科学计算可视化理论及智能虚拟显示系统的研究

摘要

科学计算可视化是在计算机图形图像学基础上发展起来的一个崭新的领域。科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing,简称ViSC）的目的就是借助计算机的图形图像处理能力，将科学计算的结果用直观的图形或图像输出代替数字输出，即实现将计算中涉及与产生的数字信息转变为以图形或图像表示的物理现象后，呈现在研究者面前，使研究者一目了然地获得被研究现象的变化规律及分布情况，从而使人们摆脱了只能对计算输出的大量数据进行抽象分析这种费时而繁琐的过程，缩短研究周期，提高研究效率。 当前科学计算可视化的研究内容和方向主要为：体可视化、流场可视化、可视化人机交互、科学计算可视化的数据建模、可视化基本原理的研究、复杂对象形状的建模和复杂数据集基于模型的可视化等。在虚拟仪器或信号处理软件中、科学计算可视化也是重要组成部分，且是重要的人机交互窗口，是虚拟仪器参数测量、光标读数、细化观察等的重要途径。 本文研究了计算机图形显示理论、研究科学计算可视化、体绘制理论及方法、二维/三维大数据量数据场的简化算法及快速显示方法等；软件构件技术、软件体系结构的构建模式和软件体系结构，基于面向对象构建模式和插接式软件体系结构，完成多模式、可扩展的显示系统或显示器构架；以及虚拟仪器或信号处理领域的科学计算可视化模式与特点如时间系列、波形图、XY图、直方图、参数显示、色谱图、瀑布图、地形图以及特殊的显示模式，如小波包分解图等，并在插接式软件体系结构的支持下，用户可以增加自定义的其它显示模式和方法及人机交互方式如单光标、双光标、参数统计、放大、移动、旋转、色彩映射、切片分析等，在此基础上研究开发了一套科学计算可视化系统。 本文的研究目的为研究图形显示原理、可视化建模和可视化人机交互理论，根据软件工程和软件体系结构知识，开发一种主要应用于信号处理和虚拟仪器的速度快、可扩展的实时/非实时可视化系统。通过对科学计算可视化理论与方法的研究和创新，尤其归纳、总结、提炼虚拟仪器对显示模式、交互方式和仪器特点，研究的科学计算可视化系统具有强大的功能和丰富的显示模式，且用户可以自定义显示模式及方法，不同的模式间可以切换和自由组合显示，特别适合测试测量仪器系统的各种显示和交互。研究一种通用的科学计算可视化软件系统是对虚拟仪器或测控软件系统都是很有实用价值的,它也是降低虚拟仪器软件编程难度、增加可复用性的有效途径，具有学术价值和应用价值。 本文在仪器概念方面，提出了智能虚拟显示器的概念；在可视化理论和算法方面,提出了一种数据重抽与三角网格简化算法，加快可视化显示时间，为示波器、动态信号分析仪等实时采集、实时分析显示提供了有效解决方案；在数据结构与软件设计方面，提出了数据统一模型，使输入的各类数据和参数都由数据仓库管理，减小程序设计难度，且程序更易管理、修改和升级；提出了软件适配器、区域配置和任务调度策略等方法，完成智能虚拟显示器规划的功能和多线程间的协调。完成基于GDI/GDI+和OPENGL的智能虚拟显示器，为虚拟仪器、信号分析处理和科学计算等提供了简易、独特的显示系统，并在科学计算、虚拟仪器和信号分析处理中大量使用。