基于Fast-LIC的矢量场并行可视化方法研究

摘要

数值水池下的矢量场可视化是科学计算可视化领域中一个热门方向。它将海洋科研实验计算产生的矢量场数据转化为可以观察的图形、图像，使人们通过图像解释海洋流场中存在的科学现象、客观规律，具有广泛而深远的意义。现如今的矢量场可视化技术，可以形象的描绘出海洋流场方向连续性的特征，能够很好展示更多的流场特征细节，同时可以生成多分辨率且连续细致的图像，在可视化领域拥有广阔的发展空间。但随着矢量场规模逐渐增大，数据集呈上升趋势，会导致可视化程序运行时间过长，从而影响可视化效率。
　　针对大规模流场数据造成可视化计算时间过长的问题，本文旨在缩短可视化计算时间，提出了基于快速线积分卷积技术的并行可视化方法。本文主要做了如下工作：
　　（1）首先对矢量场并行可视化理论进行了研究。其中包括现有的矢量场可视化方法技术、并行计算相关知识，包括并行算法设计过程与性能评价指标，以及对本文采取的并行编程框架MPI进行了阐述。
　　（2）其次设计出了矢量场可视化图像生成算法。对图像生成过程进行了系统设计，其中包括白噪声图像生成、矢量场局部流线计算、卷积核函数计算过程等。结合流线像素相关性设计出基于快速线积分卷积的矢量场图像生成算法。
　　（3）最后通过PCAM设计学对快速线积分卷积图像生成算法进行了并行性分析，提出了一种节点自适应动态任务分配策略。为进一步减小矢量场网格像素计算时间，结合矢量场流线像素相关性的特点，提出了网格映射任务执行策略。
　　本文在基于Windows集群环境下进行并行可视化实验，通过模拟数值水池高分辨率矢量场数据，分别对串行和并行可视化算法的程序执行时间进行了比较，发现并行算法明显地缩短了可视化计算时间，并且串行图像与并行图像效果一致，最后分析了并行算法的加速比、并行效率，得出了并行算法有效性。综上所述，本文对数值水池下的矢量场可视化研究具有深远的意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要工作

1.4 论文的组织结构

第2章 矢量场并行可视化相关技术

2.1 矢量场可视化基本理论

2.2 并行计算基本理论

2.3 MPI概述

2.4 本章小结

第3章 基于快速线积分卷积的图像生成算法

3.1 线积分卷积方法

3.2 线积分卷积算法设计流程

3.3 快速线积分卷积算法设计与实现

3.4 本章小结

第4章 图像生成算法并行化设计

4.1 图像生成算法并行化分解

4.2 动态任务分配策略

4.3 基于流线像素相关性的任务执行方案

4.4 本章小结

第5章 实验验证与结果分析

5.1 实验环境配置

5.2 实验测试与结果分析

5.3 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢