[发明专利]一种适用于二维流场的并行流线放置方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于流线的流场并行可视化方法，特别涉及一种适用于二维流场的并行流线放置方法，属于科学计算可视化技术领域。

背景技术

在流体力学和空气动力学等领域，为了分析流体的运动情况，需要对流场进行可视化处理，将不可见的流场模拟数据或者是流场测试数据，转化为可见的流场图像。目前，针对流场可视化，已经发展了多种技术和方法，如流线技术、流面技术、几何图标法、纹理合成法等等。

就二维流场而言，流线是常用的可视化方法之一，因为流线能比较直观地展现流场模式。为此，需要在流场中适当的位置放置适当数量的流线。如果所放置流线太少，将难以形成有效的流场模式；如果流线太多且放置不当，则容易产生视觉混乱的效果。

国内外学者针对二维流场的流线放置问题，提出了很多方法，其中比较典型的有：Turk和Banks提出的由图像引导的流线放置方法(参见G.Turk and D.Banks.Image-guided streamline placement.Proc.ACM SIGGRAPH’96，1996：453-460.)、Jobard和Lefer提出的临近点流线放置策略(参见B.Jobard and W.Lefer.Creating evenly-spaced streamlines of arbitrary density.Proc.8th EG Workshop on Visualization in Scientific Computing.1997(7)：43-56.)、Mebarki等人提出的最远点流线放置策略(参见A.Mebarki，P.Alliez，and O.Devillers.Farthest point seeding for efficient placement of streamlines.Proc.IEEE Visualization’05，2005：479-486.)、Verma等人提出的基于种子点模板的流线放置策略(参见V.Verma，D.Kao，and A.Pang.A flow-guided streamline seeding strategy.Proc.IEEE Visualization’00，2000：163-170.)、张文耀等人提出的一种由拓扑驱动的流线放置方法(张文耀，宁建国.一种拓扑驱动的平面流场流线放置方法，中国专利，CN200910235656.0.)、Wu等人提出的基于流场拓扑的均匀流线放置方法(参见K.Wu，Z.Liu，S.Zhang，and R.J.Moorhead，II，“Topology-aware evenly spaced streamline placement，”IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，vol.16，no.5，pp.791-801，2010.)，等等。

上述这些方法，在技术上各有特色，都能产生比较好的流场可视化效果。但是，这些方法都不适合在并行模式下运行，其原因在于：为了控制流线之间的间隔，在这些方法中，流线都是逐一放置的，任何新放置的流线都必须考虑流场中已有流线的分布情况。

若要并行地放置流线，就只能将整个流场区域划分成不同的子区域，然后在不同的子区域内同时放置流线。在未知流场结构的情况下，一般采取静态划分策略，事先将流场划分为多个规则的子区域(例如矩形区域)，然后为每个子区域指派一个处理器元素(Processor Flement，PE)，由其负责该区域内的流线放置工作，并且不允许流线跨越子区域的边界。在这种情况下，各个处理器元素可以在不同的子区域内并行地放置流线，彼此之间互不干扰，各个子区域内的流线放置结果都是正常的。但是，由于不允许流线跨越子区域边界，在子区域的边界上会出现流线不连续的现象，形成所谓的“伪边界”。图1给出了一个伪边界示例。该示例按照2×2的方式将整个流场划分为4个大小相等子区域，然后在各个子区域内单独放置流线。图1显示了最终的流线放置结果，从中可以看到：各个子区域内的流线分布基本均匀，但是在子区域边界上流线是不连续的，因此可以清晰地察觉到流场区域的划分边界。这些边界并不是流场本身所包含的结构信息，因此将其称为伪边界。伪边界的存在不仅严重影响了流场的可视化效果，还很容易误导分析人员对流场结构的理解。