基于球面渲染环境的海洋数据多维动态可视化关键技术研究

论文摘要

科学计算可视化是将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像的有力工具。海量、多分辨率、多时相、多类型海洋观测数据及模式分析数据的产生,无疑能给海洋研究工作者提供更多有价值的信息。但数据量越大,就越难以控制,不容易使用。凭借计算机的巨大处理能力,科学计算可视化运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法,将海量海洋数据转换为图形、图像,以直观的形式表示出来,为海洋科学研究人员分析、理解数据和找出规律提供了强有力的手段。科学计算可视化的核心就是三维数据场可视化。本文综合分析和研究国内外可视化软件的现状,以多维海洋数据为研究对象,以构建行之有效的虚拟海洋与可视化一体化仿真平台（ocean oriented virtual reality & visualization platform, VV-Ocean）为目标,以基于球体的海洋数据多维动态可视化分析方法为研究内容,以从面向海洋数据的多维动态可视化方法研究、设计、实现到VV-Ocean平台集成为研究路线,系统地进行多维动态可视化方法在海洋数据分析领域的应用研究,具体地进行可视化算法的实现,并根据研究成果进行了VV-Ocean平台的研发及集成。论文的主要工作及所取得研究成果如下:（1）海洋数据存储与调度模型本文对多维海洋数据的特点进行了分析,提出了适用于多维动态可视化的海洋数据外存存储格式和内存数据结构,针对可视化与分析计算的需要设计了基于内存映射文件的数据交换调度模型,解决了基于大空间跨度、大时间尺度的海洋数据动态可视化在数据承载、实时调度等方面的瓶颈问题。（2）海洋数据多维动态可视化方法针对海洋数据研究与分析的需求,本文提出了一系列面向海洋数据的可视化分析方法,包括点模式、线模式、面模式、体模式和时间序列分析,对等值线追踪、等值面生成、剖面绘制、体绘制等关键技术进行了进一步研究与实现,并根据海洋可视化的特点在GPU并行计算、渲染效率等方面进行了优化。（3）基于球面渲染环境的多维动态可视化方法基于三维球体的海洋仿真与可视化平台是当前虚拟现实及科学计算可视化的热点研究领域。本文根据几种常见的地球椭球体标准,实现了基于地球直角坐标系的地球三维球体模型,并在此基础上建立了坐标映射系统,实现了基于地球球体的多维动态可视化,从而实现了海洋数据的真三维可视化,相对传统的可视化方法,本文设计的球面可视化方法具有更好的数据精度和直观性。（4）海洋可视化分析模块与VR-Ocean平台的一体化集成通过基于动态链接库的插件式软件构架和运行期动态加载技术,本文实现了海洋动态可视化模块与VR-Ocean（ocean oriented virtual reality platform）虚拟海洋系统的一体化无缝集成,形成了虚拟海洋与可视化一体化仿真平台VV-Ocean。最终形成的VV-Ocean平台同时具备虚拟现实与数据计算可视化平台的优势,可广泛应用于虚拟海洋、海洋开发规划、海洋数据可视化分析等领域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究意义
• 1.4 论文组织结构
• 2 海洋可视化数据模型分析与构建
• 2.1 面向多维动态可视化的海洋数据分析
• 2.2 面向多维动态可视化的海洋数据模型构建
• 3 海洋数据多维可视化分析方法研究与实现
• 3.1 多维点模式可视化
• 3.2 多维线模式可视化
• 3.3 多维面模式可视化
• 3.3.1 彩色剖面生成算法
• 3.3.2 基于 MC 算法的等值面生成算法
• 3.3.3 三角网格等值线追踪算法
• 3.4 多维体可视化
• 4 基于球面环境的动态可视化方法研究与实现
• 4.1 三维地球球体坐标映射算法
• 4.2 动态时间序列可视化方法
• 4.3 海量数据内外存调度模型
• 4.4 基于 OpenGL 的三维渲染引擎构建
• 5 VV-ocean 集成与应用
• 5.1 海洋数据多维动态可视化集成
• 5.2 系统应用实例
• 5.2.1 点模式分析—以渤、黄、东海三维温盐密数据为例
• 5.2.2 剖面绘制分析—以全球海洋温度数据为例
• 5.2.3 等值线分析—以全球海洋温度数据为例
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 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