基于纹理的矢量场可视化并行方法研究

论文摘要

科学计算可视化是上世纪八十年代后期提出并迅速得到发展的一门新兴学科。它利用计算机图形学和图像处理的先进技术与方法,采掘隐含在空间数据场中的信息,并转换成人类视觉可以感知的计算机图像,大大提高了研究者对信息的理解速度和准确率。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,它将科学和工程计算等产生的大规模矢量数据转换为图形、图像,并以直观的形式表示出来,使人们以直观形象的方式解释理解抽象科学数据中包含的客观规律,具有广泛的应用领域。线积分卷积(Line Integral Convolution, LIC)方法是一种基于纹理生成技术的矢量场可视化映射方法,线积分卷积法能连续反映场中各点的方向,即使在矢量方向变化很大的区域,也能揭示出矢量的方向,可以较好地表达出矢量场的细节。线积分卷积法生成的图像连续细致,具有多分辨率,并且能够充分发掘矢量场点之间的相关性,具有广阔的发展前景。但其计算量过大,耗时过多,影响了它的应用。近年来随着并行计算技术的发展,并行计算已经成为提高计算能力最有效、最流行的一种方法。狭义地讲,并行计算就是在多个CPU上实现多组计算任务同时进行,使原来按序列依次进行的计算工作并行完成,从而大大提高计算效率。本文首先分别对矢量场可视化技术和并行计算技术进行了分析和探讨,介绍了当前最流行的基于消息传递的并行编程环境MPI(Message Passing Interface)。然后针对线积分卷积算法进行了比较深入的研究,接着把并行思想与线积分卷积算法中的计算问题结合了起来,提出了线积分卷积算法的并行实现方法。最后在曙光TC4000L微机集群上基于MPI的分布式并行编程环境下对提出的并行算法进行了实现,大大提高了计算速度、缩短了运行时间,使线积分卷积算法的交互式探索成为可能,具有一定的现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 引言
• 1 矢量场可视化概述
• 1.1 矢量场可视化的基本流程
• 1.1.1 矢量数据的预处理
• 1.1.2 矢量数据的映射
• 1.1.3 矢量数据的绘制与显示
• 1.2 矢量场可视化的映射技术
• 1.2.1 基于几何形状的矢量场映射方法
• 1.2.2 基于纹理生成的矢量场映射方法
• 1.2.3 基于光学特性的矢量场显示方法
• 1.2.4 流场特征提取和拓扑分析方法
• 1.2.5 张量场可视化
• 1.3 基于纹理的矢量场可视化的研究现状与发展趋势
• 2 并行计算理论及 MPI 概述
• 2.1 并行计算理论概述
• 2.1.1 网络机群
• 2.1.2 网络并行计算模型
• 2.1.3 并行算法设计
• 2.1.4 并行计算性能评价
• 2.1.5 基于消息传递的并行编程
• 2.2 MPI 概述
• 2.2.1 MPI 简介
• 2.2.2 MPI 通信模型
• 2.2.3 MPI 并行程序设计模式
• 2.2.4 MPI 基本编程技术
• 2.2.5 MPI 程序基本框架
• 2.2.6 MPI 程序的执行
• 3 线积分卷积算法
• 3.1 LIC 算法产生的背景
• 3.2 LIC 算法描述
• 3.2.1 DDA 卷积
• 3.2.2 线积分卷积
• 3.3 LIC 算法的实现与分析
• 3.3.1 矢量场网格化
• 3.3.2 白噪声纹理生成
• 3.3.3 局部流线停止的条件
• 3.3.4 局部流线的计算方法
• 3.3.5 保持局部流线的对称性
• 3.3.6 局部流线长度的选择
• 3.3.7 卷积核函数的选择
• 3.3.8 算法实现的具体流程
• 3.3.9 实验结果与分析
• 4 线积分卷积算法的并行实现方法
• 4.1 并行性分析
• 4.2 并行算法设计
• 4.2.1 划分
• 4.2.2 通信
• 4.2.3 聚集
• 4.2.4 映射
• 4.3 并行程序设计
• 4.4 并行结果分析与性能评测
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文