基于平面矢量场的可视化方法的研究

平面矢量场可视化是科学计算可视化的重要研究内容.矢量场以直观的图形图像显示场的运动,透过抽象数据有效洞察其内涵本质和变化规律,广泛应用于计算流体力学、航空动力学、大气物理和气象分析等领域.对平面矢量场进行可视化的方法有很多种,常见的有点图标法、流线法、线积分卷积法和拓扑分析法等.论文主要研究常见的可视化方法,分析它们的性能,并通过实际的例子,对具体的可视化结果图像进行比较.通过该研究,能够给人们在选择可视化方法时提供依据.     

改进的图标法进行平面向量场可视化

图标法是常见的平面矢量场可视化方法。但是当传统的图标法用在大数据集且变化不是很明显的矢量场中时,图像可能会显得比较混乱。本文基于矢量场中局部矢量近似平行的原理,将传统的图标法做一改进。将局部范围内变化不明显的矢量,用该范围内的某一矢量来代替,这样所得的图像不再是规整的图标图像,图像上图标的多少是由矢量变化的明显程度来决定的。矢量变化不大的地方,矢量图标少,反之,矢量变化较大的地方,矢量图标多。这种方法使得所显示的矢量场不显得混乱,又能表达出矢量场的方向和大小。     

用旋转矢量法实现任意三维剖面

在三维可视化应用中,实现三维空间模型的剖切几乎是每个三维可视化系统或软件的重要组成部分。而在剖切的过程中,重要的一个环节就是如何实现三维空间中的任意剖面。提出了一种旋转平面法矢量的方法,通过对平面的法矢量进行旋转来实现三维可视化中的任意剖面。     

二维和三维矢量场的可视化

矢量场可视化用来帮助人们直观理解二维和三维矢量场。由于目前的矢量场可视化方法只能展示二维矢量场的方向而不能展示强度,并且对于三维矢量场可视化的效果不太令人满意,因此本文提出了用线积分卷积来实现二维平面矢量场可视化,以及三维空间矢量场可视化的方法。对于线积分卷积中的流线跟踪,利用扩展的Bresenham画线算法的思想,实现了二维平面和三维空间流线的跟踪,并且通过建立一个二维表和三维表来分别存储二维平面矢量场和三维空间矢量场中每个点在流线中的上一个点和下一点的位置,来避免传统流线跟踪方法的冗余计算,提高了效率。对于二维平面矢量场,把线积分卷积的结果和矢量的强度进行加权平均,从而利用输出图像的纹理和颜色,共同来表现矢量场的方向和强度。对于三维空间矢量场,利用体线积分卷积（Volume Line Integral Convolution, Volume LIC）的方法来得到输出体纹理,并且用光线投射的体渲染方法来展示三维空间矢量场。结果显示出本文的方法能够清晰直观的看到二维平面矢量场和三维空间矢量场。     

矢量场可视化的研究现状与发展趋势

矢量场广泛存在于自然界并在科学计算和工程分析中扮演着重要的角色,试图为矢量场可视化研究领域提供一个清晰的概貌。阐述了矢量场可视化的基本流程,矢量场可视化的研究现状以及迄今为止的一些研究成果,并讨论了矢量场可视化的发展趋势及应重视的研究方向。     

基于多频稀疏噪声的流场运动方向可视化算法

针对现有流场可视化算法存在的矢量场运动指向二义性以及缺乏对矢量场速率区分等问题进行了研究,提出了一种基于多频稀疏噪声纹理的改进线积分卷积算法,用来提高流场可视化后的信息表达效果。该方法首先根据矢量场速率量级的大小划分频率不同的噪声群,并合成适用于该向量场的特定多频噪声纹理;然后使用斜坡卷积核根据向量场流线对噪声纹理进行卷积;最后生成一幅同时具有矢量场运动方向和运动速率信息的彩色图像。实验结果表明,该方法可以增强用户对流场流量大小和矢量场方向的感知效果,在大规模风场数据可视化的验证实验上取得了良好的可视化效果。     

一种新的平面矢量场可视化方法

矢量场可视化是科学计算可视化的重要组成部分。提出了一种新的平面矢量场可视化方法，该方法利用局部区域内流线的近似平行性，将种子点的影响范围扩大，使一条流线能够覆盖与其平行的相邻的几条流线上的点，同时对流线之间进行调和，使流线间比较平滑。由于该方法一条流线上覆盖了更多的点，提高了计算速度，可达到交互可视化的要求。并将几种方法的结果图象进行了比较。     

基于信息熵的流线质量评估和布局算法

基于流线的矢量场可视化是科学可视化的重要分支,在许多领域都有重要应用。但是现有的可视化方法很难有效评估流线对矢量场信息的反映程度。为了解决这一问题,提出了一种基于信息熵的矢量场种子点评估和布局算法。首先,基于信息熵进行初始布点捕捉矢量场中的主要特征,并利用模板将这些特征加强显示。然后,基于生成的流线恢复中间矢量场,通过恢复的矢量场和输入矢量场的条件熵值量化评估现有流线对矢量场的信息反映程度。根据条件熵和重要性添加新种子点。重新评估流线质量,反复迭代直到条件熵收敛。实验表明,该方法可以用较少的流线反映出矢量场中较多的信息。     

基于分数阶微分的流线增强方法

为增强流线间强度对比,提高矢量场可视化效果,提出了一种基于分数阶微分滤波的流线增强方法.该方法通过构造分数阶微分算子,对卷积纹理在垂直矢量方向上进行分数阶微分滤波,增强了矢量线间的对比,改善了图像质量.实验结果表明,该方法能有效地增强矢量场流线可视化效果,为分析流场特征提供帮助.     

一种新的VolumeLIC可视化方法

矢量场可视化是科学计算可视化中最具挑战性的研究课题之一,为了能在二维屏上直观显示三维矢量场,将基于纹理的LIC方法拓展到三维矢量场可视化,通过设计稀疏线噪声纹理并配合斜坡卷积核提高VolumeLIC图象质量,显著增强空间深度感,并采用光线投射直接体绘制方法生成VolumeLIC图象,另外,针对循环动画的突兀现象,提出HRCK（Hanninged RampConvolutionKernel)法生成流场的VolumeLIC循环动画,提出VolumeLICProbe交互洞察三维矢量场内部信息,通过实例表明,本文所提方法具有良好的可视化效果,交互方便,并已应用地幔可视化等领域。     

加速的QTA地形可视化算法

四叉树图集光线跟踪算法（QTA）是一种高效的平面地形可视化算法,在地形渲染相关的许多应用中（如矢量数据、谷地检测、等高线绘制等）都可以增加系统渲染速率。在QTA基础上,通过简化其中CRC算法的分支判断,引入新的屏幕误差控制策略,提出了一种新的光线投射地形可视化算法,同时对QTA中光栅化部分也进行了优化。该算法易于实现,且突破了原QTA算法只适用于平面地形的限制,算法实现了球形地形的可视化。实验结果验证了这一点,同时实验还显示,算法在不损失精度的情况下,具有更高的渲染速率。     

飞行器表面矢量场数据动态纹理可视化方法

面向飞行器表面流场数据可视化的应用需求,提出一种基于线性卷积（LIC）及纹理平流（IBFVS）相结合的动态纹理可视化方法。算法通过将IBFVS方法的背景随机噪声替换为LIC纹理方式,结合了LIC纹理结果对比度高及IBFVS方法生成速度快的优势;针对LIC绘制速度慢的不足,利用GPU对曲面矢量场投影并插值,生成规则矢量数据场;用GPU对LIC部分进行并行加速,有效提高了LIC纹理图像产生速度;将LIC结果图像加入到IBFVS进行平流,生成纹理图像,最后加入颜色映射,丰富流场信息。实验结果表明,该方法生成的飞行器表面动态纹理图像对比度高,清晰度强,实时绘制性能好。     

基于纹理合成的向量场可视化

在纹理合成过程中利用向量场作为指导,生成反映向量场大小和方向变化的合成结果.采用块纹理合成的流程,在对向量场合成块均匀划分的基础上,通过进一步的自适应分割,将向量场划分成为不同大小和不同形状的最终合成块,使之与向量场的变化趋势相吻合.对向量变化过于剧烈的区域,则采用点合成的方式进行纹理合成,以保证合成效果的平滑.实验表明,文中的方法可以实现快速而高质量的向量场可视化.     

Selective Visualization of Vector Fields

In this paper, we present an approach to selective vector field visualization. This selective visualization approach consists of three stages: selectdon creation, selection processing and selective visualization mapping. It is described how selected regions, called selections, can be represented and created, how selections can be processed and how they can be used in the visualization mapping. Combination of these techniques with a standard visualization pipeline improves the visualization process and offers new facilities for visualization. Examples of selective visualization of fluid flow datasets are provided.     

基于矢量线强化的增强型2维流场实时绘制

在流场绘制中,合理地结合矢量场的多种属性有助于矢量场的特征分析,据此提出了一种基于矢量线强化的增强型2维流场实时绘制算法。通过对流场的一些标量属性如大小、角度和曲率进行色彩映射,该算法不仅可以清晰显示流场运动方向,而且能显示矢量场的多种属性,有助于了解流场矢量特征分布和主要拓扑结构。该算法采用了一种矢量线强化策略,即通过对卷积纹理在垂直矢量方向上进行1维高通滤波,增加了矢量线间的对比,改善了图像质量。利用现代图形卡的可编程能力,该算法可以在微机上达到实时绘制性能。     

二维复杂向量场可视化方法研究及应用

向量场数据广泛存在于科学和工程计算中,面当前缺少和有效的复杂向量场可视化方法,使得在一些研究领域中计算出来的数据无法得到很好的理解和使用。通过分析点噪声方法和非定常网格数据场的特点,提出适用于二维非定常网格数据折可视化方法;非定常点噪声方法。该方法主要解决变化网格及数据时间精度不足带来的问题,通过对惯性约束聚变的数值模拟数据进行可视化,取得了令人满意的结果,结果表明该方法是一种对复杂向量场有效的可视化方法。