矢量場可視化,尤其是流場可視化是海洋信息可視化應(yīng)用研究領(lǐng)域的一個重要課題,更是科學(xué)計算可視化領(lǐng)域研究已久的一個古典分支。現(xiàn)實中存在許多矢量場,比如水流場、氣流場等,由于其自身的透明性質(zhì),人們無法觀察到其內(nèi)在的結(jié)構(gòu)特征,需要借助矢量場科學(xué)可視化手段,對抽象數(shù)據(jù)具象化表示,以期達(dá)到分析、研究、總結(jié)流場特性的目的。流場可視化是從海洋大數(shù)據(jù)中獲取重要信息、重建內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效方式。一個優(yōu)秀的流線可視化系統(tǒng)應(yīng)該能夠準(zhǔn)確的提取出矢量域的拓?fù)�、方�?矢量場任意點的速度等特征信息。本課題的提出,是為了對二維矢量域數(shù)據(jù)在幾何流線表達(dá)層次上做出較為深度的探索,算法結(jié)構(gòu)主要從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面展開。靜態(tài)方面,本論文提出了高感知度空間自適應(yīng)的二維幾何流線算法,其關(guān)鍵技術(shù)分為以下幾個模塊：(1)基于特征提取的種子點布局策略。算法在開始組織二維幾何流線可視化之前,對原始海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行全局掃描,提取矢量域的重要特征點,以確保幾何流線可視化結(jié)果能最大程度保留矢量域信息。(2)基于笛卡爾距離控制網(wǎng)格的空間自適應(yīng)流線布局策略。本技術(shù)基于笛卡爾距離控制網(wǎng)格,以串行積分的方式來達(dá)到二維矢量場流線空間自適應(yīng)布局的目的,結(jié)合四階Runge-Kutta積分與反距離加權(quán)插值閉合算法,使得幾何流線更加平滑精準(zhǔn)。(3)基于流線環(huán)形檢測技術(shù)的“病態(tài)”環(huán)規(guī)避策略。在繪制幾何流線時,矢量域的渦旋特征在某些時候會使幾何流線布局產(chǎn)生擾動,以至打破了整個流線場的布局一致性,不僅破壞了整個矢量域流線繪制的美觀與平衡,更因為多次重復(fù)積分相互疊加,而造成流線計算時間的損耗。采用環(huán)形檢測技術(shù),能夠在保留渦旋特征的前提下,規(guī)避“病態(tài)”環(huán)所造成的時間損失與布局破壞,將“病態(tài)”環(huán)扼殺在萌芽之初,以達(dá)到節(jié)約時間和優(yōu)化畫質(zhì)的雙重目的。(4)基于紋理映射技術(shù)的流線矢量性表達(dá)策略。方向和速率是流場最基本的兩個屬性。單純的幾何流線,無法表達(dá)出矢量場的方向與速率特性,通過高感知度紋理映射技術(shù),為每條已生成的幾何流線劃分紋理支撐單元,每個紋理支撐單元映射對應(yīng)紋理,通過紋理的方向來表達(dá)矢量場的方向,通過紋理的長短來表達(dá)矢量場速率的大小,從而達(dá)到對矢量場屬性信息的準(zhǔn)確展示。動態(tài)方面,本論文針對穩(wěn)定場數(shù)據(jù)和不穩(wěn)定數(shù)據(jù),各提出了一種具有針對性的流線動畫策略,其關(guān)鍵技術(shù)如下：(1)基于顏色映射表的幾何流線動畫策略。這是針對穩(wěn)定場數(shù)據(jù)而言的動畫策略。對穩(wěn)定場數(shù)據(jù)而言,場信息不隨時間的變化而改變,在這樣的情況下,只需要周期性更新幾何流線顏色映射表,即可以從視覺上產(chǎn)生周期性動畫的效果。(2)基于相干性技術(shù)的幾何流線動畫策略。這是針對不穩(wěn)定場數(shù)據(jù)而言的動畫策略。對不穩(wěn)定場而言,場信息隨著時間的改變而改變,永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)不同幀的場信息完全一樣的情況,要實現(xiàn)幀與幀之間的平滑且流暢過渡,就需要對相鄰時間點下的對應(yīng)流線做相干處理,同時對相鄰時間點下相干流線的紋理也進(jìn)行相干處理,以確保相鄰時間流線具有幾乎一致性的變化。本課題旨在針對海洋二維矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何流線可視化研究,在保證矢量域特征的基礎(chǔ)之上,自適應(yīng)布局可視化圖形,使畫面簡潔美觀,通過紋理映射技術(shù),達(dá)到使流線屬性具象化的目的,為用戶更好的理解矢量域奠定基礎(chǔ)。另外,探索了幾何流線動畫領(lǐng)域,基于場的特性,提出了不同的動畫策略,初步實現(xiàn)了二維幾何流線的動畫功能。
【學(xué)位單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TP391.41
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀——流線可視化
        1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀——流場拓?fù)涮崛?br>        1.2.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀——高感知度數(shù)據(jù)可視化
    1.3 研究目標(biāo)和意義
        1.3.1 研究意義
        1.3.2 研究目標(biāo)
    1.4 論文組織結(jié)構(gòu)
2 靜態(tài)高感知度二維空間自適應(yīng)幾何流線算法
    2.1 算法概要及結(jié)果展示
    2.2 基于特征提取的種子點布局策略
        2.2.1 基于特征提取的種子點布局策略原理
        2.2.2 特征提取布局與常規(guī)種子點布局效果對比
    2.3 基于笛卡爾距離控制網(wǎng)格的空間自適應(yīng)流線布局策略
        2.3.1 基于RK4-IDW閉合算法的積分點生成策略
        2.3.2 基于笛卡爾距離控制網(wǎng)格的流線均勻布局策略
        2.3.3 基于笛卡爾距離控制網(wǎng)格的流線空間自適應(yīng)布局策略
        2.3.4 均勻流線布局與空間自適應(yīng)流線布局效果對比
    2.4 基于流線環(huán)形檢測技術(shù)的“病態(tài)”環(huán)規(guī)避策略
        2.4.1 “病態(tài)”環(huán)規(guī)避策略實現(xiàn)原理
        2.4.2 有否環(huán)形檢測的流線效果對比
    2.5 基于紋理映射技術(shù)的流線矢量性表達(dá)策略
        2.5.1 流線矢量性表達(dá)原理
        2.5.2 有否矢量性表達(dá)的流線效果對比
3. 二維幾何流線動畫技術(shù)
    3.1 基于顏色映射表的幾何流線動畫策略
    3.2 基于相干性技術(shù)的幾何流線動畫策略
        3.2.1 相鄰時間點相干流線生成策略
        3.2.2 相鄰時間點相干紋理組織策略
4 總結(jié)與展望
    4.1 總結(jié)
    4.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果

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