计算流场典型特征描述、提取与纹理可视化方法

本项目针对目前计算流场可视化领域存在的三维复杂流动特征缺乏统一的特征描述与提取理论方法、已有的三维流场特征纹理可视化存在遮挡和混乱、难以满足对复杂流动现象可视化分析需求等问题。研究基于模糊理论的三维复杂流动结构特征模糊描述理论与方法，建立复杂流场漩涡、激波、湍流等典型特征的统一描述理论体系；基于流动结构描述理论，研究形式语义方法，设计典型流场特征的提取方法。结合纹理可视化特点，研究特征驱动的稀疏纹理绘制、多分辨率平流纹理绘制算法，提出适合流动结构纹理可视分析的真实感和非真实感融合光照模型；设计并实现一个基于模糊特征描述的流场特征高效纹理可视化软件原型系统，验证研究理论、方法与技术的有效性和实用性。本项目的研究成果将有力推动三维复杂流动特征纹理可视化技术发展，为开发我国新一代计算流场可视化平台提供有效支撑，具有十分重要的理论意义和应用价值。

流场可视化是可视化领域研究的重要方向之一。目前已有的复杂流场特征描述理论与提取方法仍存在通用性和扩展性较差，并且可视化绘制精度低和交互分析弱等问题。针对存在的问题，对流场特征描述、提取、可视化及交互式可视分析进行了深入研究。取得的研究成果包括如下几个方面：. 1、针对复杂流场特征精确描述与提取困难问题，采用模糊理论对流场典型特征区域进行了统一描述，提出了一种基于模糊理论的流场特征区域提取算法。理论分析和实验表明该算法在最小平方和准则下是对流场区域的最优模糊划分，并具有良好的划分性质。针对传统的菜单式交互方式和确定的特征提取算法难以保证对复杂流场特征所具有的不确定性进行有效描述问题，在此基础上，提出了一种模糊特征描述语言和基于该语言的交互式模糊特征提取算法。. 2、针对流场纹理可视化方法面临的遮挡问题，提出了一种基于流场特征模糊提取的自适应稀疏纹理绘制方法。同时为提高稀疏纹理的方向感，提出了两种冷暖光照方法。实验表明，通过生成与流场特征重要性成正比的LIC卷积纹理，能有效改善流场的遮挡现象。. 3、针对已有体可视化交互方法缺乏直观性以及效率不高问题，提出一种直观高效的直接体过滤交互体绘制方法。该方法适用于体可视化方法和转换函数设计。采用基于草图的交互界面，提供了支持RGBA 四个通道分通道直接编辑的转换函数编辑器，支持自然直接的数据分析和编辑操作，可以根据用户需要突出显示所关注特征，编辑的结果基于所见即所得模式。. 4、提出了GPU-pair 的图像合成开销模型，该模型建立了GPU 间读写性能差异的数学关系，为进一步减少合成通信开销奠定了理论基础。实验表明，在4 个GPU 的系统上且分辨率为2048x2048 的情况下，设计实现的图像合成过程耗时仅需5ms，比传统消息传递合成方法性能提高1 倍以上。. 5、基于THCPVS可视化系统设计实现了特征检测与纹理可视化模块。系统验证了上述主要研究成果的有效性、先进性与实用性。