面向工程与科学计算的分布式可视化系统研究

论文摘要

工程与科学计算中研究人员需要经常性地通过可视数据描述与合作者交流思想,这类数据可能类型多样、规模庞大,且存储在远程介质上。对其进行有效的可视化不能求助于传统的单机模式,而需要研究分布式的可视化软件工具。当前计算机图形硬件能力、计算机网络技术以及可视化技术飞速发展,也为分布式可视化研究提供了必要的技术保障。针对工程与科学计算数据的大规模可视化,本文深入研究了一类分布式可视化原型系统的软件框架和核心算法。软件框架设计方面,针对协同操作的需求,重点关注分布式可视化的协同控制权管理、协同会话重建和可视化过程共享问题。核心算法方面,针对标量场,为实现大规模数据的快速可视化,实现了一类面向非结构化网格的并行元投影体绘制算法;针对矢量场,为清晰地展示特征区域的流体流动结构,实现了一类三维矢量场流动拓扑算法。本文分析三个协同可视化模型,然后提出一个基于命令模式的分布式协阿可视化系统框架。这个框架分成两个部分。一部分是一个分布式可视化子系统,另一部分是一个称为CESCRemoteDI协同部件。通过使用CESCRemoteDI,实现研究人员间的协同可视化操作。针对协同可视化控制权限,本文采用主从模式,实现协同控制权的管理,并且该控制权可以在协同者之间相互传递。通过使用紧凑、智能的控制信息,协同会话的每一步操作都记录在一个文本文件中,这样可以实现远程协同会话重建。该软件框架在协同部件之间要求很小通讯的带宽;并且在协同环境下的响应速度与单机时候的响应速度几乎一样。因此所有的协同者几乎在同时能够看到高精度的、动态的3D场景。如果网络带宽允许,CESCRemoteDI协同部件正常是和桌面视频工具一起使用,否则该协同部件和电话会议工具一起使用。元投影体绘制算法是非结构化网格标量场绘制的典型算法。硬件加速的元投影算法存在显存和带宽的限制,这制约了它在大规模标量场可视化中的应用,因此本文选用了软件扫描的元投影体绘制算法,并通过算法的并行化提高其对大规模数据集的适用性。集成外表面提取及光栅化算法,并构造外表面图像空间坐标的A-Buffer数据结构,解决了非凸几何网格的体绘制问题。为提高并行算法的效率和可扩展性,采用静态轮转算法较好地实现了负载平衡。在网格单元扫描转换和光线段局部合成环节运用异步通讯机制,实现了较好的并行效率。针对CFD流场可视化,本文研究一类基于关键点分类的三维矢量场流动拓扑结构抽取算法,以避免传统矢量场可视化算法（如箭头、流线或流面）画面不清晰或控制参数（如流线或流面的初始点位置）严重依赖用户经验的缺陷。引入类似FAST的关键点分类机制,本文算法可根据用户需求自动确定流场的关键点;并通过跟踪关键点附近的流线,可清晰地展示关键区域流体流动特征。针对非滑移边界问题,本文算法能通过分析流场边界的表面摩擦场的拓扑,展示绕壁面流体的流动结构。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和动机
• 1.2 研究的内容和主要贡献
• 1.3 论文结构
• 1.4 基金资助
• 第2章 研究综述
• 2.1 Applegate的地点-时间模型
• 2.2 协同可视化系统框架的分层模型
• 2.3 可视化系统和框架
• 2.3.1 可视化系统
• 2.3.2 分布式协同可视化的赋能技术
• 2.3.3 Web服务和网格服务
• 2.3.4 协同可视化项目
• 2.4 体绘制研究进展
• 2.4.1 图像空间扫描的体绘制技术
• 2.4.2 对象空间扫描的体绘制技术
• 2.4.3 并行体系结构的体绘制技术
• 2.4.4 非结构化网格的体绘制技术
• 2.5 基于拓扑的流动可视化研究进展
• 2.5.1 二维稳态的矢量场拓扑研究进展
• 2.5.2 二维非稳态的矢量场拓扑研究进展
• 2.5.3 2.5D稳态的矢量场拓扑研究进展
• 2.5.4 三维稳态的矢量场拓扑研究进展
• 2.5.5 三维非稳态的矢量场拓扑研究进展
• 第3章 协同可视化-描述性的原理
• 3.1 什么是协同
• 3.1.1 通讯（Communication）
• 3.1.2 地理位置（Location）
• 3.1.3 同步（Synchronicity）
• 3.1.4 持续性（Persistence）
• 3.1.5 控制（Control）
• 3.2 什么是科学协同
• 3.3 什么是协同科学可视化
• 3.4 谁与谁协同
• 3.4.1 资助机构
• 3.4.2 其它领域的研究者
• 3.4.3 可视化专家
• 3.4.4 技术文档写作者
• 3.4.5 研究团队
• 3.4.6 项目管理者
• 3.5 什么时候发生协同
• 3.6 研究者们在哪儿协同
• 3.6.1 本地协同
• 3.6.2 远程协同
• 3.7 研究者们怎么样协同
• 3.7.1 科学家做什么
• 3.7.2 科学家怎么样进行通讯
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于命令模式的分布式协同可视化框架
• 4.1 分布式可视化模型和功能（软件）分布
• 4.1.1 分布式可视化系统的分类
• 4.1.2 可视化系统的结构
• 4.1.3 客户端和服务器功能分布
• 4.2 协同可视化模型
• 4.3 基于命令模式的分布式协同可视化框架
• 4.3.1 协同工作的五个因素
• 4.3.2 CESC-DICOVIS系统的分布式可视化子框架
• 4.3.3 CESC-DICOVIS系统的协同框架
• 4.4 本章小节
• 第5章 软件扫描的高精度元投影算法及其并行化
• 5.1 软件扫描的元投影体绘制算法
• 5.1.1 可见性排序
• 5.1.2 标准的中心扫描线算法
• 5.1.3 偏预积分方法
• 5.2 并行软件扫描的元投影算法
• 5.2.1 确定体网格外表面
• 5.2.2 体数据分布策略
• 5.2.3 构造并行k-d树
• 5.2.4 构造A-Buffer数据结构
• 5.2.5 异步通讯的任务管理器
• 5.2.6 图像合成
• 5.3 实验测试结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 三维矢量场的流动拓扑结构抽取
• 6.1 关键点分类
• 6.2 三维矢量场的拓扑特征抽取算法的实现
• 6.2.1 转换V到计算空间
• 6.2.2 非滑移边界条件
• 6.2.3 搜索候选网格单元
• 6.2.4 确定关键点
• 6.2.5 分类关键点
• 6.2.6 选择关键点积分流线
• 6.2.7 绘制显示流动拓扑
• 6.3 实验测试结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 全文总结
• 7.1 结论
• 7.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 个人简历