基于VTK的三维流场可视化算法设计与实现

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1、硕士学位论文基于VTK的三维流场可视化算法设计与实现DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHE3DFLOWFIELDVISUALIZATIONALGORITHMSBASEDONVTK徐志敬哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP399学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学硕士学位论文基于VTK的三维流场可视化算法设计与实现硕士研究生:徐志敬导师:丛明煜教授申请学位:工学硕士学科:光学工程所在单位:航天学院答辩日期:2018年6月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP399U.D.C:620Dissertationforth

2、eMasterDegreeofEngineeringDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHE3DFLOWFIELDVISUALIZATIONALGORITHMSBASEDONVTKCandidate:XuZhijingSupervisor:Prof.CongMingyuAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:OpticalEngineeringAffiliation:SchoolofAstronauticDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Instituti

3、on:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着计算机技术的发展，数值模拟与仿真已遍及科学研究和工业生产等领域，并且由于人们对仿真精度的要求日益提高，模拟仿真出的数据量也越来越大，那么为了能够从海量数据中快速准确地获取有用信息并观察其中规律，则有赖于数据可视化。数据可视化已广泛应用于流体动力学研究、生物医学、工业生产等领域。其中，计算流体动力学在航天、航空、航海以及汽车船舶制造业中具有十分重要的意义，而且三维流场可视化能够为流场的动力学特性、热力学特性以及运动规律的观测与掌握提供途径。所以，三维流场可视化已成为数据可视化领域的一个重要研究

4、方向。三维流场可视化的本质是以图形、图像的方式将流场的几何结构以及流场属性进行显示。那么，在目前国内外推出的可视化软件与工具中，VTK（VisualizationToolKit）可视化工具包具有功能强大，开发周期短，支持多种编程语言且开发平台适应性强等特点，被许多科研机构以及可视化软件开发公司广泛应用。所以本文选择基于VTK设计并实现三维流场可视化算法。本文通过研究VTK的类库组成与开发方法，以及所支持的数据类型和可视化管线搭建流程，主要完成了以下三部分内容：(1)实现对多种文件类型的输入输出以及转换；实现了Tecplot数据文件向VTK文件转换的程序编写与封装，扩展了VTK的文件读入类

5、库。(2)设计并实现了针对结构化网格组织形式的三维数据的可视化算法，包括数据探测、等值线与等值面提取、数据切割与颜色映射、矢量数据的符号化显示等模块。(3)通过对体绘制经典算法的研究，建立起基于图像数据类型的三维流场体绘制模型和基于非结构化网格数据类型的三维流场体绘制模型，并在两种体绘制模型的基础上，分别都采用了光线投射算法和纹理映射算法实现了体绘制，并且对体绘制效果进行了分析，将广泛用于医学领域的体绘制可视化方法应用到三维流场可视化中，为流场内部的信息挖掘提供了方法。本文基于VTK设计实现了针对结构化网格数据类型的三维流场多种可视化方法，旨在实现对三维流场属性信息的充分挖掘，从而方便科

6、研人员从可视化图像中提取流场特征，把握流场规律，从而做出准确判断。关键词：三维流场可视化；VTK；可视化算法设计；三维流场体绘制-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofcomputertechnology,numericalsimulationhasbeenusedintheareasofscientificresearchandindustrialproduction.Besides,thehighsimulationprecisionwhichcreatesgreatamountsofdatamakesitimportantforr

7、esearcherstousedatavisualizationmethodstoobtainusefulinformationandflowfieldmovementlawsquicklyandaccuratelyfromthemassdata.Datavisualizationhasbeenwidelyusedinfluiddynamicsstudy,biomedicalresearch,industrialproduction