基于单元相关性与几何形状的流场数据可视化方法及其应用

摘要

本文在对科学计算可视化技术进行分析研究的基础上，将它们应用于流场数据的分析处理之中。结合流场数据中物理量的属性，采用了标量可视化技术和矢量可视化技术分别进行可视化分析处理。在运用标量可视化技术的过程中，分析了传统等值线提取的网格序列法，在此基础上提出了基于三角网格的等值线提取；同时为了帮助分析三维流场内部数据之间的特性，提出了采用任意平面对数据体空间进行剖切，以获取任意剖面数据云图显示来反映数据体空间内部规律的方法；对于流场等值面提取，在分析研究了Marching Cubes算法的基础上，针对该算法中没有利用相邻单元体之间共享信息的缺点，提出了基于单元边相关性和阈值映射的等值面加速提取算法。在运用矢量可视化技术的过程中，采用了基于几何形状的方法来进行可视化。针对点图标映射中的缺陷，提出了相关的改进措施并实现了流场矢量数据的箭头映射、矢量数据的流线提取方法。最后，应用本文中提到的若干可视化技术，结合项目实际开发了流场数据处理可视化系统，并通过应用数据实例测试了软件的有效性和正确性。 全文的组织结构： 第一章，首先介绍了科学计算可视化技术的相关内容，在此基础上将科学计算可视化技术引入到流场数据的研究中来；论述了流场可视化技术的发展经历以及流场可视化技术的研究现状，总结了流场可视化的一些研究成果；最后阐述了本文的研究内容及总体框架。 第二章，从可视化数据获取的角度出发，简单介绍了流场数据的网格类型、流场数据的预处理以及计算机内部流场数据的存储和获取方法。在此基础上针对本文的研究介绍了应用系统中标量数据(如温度、压力)的格式以及矢量数据(如速度)的格式。 第三章，采用了等值线和云图的方法对流场中的标量数据进行可视化。结合网格序列法提取等值线的思想，将矩形网格内等值线提取转换成三角形内等值线的提取，解决了等值线二义性问题。提出了采用任意平面对数据体空间进行剖切，以获取任意剖面数据云图显示来反映数据体空间内部规律的方法，该算法不仅可以快速地生成空间实体任意剖面上的等值线和云图，而且还可以细化剖面上数据，更加准确地表达实体内部数据之间的分布。 第四章，采用了提取等值面的方法对流场中的标量数据进行可视化。在分析研究了Marching Cubes算法的基础上，针对该算法中没有利用相邻单元体之间共享信息的缺点，提出了基于单元边相关性和阈值映射的等值面加速算法及相应的数据结构。单元相关性利用了单元的一边可能被多个单元所共用的特点，从而减少等值面提取过程中重复计算。阈值映射则是利用单个单元8个顶点的物理量区域与整个数据体物理量值区域之间的关系，提高了空间数据的遍历速度，减少了边界体素的搜索时间。 第五章，采用了基于几何形状的映射方法对流场中的矢量数据进行可视化。分析了几何形状中点图标方法的原理和缺陷，提出了解决点图标可能造成的图像混乱的两种方法，并采用OpenGL实现了点图标的映射绘制。同时采用了基于多种数值积分方法的流线生成技术对流场矢量数据进行流线的提取。 第六章，在对本文上述章节中提到的可视化方法进行分析的基础上，结合面向对象技术、可视化技术、计算机图形学技术、人机交互技术等开发了流场数值计算数据的分析处理系统，对系统部分主要功能及其实现技术进行了分析，并通过应用实例数据测试了软件的有效性和正确性。 第七章，对全文所做的研究工作进行了总结与回顾，重点介绍了论文的创新点和特色，并对今后的工作前景做了展望。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

第2章流场数据预处理及数据文件格式

第3章流场等值线及剖面云图可视化算法

第4章基于单元边相关性的流场等值面加速提取算法

第5章流场矢量基于几何形状的可视化算法及实现

第6章流场可视化应用系统设计开发与应用实例

第7章总结与展望

参考文献

附录一攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢