基于非结构化三角网格的流场可视化研究

FVCOM是一种被广泛应用的非结构化三角网格海洋数值模型,基于非结构化三角网格的海洋流场数据可视化对于分析海流的动态变化规律和研究海洋环境具有重要意义。论文通过分析FVCOM模拟产生的海洋流场数据,根据网格的面积和临界点进行粒子均匀随机化。在AMFCA算法的基础上添加视角像素参数,同时提出根据网格的面积大小采用局部步长进行轨迹计算。论文针对非结构化三角网格提出通过边列表进行点定位方法。在Cesium引擎下,采用基于动态粒子的流场可视化方法,使用WebGL对粒子运动轨迹进行渲染,实现了基于非结构化三角网格的流场可视化应用。现已实现对FVCOM数据进行流畅且准确的流场可视化,可基于本地服务器运行。     

基于流线的流场可视化绘制方法综述

流场可视化是科学计算可视化中一个重要的分支,主要对计算流体动力学的模拟计算结果进行可视化,给研究人员提供视觉上直观可见的图形图像,方便研究人员进行分析.流场可视化的已知技术包括基于几何的方法(如流线和粒子追踪法)以及基于纹理的方法(如LIC、噪声点、IBFV等).流线可视化是流场可视化的一个重要且常用的几何可视化手段.在流线可视化的研究中,流线的放置是整个流线可视化的重点,流线的数目和位置影响了整个可视化效果.当流线放置过多时,会造成视觉的杂乱;而流线放置过少会使流场信息表达不完整,无法传递完整的信息给领域专家.为了实现对科学数据的精确显示,流线可视化产生了两个重要的研究方向:种子点的放置和流线的约减.文中介绍了种子点放置方法和流线的约减方法的相关研究,总结了在2D和3D流场上出现的一些问题和采取的解决方案,并针对日益增长的科学数据,提出流线可视化下一步需要解决的问题.     

基于信息熵种子点选取的流线可视化

有效的种子点选取方法是影响流线分布洞悉流场特性的关键。在保持流场变化规律与重要特征准确描述前提下,为了解决由过多流线所导致的遮挡与杂乱问题,提出了基于贪婪策略和蒙特卡洛的两种种子点选取方法。基于贪婪策略的种子点选取方法通过流场信息熵的计算,对流场中的关键特征具有高度敏感性。基于蒙特卡洛种子点选取方法根据均匀随机分布函数生成输入,基于信息熵计算输入点影响半径确定流线分布。通过多个数据集对两种选取方法实验,结果表明基于贪婪策略选取方法可高效捕获流场的关键特征,基于蒙特卡洛方法选取流线更加均匀,保持了流场全局变化规律,两种方法的结合得到更优化的流场可视化效果。     

基于聚类的二维向量场可视化

已有的二维流场可视化中,鞍点等临界点是最重要的特征之一.文中从一个新的角度提出一种基于流线聚类的二维向量场可视化方法.首先生成采样流线集合,然后将流线聚类,最后引入共轭法向量场和流线密度矩阵对同一个类的流线进行加速排序.在此基础上,提出3种可视化应用:抽取每一类的代表流线进行向量场的流线简洁表达;根据流线之间距离进行多分辨率均匀流线表达;生成权值图,增强基于纹理的向量场可视化.实验结果表明,该方法具有良好的鲁棒性,可视化效果优于已有的方法.     

三维流场的流线提取算法

为了有效地解决三维流场可视化中由于播种流线所产生的众所周知的遮挡和杂乱问题,呈现出清晰的流场模式与流场的重要特征,提出一种基于迭代最邻近点(ICP)与K均值聚类的流线提取算法.首先利用ICP算法实现流线间轮廓特征上的配准,并根据几何相似性进行排序;然后利用K均值聚类算法对流线分组;最后根据用户指定密度约简多余相似性流线,并以此结果重构矢量场来评价文中算法的精确度.将文中算法应用到多个数据集进行实验并与已有的流线分布的最新算法进行比较,结果表明,该算法能更有效地反映流场的关键特性,大大提高了三维流场数据集的可读性.     

一种基于特征信息种子点选取的多层次流线可视化

流线是流场可视化的一种重要的方法,而种子点的选取是生成流线一个关键问题.为此,提出一种新的流线种子点放置算法,将信息熵和临界点有机地结合起来,用信息熵找出流场变化剧烈的区域,然后利用临界点的拓扑结构信息对局部区域的种子点放置做精细控制,从而不仅能够覆盖流场中变化剧烈的区域,而且考虑了流场的拓扑结构特征,可以更加有效地可视化流场中的信息.为了使全局和局部区域的流场都高精度显示,设计了基于图像空间的交互操作,对于流场的全局展示,利用改进的算法放置种子点,在流场的宏观显示上能够尽可能多地绘制出流场信息,对于局部细节根据文中设计的交互形式,只针对用户放大的局部进行高清晰绘制,这样既可以对全局采用适度的流线高清晰显示流场整体情况而无视觉混乱,而放大到局部时又有足够多的流线刻画局部流场的细节特征.实验结果证明了算法的有效性.     

基于多视图聚类算法的三维流场关键点附近的流线筛选EI北大核心CSCD

在关键点周围进行流线可视化时,流场特征复杂多样以及流线之间可能存在共点或对称性等情况,可能导致常规的基于几何或相似性的筛选方法失效.为此,提出了基于数据驱动思想的关键点周围的流线筛选方法MvCcp,它是基于多视图聚类算法的流线筛选方法,通过对流场进行不同粒度的体素化,生成流线的位置视图和基于距离场直方图的特征视图数据,并通过多视图聚类算法进行流线筛选.针对HalfCylinder等6个典型的关键点周围的三维流场,与其他3种典型的流线筛选方法进行了定性可视化比较,并基于MSE,PSNR,SSIM,AAD等定量指标进行对比实验表明,MvCcp在所有实验中具有更出色和更稳定的表现.     

一种基于网格框架下改进的多密度SNN聚类算法

针对数据集中数据分布密度不均匀以及存在噪声点,噪声点容易导致样本聚类时产生较大的偏差问题,提出一种基于网络框架下改进的多密度SNN聚类算法。网格化递归划分数据空间成密度不同的网格,对高密度网格单元作为类簇中心,利用网格相对密度差检测出在簇边界网格中包含噪声点;使用改进的SNN聚类算法计算边界网格内样本数据点的局部密度,通过数据密度特征分布对噪声点进行类簇分配,从而提高聚类算法的鲁棒性。在UCI高维的数据集上的实验结果表明,与传统的算法相比,该算法通过网格划分数据空间和局部密度峰值进行样本类簇分配,有效地平衡聚类效果和时间性能。     

基于加权随机采样的流场可视化方法

在总结流场可视化方法的基础上,分析流场可视化的关键技术,提出一种基于加权随机采样的流场可视化方法。利用屏幕空间四叉树分割法定义屏幕横纵坐标的种子点选择概率模型,对种子点的随机选择进行加权引导,利用HTML5的Canvas特性实现流线的动态绘制,结合粒子系统实现流线的内存管理,整合一套有效的流场可视化方法。对比实验和三维GIS平台上的整合应用结果表明,该方法在有效展示整体流场的同时能够实现LOD方式的流场细节可视化展示。     

一种基于改进的密度聚类的区域数据可视化方法

目前的可视化应用不管动态还是静态可视化,已经存在二维图形展示和点密度展示几种形式,而点密度已经成为作为体现密度特征的最有力手段。但目前的一般手段都只是简单的在特定区域内实现随即点的输出。由于数据本身的密度属性与其所属区域存在内在属性关联,本文在前期通过密度处理分析进行聚类,将数据集进行归类划分后在对应区域进行判断输出实现可视化,实验证明具有更符合区域特征的可视化效果,并且时间和空间复杂度明显小于直接进行点密度可视化输出的算法。     

Hierarchical streamline bundles

Effective 3D streamline placement and visualization play an essential role in many science and engineering disciplines. The main challenge for effective streamline visualization lies in seed placement, i.e., where to drop seeds and how many seeds should be placed. Seeding too many or too few streamlines may not reveal flow features and patterns either because it easily leads to visual clutter in rendering or it conveys little information about the flow field. Not only does the number of streamlines placed matter, their spatial relationships also play a key role in understanding the flow field. Therefore, effective flow visualization requires the streamlines to be placed in the right place and in the right amount. This paper introduces hierarchical streamline bundles, a novel approach to simplifying and visualizing 3D flow fields defined on regular grids. By placing seeds and generating streamlines according to flow saliency, we produce a set of streamlines that captures important flow features near critical points without enforcing the dense seeding condition. We group spatially neighboring and geometrically similar streamlines to construct a hierarchy from which we extract streamline bundles at different levels of detail. Streamline bundles highlight multiscale flow features and patterns through clustered yet not cluttered display. This selective visualization strategy effectively reduces visual clutter while accentuating visual foci, and therefore is able to convey the desired insight into the flow data.     

FIRST: a flexible and interactive resampling tool for CFD simulation data

We introduce a flexible, variable resolution tool for interactive resampling of computational fluid dynamics (CFD) simulation data on versatile grids. The tool and coupled algorithm afford users precise control of glyph placement during vector field visualization via six interactive degrees of freedom. Other important characteristics of this method include: (1) an algorithm that resamples any unstructured grid onto any structured grid, (2) handles changes to underlying topology and geometry, (3) handles unstructured grids with holes and discontinuities, (4) does not rely on any pre-processing of the data, and (5) processes large numbers of unstructured grid cells efficiently. We believe this tool to be a valuable asset in the engineer's pursuit of understanding and visualizing the underlying flow field in CFD simulation results.     

基于拓扑法的与时间相关二维矢量场的可视化

分析与时间相关二维矢量场可视化的拓扑法,并针对其在检测封闭流线时依赖网格以及不能对封闭流线精确定位的问题,进行改进。通过运用特征流场对临界点跟踪以及鞍状连接符对流面积分,提出一种检测封闭流线的方法。该方法不依赖于网格,解决了封闭流线精确定位的问题。实验结果表明本文提出的算法为与参数相关二维矢量场可视化提供一个基本框架。     

矢量场可视化线积分卷积方法研究与系统设计

随着矢量场数据规模的增加,不论是采用流线还是基于LIC技术绘制流场,其绘制速度都是评价其性能的重要指标,此外由于流线数量增加,流线会在临界点附近产生长流线汇聚问题,导致视觉混乱,冗余计算过多等问题。为了解决上述问题,提出了改进的平坦种子生成策略和FSeedLIC算法,设计并实现了矢量场可视化系统。通过实验表明采用改进的平坦种子生成策略的流线生成算法其加速效果平均能达到70%,产生的流线更加均匀,解决了长流线在密集区域汇聚的问题;FSeedLIC算法相对LIC算法在得到相同的可视化效果的条件下,其加速比平均在60%以上。     

Efficient Generation of High-Quality Unstructured Surface and Volume Grids

Procedures are presented for efficient generation of high-quality unstructured surface and volume grids. The overall procedure is based on the well proven Advancing Front/Local-Reconnection (AFLR) method. The AFLR triangular/tetrahedral grid generation procedure is a combination of automatic point creation, advancing type ideal point placement, and connectivity optimization schemes. A valid grid is maintained throughout the grid generation process. This provides a framework for implementing efficient local search operations using a simple data structure. It also provides a means for smoothly distributing the desired point spacing in the field using a point distribution function. This function is propagated through the field by interpolation from the boundary point spacing or by specified growth normal to the boundaries. Points are generated using either advancing- front type point placement for isotropic elements, advancing-point type point placement for isotropic right angle elements, or advancing-normal type point placement for high-aspect-ratio elements. The connectivity for new points is initially obtained by direct subdivision of the elements that contain them. Local-reconnection with a min-max type (minimize the maximum angle) type criterion is then used to optimize the connectivity. The overall procedure is applied repetitively until a complete field grid is obtained. An advancing-normal procedure is coupled with AFLR for anisotropic tetrahedral and pentahedral element grids. Advancing along prescribed normals from solid boundaries generates layers of anisotropic elements. The points are generated such that either pentahedral or tetrahedral elements with an implied connectivity can be directly recovered. The AFLR surface grid procedure uses an approximate physical space grid to define the surface during grid generation. The mapped space coordinates are mapped back to the actual surface at completion. Multiple surface definition patches are grouped into a single surface. A global mapping transformation is generated for the single surface using the grouped surface connectivity. The mapping coordinates are obtained by solving a coupled set of Laplacian equations. The overall procedure has been applied to a wide variety of configurations. Selected results are presented which demonstrate that high-quality unstructured grids can be efficiently and consistently generated for complex configurations.     

地下水渗流场可视化方法与应用研究

渗流场是反映地下水位与运移时空动态特征的有效形式,水位红线是对地下水开采严格管控的重要指标。从地下水渗流的流线绘制、流速计算、流场种子点与终止点选择、流线追踪4个方面论述了孔隙地下水渗流场可视化算法,设计了一种新的种子点布局方法表征地下水渗流场,采用改进的EULER方法实现流线的可视化表达。并将地下水渗流场空间分异性和水位红线进行融合与叠加分析,基于地下水渗流场从2D的视角揭示地下水的开采强度与超采程度的空间分布特征,自动圈定地下水超限采的区域范围。可为地下水的合理开采方案与地质管理保护措施的制定提供空间辅助决策支持。     

大规模非结构网格上基于PC的流线可视化研究

针对大规模非结构网格,提出了两种基于PC的流线可视化方法：内存映像文件方法（MMFM）和多线程out-of-core方法（MTOM）。利用八叉树空间划分大规模非结构网格,并讨论了数据块的组织结构。MMFM将大规模数据文件映像成虚拟RAM,流线构造与in-core方法类似,利用空间分块组织数据,减少缺页请求。MTOM利用多线程技术实现out-of-core流线构造,使得CPU和I／O重叠,隐藏时延,在多CPU上还可并行处理。测试结果表明,MMFM,MTOM都可利用较少内存进行大规模非结构网格的流线可视化,取得了较好的性能。     

Evenly Spaced Streamlines for Surfaces: An Image-Based Approach

We introduce a novel, automatic streamline seeding algorithm for vector fields defined on surfaces in 3D space. The algorithm generates evenly spaced streamlines fast, simply and efficiently for any general surface-based vector field. It is general because it handles large, complex, unstructured, adaptive resolution grids with holes and discontinuities, does not require a parametrization, and can generate both sparse and dense representations of the flow. It is efficient because streamlines are only integrated for visible portions of the surface. It is simple because the image-based approach removes the need to perform streamline tracing on a triangular mesh, a process which is complicated at best. And it is fast because it makes effective, balanced use of both the CPU and the GPU. The key to the algorithm's speed, simplicity and efficiency is its image-based seeding strategy. We demonstrate our algorithm on complex, real-world simulation data sets from computational fluid dynamics and compare it with object-space streamline visualizations.     

一种新的平面矢量场可视化方法

矢量场可视化是科学计算可视化的重要组成部分。提出了一种新的平面矢量场可视化方法，该方法利用局部区域内流线的近似平行性，将种子点的影响范围扩大，使一条流线能够覆盖与其平行的相邻的几条流线上的点，同时对流线之间进行调和，使流线间比较平滑。由于该方法一条流线上覆盖了更多的点，提高了计算速度，可达到交互可视化的要求。并将几种方法的结果图象进行了比较。     

表意性方法在三维流线可视化中的 应用综述

流线可视化是流场可视化的重要方法,其能直观地表达流场的结构和流动趋势。但在三维流场使 用流线可视化时,不恰当地绘制方法、选择方法、呈现方式会导致可视化结果表达能力差,用户很难从中高效获 取流动信息。重点对解决该类问题的表意性可视化方法进行了调研,为了全面反映表意性方法在三维流线可视化 中的研究进展,对近十几年国内外具有代表性的论文进行了系统地阐述。首先介绍了表意性可视化方法的相关概 念,然后将视觉感知增强类、可见性管理类和焦点+上下文等表意性方法在三维流线可视化中的应用进行分类阐 述,并讨论了各种方法的优缺点。最后总结分析了表意性方法在三维流线可视化中面临的问题和挑战,并对未来 的研究方向进行了展望。