Title
大规模数值模拟数据可视化
Unit Name
单桂华
中科院计算机网络信息中心Date 中科院超级计算中心20142014--4-18
大纲
☐数值模拟数据可视化基本方法大规模数据视化
☐大规模数据可视化
数值模拟（高性能计算、科学计算）
☐数值模拟
–借助于超级计算机求解科学
与工程问题
☐应用
天文地理气候石油勘
–天文、地理、气候、石油勘
探、能源、交通、材料、生
物、药物设计。
物药物设计
数值模拟数据可视化 数据可视化
数值模拟可视化与科学可视化
☐科学可视化（Scientific Visualization ）
–
1986.10正式提出（Visualization in Scientific Computing ）
–1990 IEEE VIS 独立学科
–三大会议✓IEEEVISWeek 、IEEE EuroVis 、IEEE PacificVis
IEEE VIS IEEE VIS
IEEE VIS IEEE InfoVis IEEE InfoVis IEEE VAST 199019952006
‐数值模拟数据可视化流程
几何显示
绘制数据
映射处理数据？
分析驱动的可视化图像感知
交互
数据可视化
参数设置
认知
数据来源数值模拟
‐
☐数据特征
–网格
均匀网格正交网格曲线网格无结构网格离
✓均匀网格、正交网格、曲线网格、无结构网格、离
散点
–多变量
✓标量场‐温度、压力、质量、密度…
矢场
✓矢量场‐速度…
–时序
✓多个时刻
可视化基本方法二维标量场
‐
☐伪颜色映射
☐等值线
☐高度映射
可视化基本方法三维标量场
‐
☐等值面
☐体绘制
等值面
Cube
Marching
–对所有体素逐一进行处理，将体素各顶点的数据值与
给定的阈值进行比较，确定等值面与该体素的相交情
给定的阈值进行比较确定等值面与该体素的相交情
况，计算交点，并连成三角形，所有体素中的三角形
集合组成了整个等值面
乙肝病毒等值面可视化
Isovalue=20
Isovalue=28
Isovalue=40
体绘制
以体素为基本造型单元，直接将数据进行整体合成，研究光线穿越半透明物质时能量集聚的光学原理，进行色彩合成的成像操作，得到物体的半透明二维图像
体绘制
特点
–绘制体数据不提取任何几何表示
将标值直接映射为光学性（颜色和透–将标量值直接映射为光学属性（即颜色和不透
明度）
–光学模型
–求解体绘制积分
‐体绘制传输函数
将体数据分类
–哪部分可见（不透明度）以什么颜色见（颜色）–
以什么颜色可见（颜色）
Emission RGB
Transfer
function
Scalar S
Absorption A
光学模型与积分
☐Blinn ‐Phong 法向g 光照模型
光源方向L
N
视线方向
H=
L+V
|L+V|
[]n
s TF d a H N K C L N k k c )
()(⋅+⋅⋅+=V
环境光漫反射镜面反射+→体素颜色
环境光、漫反射、镜面反射
传输函数光照体素颜发射和吸收模型
光学模型与积分
☐Blinn ‐Phong 法向g 光照模型
[]n
s TF d a H N K C L N k k c )
()(⋅+⋅⋅+=光源方向L
N
视线方向H=
L+V
|L+V|
V
环境光漫反射镜面反射∑-=∆1
1
/i s L 积分
环境光、漫反射、镜面反射
[]
∏==∆-∆∆=
)(1)()(),(j i s j a s i a s i C r x I 从前往后i ：1→L /s
∆or
1
111)1)((,)1)(()(----+-∆=+-∆∆=i i i i i i A A s i a A C A s i a s i c c 从后往前i ：L/
-1→0s ∆)
()](1[1s i C s i a c c i i ∆+∆-=+发射和吸收模型
体绘制raycasting
‐
☐GPU加速的光线投射算法–光线：起始点+方向向量
起始点立方体前表面
✓起始点：立方体前表面
✓方向向量：立方体后表面
体绘制传输函数
‐
☐将体数据分类
–哪部分可见（不透明度）
感兴趣的不透明度高背景低不感兴趣的零
✓感兴趣的不透明度高，背景低，不感兴趣的零–以什么颜色可见（颜色）
Emission RGB
Transfer
Scalar S
function
Absorption A
传输函数
一维传输函数☐维传输函数
☐二维传输函数
体绘制
☐VAT4M动画☐飓风动画
二维传输函数
可视化基本方法向量场
‐
☐图标方法
–箭头
☐积分方法
–流线
–轨迹线
–脉线
☐纹理方法
–线性卷积（LIC）
☐李雅普诺夫指数方法（FTLE）
图标方法箭头
‐
流线与轨迹线
流线
取种点
☐选取种子点
–种子点选取决定了流场的特征丰
富度，恰当的选取种子点可以更
好的表现流场的特征。
好的表现流场的特征
☐插值计算
–当前位置的速度
☐积分计算
–欧拉方法、龙格库塔法二阶或四
阶积分
积分计算
星系黑洞吸积盘流场可视化
轨迹线
☐选取种子点
–种子点选取决定了流场的特征丰富
度，恰当的选取种子点可以更好的
表现流场的特征。
☐插值计算
前位
–当前位置的速度
☐积分计算
欧拉方法龙格库塔法二阶或四阶
–欧拉方法、龙格库塔法二阶或四阶
积分
轨迹线
动画
海洋洋流交互轨迹线
高铁流场可视化
脉线(streak line)
在某一时间间隔内相继经过空间一固定点的流体☐在某时间间隔内相继经过空间固定点的流体质点依次串连起来而成的曲线。
在观察流场流动时可以从流场的某一特定点不☐在观察流场流动时，可以从流场的某一特定点不断向流体内输入颜色液体（或烟雾），这些液体（或烟雾）质点在流场中构成的曲线即为脉线
（或烟雾）质点在流场中构成的曲线即为脉线。
☐对定常流场，脉线就是迹线，同时也就是流线
LIC(line integral convolution)
全球海洋流场
FTLE
由李雅普诺夫指数场得到隐含在流体中的拉格朗日结构
LCS可对该时变流场进行动态分割体现中不断变化的流场–可对该时变流场进行动态分割，体现中不断变化的流场
中的不变性，也可反映中流体中物质运移的过程–非定流场的边界
–流体中物质运移的过程
拉格朗日相关结构可以反映出欧拉方法
所不能反映的物质运移过程
FTLE
表征一定时间内流场的分离度 表征定时间内流场的分离度
李雅普诺夫指数场所反映的拉格朗日相关
结构，北极附近有一道强烈的排斥拉格朗
结构。
与浮标起始位置的关系(a)
(b)(c)浮标起始位置；因为这道排斥结构，蓝色浮标继续围绕北极转，而红色的浮标逐渐远离北极，飘向了赤道。
的FTLE 计算方法
T t t +→
FTLE计算方法
飞行器的FTLE
多变量
☐不同颜色色系☐多窗口
☐平行坐标
全球气候模拟相对湿度与降雨量
‐
离散粒子场可视化
☐离散的粒子数据
–没有网格连接关系
粒子的位置属性
☐粒子的位置、属性–温度、压力、能量、速度
Nb d ☐Nbody Nbody/SPH /SPH 模拟
–天文暗物质、核能、流体力学
离散粒子场可视化
☐直接绘制方法
–GPU加速的点精灵
☐重构成网格
–均匀网格
–移动四面体
ADS嬗变系统加速器可视化
时序场
☐对感兴趣的单时刻可视化☐输出成动画
☐挑战
–IO瓶颈
休息下休息一下
二、大规模模拟数据可视化
☐多分辨率可视化
☐并行可视化
–图像合成
流线轨迹线
–流线、轨迹线
–FTLE voxel ☐基于概要图的时序可视化
☐原位与移位可视化
☐系综模拟可视化
☐案例‐天文可视化
多分辨率可视化
多分辨率可视化
☐数据多分辨率组织–八叉树
☐多分辨率绘制。