高感知度空间自适应二维矢量可视化

发布时间：2020-10-02 08:59

　　矢量场可视化,尤其是流场可视化是海洋信息可视化应用研究领域的一个重要课题,更是科学计算可视化领域研究已久的一个古典分支。现实中存在许多矢量场,比如水流场、气流场等,由于其自身的透明性质,人们无法观察到其内在的结构特征,需要借助矢量场科学可视化手段,对抽象数据具象化表示,以期达到分析、研究、总结流场特性的目的。流场可视化是从海洋大数据中获取重要信息、重建内部结构的有效方式。一个优秀的流线可视化系统应该能够准确的提取出矢量域的拓扑、方向,矢量场任意点的速度等特征信息。本课题的提出,是为了对二维矢量域数据在几何流线表达层次上做出较为深度的探索,算法结构主要从静态和动态两个方面展开。静态方面,本论文提出了高感知度空间自适应的二维几何流线算法,其关键技术分为以下几个模块：(1)基于特征提取的种子点布局策略。算法在开始组织二维几何流线可视化之前,对原始海洋数据进行全局扫描,提取矢量域的重要特征点,以确保几何流线可视化结果能最大程度保留矢量域信息。(2)基于笛卡尔距离控制网格的空间自适应流线布局策略。本技术基于笛卡尔距离控制网格,以串行积分的方式来达到二维矢量场流线空间自适应布局的目的,结合四阶Runge-Kutta积分与反距离加权插值闭合算法,使得几何流线更加平滑精准。(3)基于流线环形检测技术的“病态”环规避策略。在绘制几何流线时,矢量域的涡旋特征在某些时候会使几何流线布局产生扰动,以至打破了整个流线场的布局一致性,不仅破坏了整个矢量域流线绘制的美观与平衡,更因为多次重复积分相互叠加,而造成流线计算时间的损耗。采用环形检测技术,能够在保留涡旋特征的前提下,规避“病态”环所造成的时间损失与布局破坏,将“病态”环扼杀在萌芽之初,以达到节约时间和优化画质的双重目的。(4)基于纹理映射技术的流线矢量性表达策略。方向和速率是流场最基本的两个属性。单纯的几何流线,无法表达出矢量场的方向与速率特性,通过高感知度纹理映射技术,为每条已生成的几何流线划分纹理支撑单元,每个纹理支撑单元映射对应纹理,通过纹理的方向来表达矢量场的方向,通过纹理的长短来表达矢量场速率的大小,从而达到对矢量场属性信息的准确展示。动态方面,本论文针对稳定场数据和不稳定数据,各提出了一种具有针对性的流线动画策略,其关键技术如下：(1)基于颜色映射表的几何流线动画策略。这是针对稳定场数据而言的动画策略。对稳定场数据而言,场信息不随时间的变化而改变,在这样的情况下,只需要周期性更新几何流线颜色映射表,即可以从视觉上产生周期性动画的效果。(2)基于相干性技术的几何流线动画策略。这是针对不稳定场数据而言的动画策略。对不稳定场而言,场信息随着时间的改变而改变,永远不会出现不同帧的场信息完全一样的情况,要实现帧与帧之间的平滑且流畅过渡,就需要对相邻时间点下的对应流线做相干处理,同时对相邻时间点下相干流线的纹理也进行相干处理,以确保相邻时间流线具有几乎一致性的变化。本课题旨在针对海洋二维矢量数据进行几何流线可视化研究,在保证矢量域特征的基础之上,自适应布局可视化图形,使画面简洁美观,通过纹理映射技术,达到使流线属性具象化的目的,为用户更好的理解矢量域奠定基础。另外,探索了几何流线动画领域,基于场的特性,提出了不同的动画策略,初步实现了二维几何流线的动画功能。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TP391.41
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国内外研究现状——流线可视化
        1.2.2 国内外研究现状——流场拓扑提取
        1.2.3 国内外研究现状——高感知度数据可视化
    1.3 研究目标和意义
        1.3.1 研究意义
        1.3.2 研究目标
    1.4 论文组织结构
2 静态高感知度二维空间自适应几何流线算法
    2.1 算法概要及结果展示
    2.2 基于特征提取的种子点布局策略
        2.2.1 基于特征提取的种子点布局策略原理
        2.2.2 特征提取布局与常规种子点布局效果对比
    2.3 基于笛卡尔距离控制网格的空间自适应流线布局策略
        2.3.1 基于RK4-IDW闭合算法的积分点生成策略
        2.3.2 基于笛卡尔距离控制网格的流线均匀布局策略
        2.3.3 基于笛卡尔距离控制网格的流线空间自适应布局策略
        2.3.4 均匀流线布局与空间自适应流线布局效果对比
    2.4 基于流线环形检测技术的“病态”环规避策略
        2.4.1 “病态”环规避策略实现原理
        2.4.2 有否环形检测的流线效果对比
    2.5 基于纹理映射技术的流线矢量性表达策略
        2.5.1 流线矢量性表达原理
        2.5.2 有否矢量性表达的流线效果对比
3. 二维几何流线动画技术
    3.1 基于颜色映射表的几何流线动画策略
    3.2 基于相干性技术的几何流线动画策略
        3.2.1 相邻时间点相干流线生成策略
        3.2.2 相邻时间点相干纹理组织策略
4 总结与展望
    4.1 总结
    4.2 展望
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

【相似文献】