科学计算可视化理论及智能虚拟显示系统的研究

论文摘要

科学计算可视化是在计算机图形图像学基础上发展起来的一个崭新的领域。科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing,简称ViSC)的目的就是借助计算机的图形图像处理能力,将科学计算的结果用直观的图形或图像输出代替数字输出,即实现将计算中涉及与产生的数字信息转变为以图形或图像表示的物理现象后,呈现在研究者面前,使研究者一目了然地获得被研究现象的变化规律及分布情况,从而使人们摆脱了只能对计算输出的大量数据进行抽象分析这种费时而繁琐的过程,缩短研究周期,提高研究效率。当前科学计算可视化的研究内容和方向主要为:体可视化、流场可视化、可视化人机交互、科学计算可视化的数据建模、可视化基本原理的研究、复杂对象形状的建模和复杂数据集基于模型的可视化等。在虚拟仪器或信号处理软件中、科学计算可视化也是重要组成部分,且是重要的人机交互窗口,是虚拟仪器参数测量、光标读数、细化观察等的重要途径。本文研究了计算机图形显示理论、研究科学计算可视化、体绘制理论及方法、二维/三维大数据量数据场的简化算法及快速显示方法等;软件构件技术、软件体系结构的构建模式和软件体系结构,基于面向对象构建模式和插接式软件体系结构,完成多模式、可扩展的显示系统或显示器构架;以及虚拟仪器或信号处理领域的科学计算可视化模式与特点如时间系列、波形图、XY图、直方图、参数显示、色谱图、瀑布图、地形图以及特殊的显示模式,如小波包分解图等,并在插接式软件体系结构的支持下,用户可以增加自定义的其它显示模式和方法及人机交互方式如单光标、双光标、参数统计、放大、移动、旋转、色彩映射、切片分析等,在此基础上研究开发了一套科学计算可视化系统。本文的研究目的为研究图形显示原理、可视化建模和可视化人机交互理论,根据软件工程和软件体系结构知识,开发一种主要应用于信号处理和虚拟仪器的速度快、可扩展的实时/非实时可视化系统。通过对科学计算可视化理论与方法的研究和创新,尤其归纳、总结、提炼虚拟仪器对显示模式、交互方式和仪器特点,研究的科学计算可视化系统具有强大的功能和丰富的显示模式,且用户可以自定义显示模式及方法,不同的模式间可以切换和自由组合显示,特别适合测试测量仪器系统的各种显示和交互。研究一种通用的科学计算可视化软件系统是对虚拟仪器或测控软件系统都是很有实用价值的,它也是降低虚拟仪器软件编程难度、增加可复用性的有效途径,具有学术价值和应用价值。本文在仪器概念方面,提出了智能虚拟显示器的概念;在可视化理论和算法

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 智能虚拟控件及VMIDS 开发系统
• 1.2.1 非智能虚拟控件
• 1.2.2 智能虚拟控件
• 1.2.3 VMIDS 虚拟仪器开发系统
• 1.3 科学计算可视化现状
• 1.3.1 科学计算可视化概述
• 1.3.2 科学计算可视化的内涵
• 1.3.3 科学计算可视化的现状
• 1.4 论文研究的意义
• 1.5 论文的内容及创新
• 1.5.1 论文研究内容
• 1.5.2 论文的创造与创新点
• 2 科学计算可视化与算法
• 2.1 科学计算可视化流程
• 2.2 科学计算可视化建模与造型
• 2.2.1 线框架结构模型
• 2.2.2 表面模型
• 2.2.3 实体模型
• 2.3 真实感图形绘制
• 2.3.1 消隐
• 2.3.2 简单光照模型及明暗处理
• 2.3.3 插值明暗处理技术
• 2.4 体绘制方法
• 2.4.1 体绘制概要
• 2.4.2 体绘制方法
• 2.5 颜色模型
• 2.6 基本图元及绘制
• 2.7 基本变换与运算
• 2.7.1 平移变换
• 2.7.2 比例变换
• 2.7.3 旋转变换
• 2.8 快速算法
• 2.8.1 二维/三维曲线快速显示
• 2.8.2 快速三角形网格化
• 3 科学计算可视化系统的体系构架
• 3.1 软件复用
• 3.2 软件体系结构
• 3.2.1 几种不同类型的体系结构比较
• 3.2.2 基于体系结构的构件集成框架
• 3.3 软件体系结构的构建模式
• 3.3.1 管道模式
• 3.3.2 面向对象模式
• 3.3.3 解释器模式
• 3.4 插接式软件体系结构及实现
• 4 科学计算可视化系统的软件开发
• 4.1 智能虚拟显示器
• 4.2 可视化工具
• 4.2.1 GDI/GDI＋
• 4.2.2 OpenGL
• 4.2.3 DirectX
• 4.2.4 IDL 及其它
• 4.3 图形显示理论及实现
• 4.3.1 图形模式
• 4.3.2 二维图形显示
• 4.3.3 三维图形显示
• 4.4 人机交互理论及实现
• 4.4.1 鼠标跟踪球算法
• 4.4.2 放缩及插值
• 4.4.3 光标捕捉
• 4.4.4 双光标
• 4.4.5 坐标切换
• 4.4.6 切片分析
• 4.4.7 旋转
• 4.4.8 参数统计
• 4.5 面向对象的程序层次结构
• 4.5.1 程序的结构层次及API 接口
• 4.5.2 图形绘制流程
• 4.6 统一模型及功能集成
• 4.6.1 统一模型及存储数据结构
• 4.6.2 功能集成
• 4.7 显示系统智能性与应用
• 4.7.1 显示系统的智能性
• 4.7.2 显示系统的操作
• 5 科学计算可视化系统的应用
• 5.1 动态信号分析仪
• 5.1.1 无纸记录仪
• 5.1.2 记忆示波器
• 5.1.3 频谱分析仪
• 5.2 其它应用
• 6 结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书