基于三维标量场拓扑分析的特征可视化 ——海洋特征结构的提取研究

论文摘要

计算机图形学中,三维标量场一直是可视化研究的重要应用领域,面对标量场中庞大的数据集,无论是科学研究还是经济需要,特征可视化都成为一个活跃的研究方向,三维标量场的拓扑分析方法一直是该领域的研究焦点,越来越受到大家的青睐。特征可视化是90年代提出并迅速发展的一种全新思路的可视化方法。这类“有选择”的可视化方法,通过对场中有意义部分即“特征”进行重点可视化,可以滤除无关数据,极大降低信息的处理量,甚至获得被抽取特征的量化描述。其中,特征提取是特征可视化方法的主要任务,也是特征跟踪及事件检测的首要步骤。它的目标是测定、量化和描述一个数据集中的特征,可分为基于图像处理的特征提取、基于拓扑分析的特征提取等等。水团分析是海洋学研究上的重要课题,寻求一个能客观、准确、自动、高效,有严谨理论背景的划分海洋水团的途径一直是海洋学上一个值得探索的问题。应用特征可视化技术于海洋学研究在中国尚不多见。本文试图将这一技术引入物理海洋学领域,针对庞大复杂的海洋数据流场,利用三维标量场的拓扑分析方法,对海洋目标水团进行提取,达到特征可视化的目的。本文结合Morse理论对流形构造Morse-Smale复形,从而实现区域内水团的自动划分,并通过对复形上一系列临界点对的删除对初始水团进行合并处理。该方法具有严谨的理论背景,可以准确、自动、客观地产生水团边界。且摆脱了以往人工定义及绘制边界时难以避免的随意性,使水团划分结果更可信,准确度更高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 可视化技术简介
• 1.1.1 可视化技术的分类及其应用
• 1.1.2 可视化技术的发展和国内外研究现状
• 1.2 主要工作与论文结构
• 1.2.1 研究范围
• 1.2.2 本文的主要工作
• 1.2.3 论文组织结构
• 第二章 可视化研究方法分析
• 2.1 科学计算可视化技术
• 2.2 特征可视化方法
• 2.2.1 特征
• 2.2.2 特征可视化的基本方法
• 2.3 向量场拓扑结构分析算法
• 2.3.1 向量场中临界点位置的计算
• 2.3.2 对临界点进行分类
• 2.3.3 绘制积分曲线
• 2.4 本章小结
• 第三章 海洋水团的划分和可视化方法
• 3.1 海洋水团及水团分析
• 3.1.1 海洋水团的定义
• 3.1.2 水团的核心
• 3.1.3 水团的边界和混合区
• 3.1.4 水团分析方法
• 3.2 散乱体数据可视化方法
• 3.2.1 海洋调查数据的表示
• 3.2.2 散乱体数据建模原理
• 3.2.3 散乱体建模方法
• 3.3 可视化水团及温、盐度场分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于MORSE-SMALE 分解的海洋水团划分方法
• 4.1 相关概念及理论
• 4.1.1 Morse 理论
• 4.1.2 多维转换函数与水团特征函数构造原理
• 4.2 思路与步骤
• 4.3 读取海洋调查数据
• 4.4 可视化建模
• 4.5 构造水团特征函数
• 4.6 利用MORSE-SMALE 分解方法实现水团初始划分
• 4.7 水团合并算法
• 4.7.1 鞍-极值临界点对的删除算法
• 4.7.2 鞍-鞍临界点对的删除算法
• 4.8 水团边界的微调及核心区与混合区的确定
• 4.8.1 水团边界的微调
• 4.8.2 核心区和混合区的确定
• 4.9 实验结果分析
• 第五章 结论与未来工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文