基于物理特征的海洋流场可视化技术分析

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1、基于物理特征的海洋流场可视化技术研究0引言O．1课题的提出目前科学计算可视化已经成为当前计算机学科的一个重要研究方向，它融合了计算机技术的多个分支，如图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉、数据管理、人机界面等，并已经广泛应用于自然科学领域的各个方面，同时在工程技术领域也得到了有效的应用。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。科学计算可视化的产生丰富了信息交流的手段，摆脱了前期借助于正文、数值量和平面静态图形作为信息媒介的现状，为一些很难用文字或数值量表达的

2、现状(如DNA分子结构、飞行仿真实验、液体仿真、人脑结构等)提供了一种基于视觉信息的信息交流方式，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。常用的矢量场可视化的方法有很多，如点图标法、流线表示法、基于纹理的线积分卷积、特征可视化等。以场线为代表的线表示方式能够很好的揭示流场的走向，是实现流带、流管、流面等表示方法以及粒子动画的基础，因此对这种方法

3、的研究一直是一个热点。但流线可视化的效果在很大程度上依赖于种子点的选取，因此对于流线的研究，种子点的选取和流线的布局是个关键问题。目前矢量场可视化技术多用拓扑分析方法，该方法能很好地揭示流场的特征，但计算量较大。流场的物理特征也能从另一个角度揭示流场的某些拓扑结构，并且计算量相对小些，因此本文研究了基于物理特征的矢量场可视化方法，并针对海洋数据进行了实现。O．2论文的结构论文的第一章对科学计算可视化的产生、发展做了较为详细的综述，并阐述基于物理特缝的海洋流场霹援化技术觋究了矢量场可视化的提出及发展趋势。论文的第二章简要描述了矢量场可视化的

4、步骤及墓靛的矢量场可视仡方法，对每种方法作了简要描述及分析比较。论文的第三章重点研究了用流线实现矢量场可视化方法及相关技术，涉及到LIC算法、矢量场拓扑结构分析、局部流线的构造技术、种子点布局及流线密度控制、流线表现能力的增强等技术。论文的第四章提出了基予物理特征的可视化方法，对于流场的物理特征的计算及意义作了详细说明，并针对各种物理特征实现了扇流线表示的可视化。论文最后一章对需面的工作进行了分析和总结，提出了今后需要改进之处，并对下一步将开展的工作进行了展望。0．3论文的创新点本文的主要贡献及创新点如下：(1)对矢量场可视化技术的步骤及

5、映射方法进行了较为详细的综述。(2)对基于流线表示的可视化相关技术进行了全面研究，并重点研究了种子点的布局方案，在流线布局上添加了与区域速度相关的密度因素。．(3)提出了基于物理特征的流场可视化方法，并针对具体海洋数据进行了实现。2基于物理特征的海洋流场可视化技术研究1科学计算可视化概述1．1科学计算可视化的提出科学计算可视化(VisualizationinScientificComputing)【1捌是发达国家在20世纪80年代后期提出的一个新的研究领域，它的形成是当代科学技术飞速发展的结果。该术语正式出现在1987年2月美国国家科学基

6、金会召开的一个研讨会上。研讨会的总报告给出了科学计算可视化的定义，覆盖的领域以及近期与长期的研究方向。此后，美国和欧洲相继开始支持可视化研究项目。1990年起，美国IEEE计算机学会计算机图形学技术委员会开始举办一年一度的可视化国际学术会议，这标志着“科学计算可视化’’作为一个学科已经成熟。进入80年代以后，科学数据的大量产生与缺乏有效地解释这些数据手段的矛盾日益尖锐，因此出现了一方面不断产生新数据，另一方面因无法及时解释和利用这些数据，而只能把海量的科学数据存储起来，形成浪费的局面。随着科学技术的进步，这些海量的科学数据源本身生成数据的

7、能力还在不断增强，这使得科学计算数据的可视化及计算过程的交互干预与引导日益成为迫切需要解决的问题，另一方面，由于近年来计算机计算能力迅速提高，内存容量、磁盘空间不断扩大，网络功能增强，许多重要的图形生成及图像处理算法均可用硬件实现，运用计算机图形学及图像处理技术形象直观地显示科学计算的中间结果及最终结果并进行交互处理已经成为可能。科学计算可视化首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出并形成的。当前大容量科学数据源主要有：超级计算机、卫星发回的地球资源、军事侦察、气象数据、宇宙飞船发回的数据、射电天文望远镜、地球物理监测数据、医学扫

8、描图像等。随着科学技术的进步，这些海量数据源本身生成数据的能力还在不断增加，人类面对如此海量的数值数据是无法及时处理的，这样就造成了很多高价产生的数据被浪费掉了。其次，科学计算可视化是为了解决