一种适用于二维流场的并行流线放置方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于二维流场的并行流线放置方法，对于给定的二维流场，将流场中由流线、速度为零的临界点或流场边界所包围的封闭区域定义为流场的虚拟拓扑区域VTA，另外设置一个覆盖整个流场的正交控制网格，为每个网格单元设置一个记录流线数目的计数器。将整个流场的定义域当作一个初始VTA，在该VTA内选取一个种子点，计算得到一条流线，将该流线放置到该VTA内，并更新相关网格单元的流线计数值；在一个VTA内放置的流线将把该VTA分割成一个或者是两个新的VTA，按照同样的处理策略在新的VTA内并行地放置流线。本发明专利技术有效地加速了流线放置过程，不存在伪边界和视觉混乱问题，保证了流线放置质量，适于大规模流场的可视化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于流线的流场并行可视化方法，特别涉及，属于科学计算可视化

技术介绍
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. AlIiez，and 0. 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勻流线放置方法(参见K. ffu, 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, ΡΕ)，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2X2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勻，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。一种消除伪边界的方法是，允许流线从一个子区域延伸到另一个子区域。在这种情况下，各个子区域之间的流线放置工作是耦合在一起的，必须在各个子区域之间进行流线通信；同时为了有效控制流线之间的间隔，还需要在各个子区域之间进行复杂的同步控制。流线通信和同步控制不仅增加了系统开销，还会使系统的并行性能严重下降。如果不采取同步控制机制，让流线在各个子区域之间任意延伸，则会因为流线分布不均而产生视觉混乱的效果。图2给出了一个出现视觉混乱效果的示例。该图所采用的测试流场以及流场区域的划分方式都与图1相同，不同之处在于图2允许流线从一个子区域延伸到别的子区域。其结果是图2没有出现图1所示的伪边界；但是图2的流线间隔差异很大，有的区域很多流线聚集在一起，有的区域则没有填充足够的流线，从而产生视觉混乱效果。这对于流线放置问题是难以接受的。由于上述原因，目前还未见明确提出的、切实可行的并行流线放置方法。在并行计算平台日益普及的情况下，发展并行流线放置方法，不仅可以利用并行计算资源来加速流场可视化过程，提高流场可视化效率，还可以使大规模流场的可视化处理更为容易。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，在满足流线放置基本均勻的前提下，通过并行处理加速流线放置过程，提高基于流线的流场可视化效率。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤步骤1、对于给定的二维平面流场，构造一个刚好覆盖该流场定义域的正交控制网格，网格单元的大小根据实际应用需求设定；为每个网格单元设置一个计数器，记录每个网格单元所包含的流线数目，同时设定计数器的计数上限值，该上限值为一个大于或等于1 的正整数；初始时刻每个网格单元都是空白的，相应计数器的计数值为0，如果某个网格单元的计数器值不为0，则表示该网格单元是非空的；步骤2、将流场中由流线、速度为零的临界点或流场边界所包围的、任意形状和大小的封闭区域定义为虚拟拓扑区域VTA(Virtual Topological Area)，将整个流场定义域看作一个初始VTA，用该VTA所包含的空白网格单元来描述表示这一 VTA，具体方法是用正交控制网格在初始时刻的所有网格单元来描述该VTA ；在理论上，VTA的形状和大小可以是任意的，但是按照这种描述方法，一个有效的 VTA应该至少包含一个空白网格单元。如果某个VTA不包含任何空白网格单元，则认为该 VTA是无效的，不在其中放置任何流线。另外，按照任意两条流线在临界点之外都不相交的性质，可知在一个VTA内放置的流线不会延伸到另外一个VTA内，因此VTA之间的流线放置工作可以互不影响。5步骤3、启动一个处理器元素，将步骤2中的初始VTA指派给该处理器元素，由该处理器元素执行步骤4-12，完成该VTA内的流线放置以及相关处理工作；这里的处理器元素是指逻辑上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张文耀，宁建国，王义，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：