流线可视化技术的研究与应用

论文摘要

随着流体力学、科学计算可视化、计算机图形学、网络三维游戏等的发展,可视化技术得到了广泛的应用。流线可视化技术是矢量场可视化技术中的一种,主要包括流线的计算与流线的显示。由于它与常用流体实验技术的相似性,流线可视化技术在计算流体力学可视化中被普遍采用,流线可视化技术的研究已经成为可视化研究十分活跃的课题。但是,目前的流线可视化技术在流线构造的速度上,相对较慢;在流线绘制真实感的效果上,还不太理想。本文从流线计算和流线绘制两方面进行了深入研究,旨在开发出一套能够快速地构建流线模型,更加真实地显示三维模型的图形软件,以解决目前流线可视化技术中存在的问题。为了实现这一目标,本文主要做了如下研究工作:其一,在加快流线模型的构造速度上,本文设计了一种新的种子点生成法,即将种子点平面的形状设计成与截面形状一致,并将该方法应用到流线计算的数据组织上。对流线计算中的数值积分的方法做了改进,提出了根据雷诺数选择积分方法的思想。在流线计算点定位的过程中,根据索引查找的思想,提出了分层搜索的点定位方法。其二,在提高模型显示的真实感上,本文设计了一种新的绘制流线的几何图元结构——Streamline Arrow。在该结构的基础上,设计了多变量映射算法,实现了一幅图像的多变量表示。本文在设计实现的三维模型可视化软件平台上对流线的构造速度和流线的绘制结果进行测验,结果表明本文提出的流线计算方法可以减少流线构造过程的计算量,加快流线模型构造的速度,所提出的流线绘制方法能够清晰地描绘三维模型的结构与特征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 流线可视化的研究现状
• 1.2.1 流线的合理布局
• 1.2.2 增强流线的可视化表现能力
• 1.2.3 基于纹理的流线可视化技术
• 1.2.4 对流场中其它信息的可视化表达
• 1.2.5 改进流线可视化算法效率
• 1.2.6 广义的流线可视化研究
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 流线可视化技术的基础
• 2.1 流线可视化处理的数据类型
• 2.1.1 常用的数据类型
• 2.1.2 计算的网格数据类型
• 2.2 流线可视化的参考模型
• 2.2.1 数据预处理
• 2.2.2 可视化映射
• 2.2.3 绘制及显示
• 2.3 本章小结
• 第三章 流线计算的改进
• 3.1 流线的计算流程
• 3.1.1 流线的数学模型
• 3.1.2 流线的生成基本流程
• 3.2 种子点生成算法
• 3.2.1 传统的种子点生成法
• 3.2.2 改进的种子点生成法
• 3.3 流线计算算法的改进
• 3.3.1 数据组织
• 3.3.2 速度插值
• 3.3.3 数值积分
• 3.3.4 点定位
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于几何图元的多变量映射绘制
• 4.1 绘制流线的几何结构设计
• 4.1.1 图元的几何结构
• 4.1.2 数据结构设计
• 4.2 多值映射算法的设计
• 4.2.1 标量与颜色映射的建立
• 4.2.2 交互式多值映射的实现
• 4.3 流线绘制算法的设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 三维模型可视化软件的设计与实现
• 5.1 可视化软件开发的逻辑结构
• 5.2 三维模型可视化软件设计
• 5.2.1 软件功能结构
• 5.2.2 软件功能描述
• 5.3 三维模型可视化软件的实现
• 5.3.1 软件开发环境的搭建
• 5.3.2 三维模型可视化图形界面的实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 流线算法的实验结果分析
• 6.1 流线计算算法的结果分析
• 6.2 流线绘制算法的结果分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 存在的问题及下一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文和参加的科研项目