여기서 FLOOR는 바닥 함수인 것을 특징으로 한다.In the area area setting unit, the number of coupling elements N l is given by FLOOR [6 -1 N e + N -1 ], where FLOOR is a floor function.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법은 육면체구 격자 구성을 하는 단계;분광 요소법을 이용한 이산화를 위하여, 기저함수인 GLLIP(Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial)을 구성하는 GLLIP 구성 단계;GLLIP를 이용하여, 라플라시안 연산자를 전개하고 이를 한 요소에 대해 적분하여 각 요소별 이산 라플라시안 연산자 행렬을 얻는 연산자 행렬 구축 단계;Nl x Nl 개의 요소를 결합해 지역 영역에 대한 라플라시안 행렬을 구성하는 지역 영역 설정 단계;각 요소에 대하여 정의된 결합 요소영역을 따라 이산 라플라시안 연산자 행렬을 결합하는 연산자 행렬 결합 단계;지역 영역에 대한 이산 라플라시안 연산자 행렬을 이용하여, 필터 방정식에 이를 대입하고 이산 필터 행렬 연산자 행렬을 구축하는 필터 행렬 구축 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the other object, a method for processing a hexahedral spherical grating data using a spectroscopic element digital filter according to the present invention comprises the steps of constructing a hexahedral spherical grating, using a Gauss-Lobatto- Interpolating Lagrange Polynomial) configuration GLLIP configuration method comprising; using GLLIP, deploy the Laplacian operator, and building this by the integral element for the operator to get the respective components by the discrete Laplacian operator matrix, the matrix phase; N l x A local region setting step of constructing a Laplacian matrix for a local region by combining N l elements, an operator matrix combining unit for combining discrete Laplacian operator matrices along a join element region defined for each element, a discrete Laplacian And constructing a discrete filter matrix operator matrix by substituting the filter matrix into a filter equation using an operator matrix.
여기서, 각 요소마다 구축된 이산 필터 행렬 연산자를 미리 역산해두고, 이를 계산 시 활용하도록 하는 역행렬 계산 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the method further includes a inverse matrix calculation step of inverting the discrete filter matrix operator constructed for each element in advance and using the discrete filter matrix operator for calculation.
이와 같은 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.The apparatus and method for processing hexahedral spherical aberration data using the spectral element method digital filter according to the present invention have the following effects.
첫째, 육면체구 분광요소법을 이용한 지역 영역 고차 필터를 구성하여 계산의 효율성과 안정성을 높일 수 있다.First, the efficiency and stability of computation can be improved by constructing a local domain higher order filter using the hexahedral spherical spectroscopic element method.
둘째, 육면체구 분광요소법을 이용한 묵시적(implicit) 잡음 제거 방법을 도입하여 안정적이고 정확한 필터링이 가능하도록 한다.Second, it introduces an implicit noise removal method using hexahedral spectral element method, so that stable and accurate filtering can be performed.
셋째, 지역 영역에 대한 묵시적 잡음 제거 방법을 사용하여 전구영역에 대한 묵시적 잡음 제거 방법보다 더 높은 계산 효율로 필터링을 수행할 수 있도록 한다.Third, the implicit noise cancellation method for the local area can be used to perform the filtering with higher calculation efficiency than the implicit noise cancellation method for the bulb area.
넷째, 육면체구 분광요소법을 이용한 지역 영역 고차 필터를 구성하여 계산의 효율성과 안정성을 높이고, 이를 육면체구 격자자료 및 육면체구 분광요소 수치모델에 효율적으로 적용할 수 있도록 한다.Fourth, by constructing a high - order domain filter using the hexahedral spectral element method, the efficiency and stability of computation are improved, and it is applied to the hexahedral spherical grid data and the hexahedral spherical element numerical model efficiently.
다섯째, 육면체구 격자상의 자료를 규모에 따른 분리 및 잡음(noise)을 고속으로 처리하여 격자자료 및 수치예보자료의 품질을 향상시킬 수 있도록 한다.Fifth, it is possible to improve the quality of lattice data and numerical forecast data by processing the data on the hexagonal lattice with high-speed separation and noise according to the scale.
여섯째, 육면체구 분광요소법을 이용함으로써 높은 병렬 확장성(parallel scalability)이 보장되고 고해상도 육면체구 격자자료의 등방적 필터링이 가능하도록 하여 분광요소법을 사용하는 유체역학, 지구과학 등 다양한 분야에 응용하는 것이 가능하다.Sixth, the parallel scalability is ensured by using the hexahedral spherical spectroscopic element method, and the isotropic filtering of the high-resolution hexahedral spherical aberration data can be applied, so that it can be applied to various fields such as fluid dynamics and earth science using the spectroscopic element method Do.
도 1은 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 3은 4x4개의 요소와 4x4의 격자로 나누어진 육면체구(왼쪽)와 육면체(오른쪽)구성도
도 4는 8x8 개의 요소로 나누어진 육면체 격자 구성도
도 5는 육면체구의 면 중앙(왼쪽)과 모서리(오른쪽)에 위치한 요소의 결합된 이산 라플라시안 연산자 행렬 형태를 나타낸 구성도
도 6은 본 발명에 따른 육면체구 격자자료를 위한 분광요소법 디지털 필터링 적용 전후의 지형 자료
도 7은 육면체구 분광요소 천수모델로 모의된 7일째의 와도장 구성도
도 8은 (a)5x5개 요소로 결합된 지역 영역 고차 필터, (b) 3x3 요소로 결합된 지역 영역 고차 필터, (c) 전구 고차 필터의 해상도에 따른 RMSE. 1 is a block diagram of a device for processing hexahedral spherical aberration data using a spectroscopic element digital filter according to the present invention
2 is a flowchart illustrating a method for processing a hexahedral spherical grating data using a spectroscopic element method digital filter according to the present invention.
FIG. 3 shows a hexahedron (left) and a hexahedron (right) compositional diagram divided into 4x4 elements and a 4x4 grid
Figure 4 shows a hexagonal lattice constellation diagram divided into 8x8 elements
FIG. 5 is a diagram showing a combined discrete Laplacian operator matrix form of elements located at the center (left) and the corner (right) of the face of a hexahedron;
Figure 6 is a graphical representation of the topographic data before and after applying the spectral element method digital filtering for hexahedral spherical grid data
Fig. 7 is a graph showing the seventh day viscoelasticity plotted with a hexahedral spectral element shade model
FIG. 8 shows (a) a local area higher order filter combined with 5x5 elements, (b) a local area higher order filter combined with a 3x3 element, and (c) a RMSE according to the resolution of the light high order filter.
이하, 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of an apparatus and method for processing hexahedral spherical aberration data using the spectroscopic element method digital filter according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.The features and advantages of an apparatus and method for processing hexahedral spherical aberration data using a spectroscopic element digital filter according to the present invention will be apparent from the following detailed description of each embodiment.
도 1은 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for processing hexahedral spherical aberration data using a spectroscopic element method digital filter according to the present invention, and FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for processing a hexahedron spherical aberration data using a spectroscopic element method digital filter according to the present invention. Chart.
본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법은 육면체구 분광요소법을 이용한 지역 영역 고차 필터를 구성하여 계산의 효율성과 안정성을 높인 것으로, 육면체구 분광요소법을 이용한 묵시적(implicit) 잡음 제거 방법을 도입하여 안정적이고 정확한 필터링이 가능하도록 한 것이다.The apparatus and method for processing hexahedral spherical grating data using the spectroscopic element method digital filter according to the present invention have improved the efficiency and stability of calculation by constituting a local domain higher order filter using hexahedral spherical spectroscopic element method, and introduces an implicit noise cancellation method to enable stable and accurate filtering.
또한, 본 발명은 육면체구 분광요소법을 이용함으로써 높은 병렬 확장성(parallel scalability)이 보장되고 고해상도 육면체구 격자자료의 등방적 필터링이 가능하도록 한 것이다.In addition, the present invention uses a hexahedral spherical spectroscopic element method to ensure high parallel scalability and enables isotropic filtering of high-resolution hexahedral spherical aberration data.
이하의 설명에서 육면체구 분광요소법을 사용한 격자자료를 기준으로 설명하였으나, 분광요소법만을 사용한 격자자료에도 응용 가능함은 당연하다.In the following description, the grating data using the hexahedral spherical spectroscopic element method is used as a reference, but it is obvious that it is applicable to the grating data using only the spectroscopic element method.
본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치는 도 1에서와 같이, 요소와 격자점의 개수를 사용자가 지정하여 육면체구의 각 면을 유한한 개수의 요소로 나누고, 각 요소내에서 격자점이 정의되는 육면체구 격자 구성을 하는 육면체구 격자구성부(10)와, 분광 요소법을 이용한 이산화를 위하여, 기저함수인 GLLIP(Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial)을 구성하는 GLLIP 구성부(20)와, GLLIP를 이용하여, 라플라시안 연산자를 전개하고 이를 한 요소에 대해 적분하여 각 요소별 이산 라플라시안 연산자 행렬을 얻는 연산자 행렬 구축부(30)와, 고차 필터의 정확도와 계산 효율성을 고려하여, Nl x Nl 개의 요소를 결합해 지역 영역에 대한 라플라시안 행렬을 구성하는 지역 영역 설정부(40)와, 각 요소에 대하여 정의된 결합 요소영역을 따라 이산 라플라시안 연산자 행렬을 결합하는 연산자 행렬 결합부(50)와, 지역 영역에 대한 이산 라플라시안 연산자 행렬을 이용하여, 필터 방정식에 이를 대입하고 이산 필터 행렬 연산자 행렬을 구축하는 필터 행렬 구축부(60)와, 각 요소마다 구축된 이산 필터 행렬 연산자를 미리 역산해두고, 이를 계산 시 활용하도록 하는 역행렬 계산부(70)를 포함한다.As shown in FIG. 1, an apparatus for processing hexahedral spherical aberration data using a spectral element method digital filter according to the present invention divides each face of a hexahedron into a finite number of elements by designating the number of elements and lattice points, A hexagonal
그리고 지역 영역 설정부(40)에서 결합요소수 Nl은 FLOOR[6-1Ne+N-1]으로 주어지며, 여기서 FLOOR는 바닥 함수를 의미한다. 결합 영역은 도 4에서와 같다.In the area
그리고 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법은 도 2에서와 같이, 육면체구 격자 구성 단계(S201)와, 분광 요소법을 이용한 이산화를 위하여, 기저함수인 GLLIP(Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial)을 구성하는 단계(S202)와, 각 요소별 라플라시안 연산자 이산화 및 연산자 행렬 구축 단계(S203)와, 육면체구 격자 설정에 따른 지역 영역의 설정 단계(S204)와, 지역 영역에 대한 라플라시안 연산자 행렬의 결합 단계(S205)와, 필터방정식을 바탕으로, 지역 영역에 대한 필터 행렬을 구축하는 단계(S206)와, 필터 행렬의 역행렬 계산 단계(S207)를 포함한다.As shown in FIG. 2, a method for processing a hexahedral spherical lattice data using a spectroscopic element digital filter according to the present invention includes forming a cubic spherical lattice (S201) A step S202 of constructing a local area based on hexahedral lattice setting, and a step S202 of constructing a local area according to a lattice-Lagrange interpolating polynomial (step S202), a Laplacian operator discretization and an operator matrix building step S203 (S205) of constructing a filter matrix for the local region based on the filter equation, a step S206 of calculating a inverse matrix of the filter matrix, and a step S207 of computing the inverse matrix of the filter matrix.
이와 같은 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법의 각 단계의 처리 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The process of each step of the apparatus and method for processing hexahedral spherical aberration data using the spectroscopic element method digital filter according to the present invention will be described in detail as follows.
육면체구는 육면체를 구에 투영하여 얻을 수 있으며, 육면체구의 각 면을 유한한 개수의 요소로 나누어 각 요소 내에서 스펙트럴법을 적용하는 분광요소법을 사용한다.A hexahedron can be obtained by projecting a hexahedron on a sphere. The spectral element method is used in which each face of a hexahedron is divided into a finite number of elements and a spectral method is applied in each element.
도 3은 4x4개의 요소와 4x4의 격자로 나누어진 육면체구(왼쪽)와 육면체(오른쪽)구성도이다. 붉은선은 육면체구의 면을, 푸른선은 육면체구의 요소를 각각 나타낸다. FIG. 3 is a diagram of a hexahedron (left) and a hexahedron (right) divided into 4 × 4 elements and a 4 × 4 grid. The red line represents the face of the hexahedron, and the blue line represents the element of the hexahedron.
도 3에서 육면체구의 한 면에서 단일 방향으로 요소수를 로 정의한다. In Figure 3, the number of elements in a single direction on one side of the hexahedron is .
나누어진 요소의 경계는 이웃하는 요소의 경계와 그 값을 공유한다. The boundaries of the divided elements share the boundaries of neighboring elements and their values.
육면체구상의 라플라시안 연산자는 수학식 1에서와 같이 주어진다.The Laplacian operator of the hexahedral conformation is given by Equation (1).
여기서, G는 육면체구의 metric tensor, 과 는 육면체구 격자의 동서 및 남북 지역 좌표를 각각 나타낸다. 육면체구 라플라시안 연산자는 육면체구 분광요소법으로 이산화된다. 육면체구에서 정의되는 적분 가능한 함수를 로 정의하면, 한 요소 내에서 다항 기저함수 전개는 다음과 같다.Where G is the metric tensor of the hexahedron, and Represent the coordinates of the east-west and north-south regions of the hexagonal spherical grid, respectively. The hexapole Laplacian operator is discretized by the hexahedral spherical spectroscopic method. The integrable function defined in the hexahedron sphere , The polynomial basis function expansion within an element is as follows.
여기서, h는 GLLIP(Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial)이며, N은 기저함수의 차수를 의미한다.Where h is a GLLIP (Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial) and N is the order of the basis function.
GLLIP는 수학식 3에서와 같이 정의된다.GLLIP is defined as in Equation (3).
여기서, P는 르젠드르 함수를 나타낸다. 라플라시안 연산자에 대해 기저함수를 곱한 후 한 요소에 대해 적분하여 이산 라플라시안 연산자 행렬을 구할 수 있다.Here, P represents a Reedendre function. We can obtain the discrete Laplacian operator matrix by multiplying the Laplacian operator by the basis function and then integrating it on one element.
이를 와도-유선함수의 관계를 이용한 행렬방정식으로 나타내면 수학식 4에서와 같다.Equation (4) can be expressed as a matrix equation using the relationship of the wave-wise function.
여기서, L은 이산 라플라시안 연산자 행렬, Z와 는 각각 벡터를 의미한다.Where L is the discrete Laplacian operator matrix, Z and Respectively denote vectors.
기저함수의 차수가 N으로 주어질 때, 한 요소내의 총 격자점 수는으로 주어진다. 따라서일 때, 한 요소내의 격자점 수는 16개가 되며 이는 곧 벡터의 길이가 된다.When the order of the basis function is given as N, the total number of lattice points in one element is . therefore , The number of grid points in one element is 16, which is the length of the vector.
이산 라플라시안 연산자의 행렬은 16x16의 크기를 가지는 full matrix가 된다. The matrix of discrete Laplacian operators is a full matrix with a size of 16x16.
그리고 지역 영역 고차 필터 행렬의 구축 과정은 앞서 구축한 각 요소에 대한 이산 라플라시안 연산자를 일정 개수의 요소에 대해 결합하여 고차 필터 행렬을 구축하는 것이다.The construction of the local domain higher order filter matrix is to construct a higher order filter matrix by combining the discrete Laplacian operators for each element constructed above with a certain number of elements.
일 예로, 고차 필터의 정확도와 계산 효율성을 고려하여, 5x5개의 요소를 결합해 지역 영역에 대한 고차 필터 행렬을 구성한다.For example, considering the accuracy and computational efficiency of a higher order filter, we combine 5x5 elements to construct a higher order filter matrix for the local domain.
육면체 격자상에서 결합요소의 구성에 관한 일 예는 도 4에서와 같다.An example of the construction of coupling elements on a hexagonal lattice is shown in Fig.
도 4는 8x8 개의 요소로 나누어진 육면체 격자 구성을 나타낸 것으로, 푸른색 요소는 결합되는 요소의 범위를 나타내며, 붉은색 요소는 그 중심을 의미하며 실제 필터링이 수행되는 요소이다.FIG. 4 shows a hexagonal lattice structure divided into 8x8 elements. A blue element indicates a range of elements to be combined, a red element indicates a center thereof, and an element in which actual filtering is performed.
붉은색으로 색칠된 (3,3)의 요소를 중심으로 주변의 푸른색으로 색칠된 요소들이 결합된다.The elements painted in red around the center of (3,3) are combined.
5x5개의 요소를 결합하면 벡터의 길이는 256개가 되며, 따라서 결합된 이산 라플라시안 연산자의 크기는 256x256 이 된다.By combining 5x5 elements, the length of the vector is 256, so the size of the combined discrete Laplacian operator is 256x256.
도 5는 결합된 이산 라플라시안 연산자 행렬을 나타낸 것이다.Figure 5 shows the combined discrete Laplacian operator matrix.
도 5는 육면체구의 면 중앙(왼쪽)과 모서리(오른쪽)에 위치한 요소의 결합된 이산 라플라시안 연산자 행렬 형태를 나타낸 것으로, 0이 아닌 행렬 성분은 검은 점으로 표시하였다.Figure 5 shows the combined discrete Laplacian operator matrix form of the elements located at the center (left) and corner (right) of the face of the hexahedron, where non-zero matrix components are denoted by black dots.
블록 대각(block diagonal) 형태를 띄며 육면체구의 꼭지점에 위치한 행렬은 그 위치상의 특성으로 인하여 다른 형태로 나타난다.The block diagonal shape and the matrix located at the vertex of the hexahedral sphere appear differently due to the characteristics of the position.
이렇게 결합된 이산 라플라시안 연산자를 고차 필터를 구성하는데 이용한다.This combined discrete Laplacian operator is used to construct a higher order filter.
고차-라플라시안 필터 방정식은 수학식 5에서와 같다.The higher-order Laplacian filter equation is as shown in equation (5).
여기서, g는 주어진 함수로서 필터링을 해야 할 함수이며, w는 필터링 처리된 함수를 각각 나타내고, v는 필터계수, q(양의 정수)는 필터의 차수(order)를 각각 나타낸다.Here, g denotes a function to be filtered as a given function, w denotes a filtered function, v denotes a filter coefficient, and q (positive integer) denotes a filter order.
앞서 구축한 지역 영역의 이산 라플라시안 연산자 행렬()을 바탕으로, 고차 필터방정식을 행렬방정식으로 표현하면 수학식 6에서와 같다.The discrete Laplacian operator matrix ( ), The higher order filter equation can be expressed by the matrix equation as shown in Equation (6).
여기서, 은 고차 필터행렬을 의미한다. 따라서 지역 영역의 이산 라플라시안 연산자를 구축하였다면, 고차 필터행렬은 간단히 구축할 수 있다.here, Means a higher order filter matrix. Therefore, if we construct a discrete Laplacian operator in the local domain, the higher order filter matrix can be constructed simply.
필터링의 수행과정은 고차 필터행렬을 역산하여 주어진 함수와의 행렬-벡터 곱을 통해 이루어진다.The process of filtering is performed by matrix-vector multiplication with a given function by inversely multiplying the higher-order filter matrix.
그리고 고차 필터행렬의 역행렬은 미리 계산해두고, 필터링 수행시마다 반복적으로 사용할 수 있다.The inverse matrix of the higher order filter matrix is calculated in advance and can be repeatedly used at every filtering.
필터링 수행 후에는 도 4의 중앙에 위치한 (3,3)의 요소만 남기고, 각 결합요소마다 계산이 끝나면 남겨진 (3,3)의 요소들은 그 경계값을 공유한다.After the filtering is performed, the elements of (3, 3) located at the center of FIG. 4 are left, and the elements of (3, 3) left after the calculation for each coupling element share the boundary value.
즉, 이웃한 요소들의 경계와 평균한 값을 가지게 된다. 필터링에 의한 진폭감소비율은 주어진 해상도 즉, 와 에 따른 가장 작은 규모의 성분이 그 절반이 되도록 설정한다.That is, it has a boundary and a mean value of neighboring elements. The rate of amplitude reduction due to filtering is determined by a given resolution, Wow Is set to be half thereof.
필터의 차수()와 진폭감소비율()을 정하면, 다음의 수학식 8에 의해 결정된다.The order of the filter ( ) And amplitude reduction ratio ( ) Is determined by the following equation (8).
여기서, , 이며, 은 주어진 와 에 따른 지구 반지름으로 무차원화 된 최저 격자 간격이다.here, , Lt; Given Wow Is the minimum lattice spacing that is non-dimensional to the Earth's radius according to
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 육면체구 격자로 내삽된 지형자료에 적용하여 필터링 성능을 확인하면 다음과 같다.The apparatus and method for processing hexahedral spherical aberration data using the spectral element method digital filter according to the present invention having the above-described structure are applied to the interpolated topographic data as the hexahedral spherical aberration, and the filtering performance is confirmed as follows.
사용된 지형자료는 미국 해양대기청인 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)에서 제공하는 지형자료를 사용하였으며, 본래 위경도 좌표상에서 제공되는 지형이지만 이를 육면체구 격자로 내삽하였다.The topographic data used were terrain data provided by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) of the US Maritime Authority, and were originally provided on the latitude and longitude coordinates, but were interpolated into hexagonal sphere.
내삽 후 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 적용하여 지형자료를 평활화하였으며, 이때, ,,로 설정하였다.After interpolation, topographic data were smoothed by applying an apparatus and method for processing hexahedral spherical grating data using a spectroscopic element method digital filter according to the present invention, , , , Respectively.
평활화 후 시각적 용이성을 위하여 다시 육면체구 격자에서 위경도 격자로 내삽하여 그 결과를 비교하였다.For the visual ease after smoothing, the results were compared by interpolating the hexagonal lattice to the lattice lattice.
도 6은 지형자료의 평활화 전과 후의 결과를 비교한 것이다.Figure 6 compares the results before and after smoothing of topographic data.
평활화 이후 해안선의 형태가 완만해졌으며, 작은 섬들은 제거가 된 것을 확인할 수 있다.After the smoothing, the shape of the coastline has become gentle, and the small islands have been removed.
이는 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 적용하는 것에 의해 육면체구 격자자료의 평활화가 정확하게 수행되는 것을 의미한다.This means that the apparatus and method for processing hexahedral spherical aberration data using the spectroscopic element method digital filter according to the present invention are applied to precisely perform smoothing of hexahedron spherical aberration data.
그리고 육면체구 분광요소 모델의 수치잡음 제거를 위한 필터로서의 활용에 관하여 설명하면 다음과 같다.The use of the hexahedral spectral element model as a filter for the removal of the numerical noise is described as follows.
본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법을 육면체구 분광요소 천수모델의 수치잡음 제거를 위한 필터로 적용하였다.An apparatus and method for processing hexahedral spherical grating data using the spectroscopic element method digital filter according to the present invention is applied as a filter for removing the numerical noise of the hexahedron spectral element shade model.
지형위를 흐르는 바람장을 모의하는 천수모델 표준실험 5번을 선택하여, 지형을 실제 관측지형으로 교체하여 더 많은 수치잡음이 발생하도록 설정하였다.We selected the standard model 5, which simulates the wind field on the terrain, and replaced the terrain with the actual observational terrain to generate more numerical noise.
매 시간 스텝마다 본 제품을 적용하여 모델의 수치잡음을 제거하였다. 수평해상도는 전구 약 1도에 해당하는와으로, 고차 필터는 , 로 설정하였다.This product was applied every step of time to remove the numerical noise of the model. Horizontal resolution corresponds to about 1 degree of light bulb Wow , The higher order filter , Respectively.
7일 동안 실험을 수행하여 기존에 많이 사용되는 명시적 점성처리방법 및 육면체구를 구성하는 모든 요소를 연결하는 전구 묵시적 점성처리 방법(전구 고차 필터)과 그 결과를 비교하였다.Experiments were carried out for 7 days to compare the results with the previously used explicit viscous treatment method and the implicit viscous treatment method (bulb high - order filter) which connects all the elements constituting the hexahedron.
도 7은 육면체구 분광요소 천수모델로 모의된 7일째의 와도장 구성도이다.FIG. 7 is a diagram of the seventh day visibility field simulated by a hexahedral spectral element water flow model. FIG.
(a)는 본 발명이 적용된 지역 영역 고차필터, (b)는 전구 고차 필터, (c)는 명시적 점성 처리 방법을 도입한 육면체구 분광요소 천수모델로 모의된 7일째의 와도장이고, 단위는 이며, 등치선 간격은 이다.(a) is a local area high-order filter to which the present invention is applied, (b) is a high-order high-order filter, (c) is a 7-day long field simulated by a hexahedral spectral element The And the isochronous interval is to be.
종래 기술에서 육면체구 분광요소 모델에 많이 사용되고 있는 명시적 점성처리 방법은 수치잡음을 제대로 제거하지 못하여 일부 영역에서 수치잡음이 발생하고 와도장이 왜곡되어 있는 것을 확인할 수 있다.In the prior art, the explicit viscous processing method, which is widely used in the hexahedral spectral element model, can not properly remove the numerical noise, so that the numerical noise is generated in some areas and the visibility is distorted.
이에 비하여 본 발명이 적용된 지역 영역 고차 필터와 전구 고차 필터의 결과에서는 그러한 수치잡음이 말끔히 제거된 것을 확인할 수 있다. On the other hand, it can be seen that the numerical noise is removed in the result of the local area high-order filter and the high-order light filter having the present invention.
본 발명이 적용된 지역 영역 고차 필터는 비교 대상인 전구 고차 필터와 그 결과가 매우 유사한 것을 확인할 수 있는데, 이는 두 필터가 동일한 방식으로 구현되기 때문이다.It can be seen that the local area higher order filter to which the present invention is applied is very similar to the light source higher order filter to be compared because the two filters are implemented in the same manner.
하지만, 결합되는 요소수의 차이로 인하여 계산시간에서는 상당한 차이를 보인다.However, due to the difference in the number of elements to be combined, there is a considerable difference in calculation time.
지역 영역 고차 필터는 전구 고차 필터에 비하여 결합되는 요소수가 작기 때문에, 계산시간에서 이점을 가지게 된다.The local domain higher order filter has advantages over the computation time because the number of elements to be combined is smaller than that of the global high order filter.
표 1은 지역 영역 고차 필터와 전구 고차 필터의 필터행렬 역산 시간과 필터 수행 시간을 해상도에 따라 각각 비교한 것이다.Table 1 compares the filter matrix inversion time and the filter execution time of the local domain high-order filter and the high-order filter with the resolution, respectively.
표 1은 수평해상도에 따른 필터행렬의 역산시간과 필터 수행 시간을 나타낸 것으로, 필터 수행 시간은 100회의 필터를 적용한 시간을 측정한 것이다.Table 1 shows the inverse time of the filter matrix and the filter execution time according to the horizontal resolution. The filter execution time is a time when 100 filters are applied.
LIMP는 지역 영역 고차 필터, GIMP는 전구 고차 필터를 각각 의미한다.LIMP is a local area high order filter, and GIMP is a global high order filter.
필터행렬의 역산시간 경우, 일 때 지역 영역 고차 필터에서 약 74배 정도 계산 시간이 감소하였다. 또한 필터 수행 시간의 경우, 약 2.4배 정도 계산 시간이 감소하는 것을 확인할 수 있다.If the inverse time of the filter matrix, The computation time was reduced about 74 times in the local domain high - order filter. Also, it can be confirmed that the calculation time is reduced by about 2.4 times in the case of the filter execution time.
그리고 도 8은 (a)5x5개 요소로 결합된 지역 영역 고차 필터, (b) 3x3 요소로 결합된 지역 영역 고차 필터, (c) 전구 고차 필터의 해상도에 따른 RMSE이다.And FIG. 8 is an RMSE according to the resolution of (a) a local area higher-order filter combined with 5x5 elements, (b) a local area higher-order filter combined with 3x3 elements, and (c)
본 발명에 따른 지역 영역 고차 필터는 전구 고차 필터 대비 높은 계산 효율을 가지고 있음과 동시에, 5x5개의 요소를 결합함으로써 그 정확성 또한 전구 고차 필터와 상응하도록 구성하였다.The local area higher order filter according to the present invention has a higher calculation efficiency than that of the light source high order filter and its accuracy is also made to correspond to the light source higher order filter by combining 5x5 elements.
여기서 오차 수렴률은 Rossby-Haurwitz wave를 해석해(analytic solution)로서 사용하여 RMSE를 계산하였다. 지역 영역 고차 필터와 전구 고차 필터는 오차의 절대적인 크기뿐만 아니라, 오차의 수렴률 또한 매우 유사하게 나타난 것을 확인할 수 있다. 그러나 3x3개의 요소가 결합된 경우, 오차의 절대적인 크기도 클 뿐만 아니라 오차 수렴률도 약 2차 정도로 매우 낮게 나타났다.The error convergence rate was calculated using the Rossby-Haurwitz wave as an analytic solution. It can be seen that not only the absolute size of the error but also the convergence rate of the error are very similar in the high-order filter and the high-order filter of the region. However, when the 3 × 3 elements are combined, the error magnitude is not only large but also the error convergence rate is very low, about two orders of magnitude.
이는 본 발명에 따른 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치 및 방법이 이전에 사용되는 명시적 점성처리 방법과 비교하여 더 안정적인 점성처리 성능을 보였을 뿐만 아니라, 전구 고차 필터와 비교하여 정확도를 유지하였으며 더 고속으로 처리 가능한 것을 의미한다.The apparatus and method for processing hexahedral spherical grating data using the spectroscopic element method digital filter according to the present invention not only show a more stable viscous processing performance as compared with the previously used explicit viscous processing method, It means that the accuracy is maintained and can be processed at higher speed.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.It is therefore to be understood that the specified embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense and that the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description and that all such differences falling within the scope of equivalents are intended to be embraced therein It should be interpreted.
10. 육면체구 격자구성부 20. GLLIP 구성부
30. 연산자 행렬 구축부 40. 지역 영역 설정부
50. 연산자 행렬 결합부 60. 필터 행렬 구축부
70. 역행렬 계산부10. Hexagonal
30. Operator
50. Operator
70. Inverse matrix calculation unit
Claims (15)
분광 요소법을 이용한 이산화를 위하여, 기저함수인 GLLIP(Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial)을 구성하는 GLLIP 구성부;
GLLIP를 이용하여, 라플라시안 연산자를 전개하고 이를 한 요소에 대해 적분하여 각 요소별 이산 라플라시안 연산자 행렬을 얻는 연산자 행렬 구축부;
Nl x Nl 개의 요소를 결합해 지역 영역에 대한 라플라시안 행렬을 구성하는 지역 영역 설정부;
각 요소에 대하여 정의된 결합 요소영역을 따라 이산 라플라시안 연산자 행렬을 결합하는 연산자 행렬 결합부;
지역 영역에 대한 이산 라플라시안 연산자 행렬을 이용하여, 필터 방정식에 이를 대입하고 이산 필터 행렬 연산자 행렬을 구축하는 필터 행렬 구축부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치.A hexahedral sphere lattice component with a hexagonal sphere lattice structure;
For discretization using the spectral element method, a GLLIP constituent part constituting a basis function GLLIP (Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial);
An operator matrix building unit for developing a Laplacian operator using GLLIP and integrating the Laplacian operator for one element to obtain a discrete Laplacian operator matrix for each element;
N l x A local region setting unit which combines N l elements to construct a Laplacian matrix for the local region;
An operator matrix combining unit for combining discrete Laplacian operator matrices along a joint element area defined for each element;
And a filter matrix building unit for constructing a discrete filter matrix operator matrix by substituting the discrete Laplacian operator matrix for the local region into the filter equation and performing a hexagonal sphere lattice data processing using the spectral element method digital filter. .
요소와 격자점의 개수를 사용자가 지정하고, 육면체구의 각 면을 유한한 개수의 요소로 나누고, 각 요소내에서 격자점이 정의되는 육면체구 격자 구성을 하는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치.The apparatus of claim 1, wherein the hexahedral sphere lattice-
Wherein a user designates the number of elements and lattice points and divides each face of the hexahedral element into a finite number of elements and a lattice point is defined in each element. Apparatus for processing old grid data.
결합요소수 Nl은 FLOOR[6-1Ne+N-1]으로 주어지며, 여기서 FLOOR는 바닥 함수인 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 장치.The apparatus according to claim 1,
Wherein the number of coupling elements N l is given by FLOOR [6 -1 N e + N -1 ], where FLOOR is the bottom function.
분광 요소법을 이용한 이산화를 위하여, 기저함수인 GLLIP(Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial)을 구성하는 GLLIP 구성 단계;
GLLIP를 이용하여, 라플라시안 연산자를 전개하고 이를 한 요소에 대해 적분하여 각 요소별 이산 라플라시안 연산자 행렬을 얻는 연산자 행렬 구축 단계;
Nl x Nl 개의 요소를 결합해 지역 영역에 대한 라플라시안 행렬을 구성하는 지역 영역 설정 단계;
각 요소에 대하여 정의된 결합 요소영역을 따라 이산 라플라시안 연산자 행렬을 결합하는 연산자 행렬 결합 단계;
지역 영역에 대한 이산 라플라시안 연산자 행렬을 이용하여, 필터 방정식에 이를 대입하고 이산 필터 행렬 연산자 행렬을 구축하는 필터 행렬 구축 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.Forming a hexagonal spherical grid;
A GLLIP constructing step to construct a basis function GLLIP (Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial) for discretization using the spectroscopic element method;
An operator matrix building step of developing a Laplacian operator using GLLIP and integrating the Laplacian operator for one element to obtain a discrete Laplacian operator matrix for each element;
N l x A local region setting step of combining N l elements to construct a Laplacian matrix for the local region;
An operator matrix combining step of combining a discrete Laplacian operator matrix along a joint element area defined for each element;
And a filter matrix constructing step of constructing a discrete filter matrix operator matrix by substituting the discrete Laplacian operator matrix for the local region into the filter equation and constructing a discrete filter matrix operator matrix using the discrete Laplacian operator matrix. Way.
육면체구의 한 면에서 단일 방향으로 요소수를 로 정의하고, 나누어진 요소의 경계는 이웃하는 요소의 경계와 그 값을 공유하고 육면체구상의 라플라시안 연산자는,
으로 정의되고,
여기서, G는 육면체구의 metric tensor, 과 는 육면체구 격자의 동서 및 남북 지역 좌표를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.6. The method of claim 5, wherein in the step of configuring the hexagonal sphere lattice,
The number of elements in a single direction on one side of the hexahedron , The boundaries of the divided elements share the boundaries of neighboring elements, and the Laplacian operator of the hexahedron design is defined as:
Lt; / RTI >
Where G is the metric tensor of the hexahedron, and Wherein the coordinates represent the coordinates of the east-west and north-south regions of the hexagonal spherical grating, respectively.
육면체구에서 정의되는 적분 가능한 함수를 로 정의하면, 한 요소 내에서 다항 기저함수 전개는,
이고,
여기서, h는 GLLIP(Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial)이며, N은 기저함수의 차수를 의미하는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.8. The method of claim 7 wherein the cubic laplacian operator is discretized by a hexahedral spectral element method,
The integrable function defined in the hexahedron sphere , The polynomial basis function expansion within an element can be expressed as:
ego,
Wherein h is a GLLIP (Gauss-Lobatto-Lagrange Interpolating Polynomial) and N is a degree of a basis function. A method for processing a hexahedron sphere data using a spectral element method digital filter.
GLLIP는 으로 정의되고,
여기서, P는 르젠드르 함수를 나타내는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.6. The method of claim 5, wherein in the GLLIP configuration step,
GLLIP Lt; / RTI >
Wherein P represents a Reedendre function. The method for processing a hexahedral sphere lattice data using a spectral element method digital filter.
라플라시안 연산자에 대해 기저함수를 곱한 후 한 요소에 대해 적분하여 이산 라플라시안 연산자 행렬을 구하고 와도-유선함수의 관계를 이용한 행렬방정식으로 나타내면,
이고,
여기서, L은 이산 라플라시안 연산자 행렬, Z와 는 각각 벡터를 의미하는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.6. The method of claim 5, wherein in the step of constructing the operator matrix,
When the matrix function is multiplied by the basis function and then the integral of the Laplacian operator is integrated to obtain a discrete Laplacian matrix,
ego,
Where L is the discrete Laplacian operator matrix, Z and Wherein each of the vectors represents a vector. A method for processing a hexahedral spherical aberration data using a spectral element method digital filter.
필터 방정식은,
으로 정의되고,
여기서, g는 주어진 함수로서 필터링을 해야 할 함수이며, w는 필터링 처리된 함수를 각각 나타내고, v는 필터계수, q(양의 정수)는 필터의 차수(order)를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.6. The method of claim 5, wherein in a filter matrix building step of substituting the filter equation into a filter equation and constructing a discrete filter matrix operator matrix,
The filter equation,
Lt; / RTI >
Where g is a function to be filtered as a given function, w is a filtered function, v is a filter coefficient, and q (positive integer) is the order of the filter. A method for the processing of hexahedral sphere data using elemental digital filters.
이고,
여기서, 은 고차 필터행렬을 의미하는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.12. The method of claim 11, wherein the discrete Laplacian operator matrix ( ), The filter equation is expressed by a matrix equation,
ego,
here, Is a high order filter matrix. A method for processing hexahedral spherical aberration data using a spectral element method digital filter.
인 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.13. The method of claim 12, wherein the performing of the filtering is performed by matrix-vector multiplication of a higher order filter matrix and a given function,
A method for processing hexahedral spherical aberration data using a spectral element method digital filter.
필터링 수행 후에는 육면체 격자 중앙에 위치한 요소만 남기고, 각 결합요소마다 계산이 끝나면 남겨진 요소들은 그 경계값을 공유하여 이웃한 요소들의 경계와 평균한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.14. The method of claim 13, wherein the inverse matrix of the higher order filter matrix is calculated and used repeatedly each time filtering is performed,
After the filtering is performed, only the elements located at the center of the hexagonal lattice are left, and when the calculation is completed for each coupling element, the remaining elements share the boundary value and have the average value and the boundary of the neighboring elements. A method for processing hexahedral sphere data.
필터의 차수()와 진폭감소비율()을 정하면,
에 의해 결정되고,
여기서, , 이며, 은 주어진 와 에 따른 지구 반지름으로 무차원화 된 최저 격자 간격인 것을 특징으로 하는 분광요소법 디지털 필터를 이용한 육면체구 격자자료 처리를 위한 방법.
14. The method of claim 13, wherein the amplitude reduction ratio by filtering is a given resolution Wow The smallest scale component is set to be half thereof,
The order of the filter ( ) And amplitude reduction ratio ( ),
Lt; / RTI >
here, , Lt; Given Wow Wherein the minimum lattice spacing is a dimensionless non-dimensional lattice spacing.
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