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面向土木工程数值模拟的可视化方法研究

作　者: 刘晓强
导　师: 陈莉
学　校: 清华大学
专　业: 软件工程
关键词: 矢量场布点重要性分析粒子可视化 OpenSEES后处理
分类号: TU17
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

土木工程数值模拟在防灾减灾中起着重要作用，本文对土木数值模拟数据的可视化方法进行研究。首先，土木灾变中地震波、风场等都是时变矢量场数据，基于粒子的可视化方法是大规模矢量场数据重要的可视化方法之一，然而现有方法在遇到大规模数值模拟数据时，性能较难满足实时要求，绘制效果也难以突出场的特征，需要研究更快速、质量更高的粒子矢量场可视化方法；其次，在土木和建筑领域的有限元求解中，OpenSEES应用广泛，但是其后处理可视化方面的功能薄弱，需要一个功能丰富应用灵活的后处理可视化系统。在基于粒子的矢量场可视化方法中，粒子的布点对可视化质量至关重要。本论文对粒子布点方法进行了深入研究，首先针对粒子初始点选取不佳可能丢失矢量场重要特征的问题，采用流场拓扑分析法进行粒子初始点的布点，针对有的流场可能临界点过多和过少的情况分别提出了拓扑简化和泊松球布点，并针对大规模数据绘制性能问题对拓扑分析方法进行了GPU并行加速。本文还将信息熵的理论应用在时变矢量场拓扑重要度分析中，并指导时变场的布点。为提高灵活性，本文实现了交互布点。实验结果表明通过并行加速，拓扑分析过程在低端显卡上可以达到几十倍的性能提高，实现的布点方法可以很好地表现矢量场的重要特征。本文还对大规模粒子的实时GPU绘制方法进行了研究，首先将基于双缓存纹理的粒子追踪并行方法拓展到时变场中，避免了内存到显存传输数据的性能瓶颈，提高粒子追踪的性能。对于粒子绘制，采用基于纹理精灵的方法提高绘制性能。实现半透明粒子效果减少遮挡，粒子排序使用了不完全迭代的奇偶归并排序，兼顾排序迭代次数和准确性，得到了很好的GPU并行加速性能。本文还实现了流线式粒子绘制，并改进了Depth Peeling方法，实现了粒子与体数据的实时混合绘制。实验结果表明，本论文对矢量场大规模粒子可视化不仅可以达到实时，而且得到了很好的可视化质量，可以很好地满足大规模矢量场数据可视化的需求。本文另一部分工作是OpenSEES后处理可视化的研发。提出边求解边可视化的系统架构，为辅助建筑观察分析，提出基于深度信息的自由剖切方法。针对建筑视角问题，改进面积熵模型，提出单元数据熵并将其加入到测度视角重要性的目标函数中。相关模块已集成在OpenSEES软件中，并在美国NEES网站发布，研发功能已被国内一些土木研究单位应用于重大工程的灾变数值模拟可视化中。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-18
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 基于粒子的矢量场可视化方法  9-11
  1.3 矢量场拓扑结构分析方法  11-13
  1.4 基于互信息的重要度分析  13-14
  1.5 矢量场基于流线的布点方法  14-15
  1.6 OpenSEES 数值模拟结果的可视化  15-16
    1.6.1 已存在的 OpenSEES 后处理软件和其他求解软件  15-16
    1.6.2 梁柱模型的自由剖切和最优视角获取相关工作  16
  1.7 论文的主要内容及章节安排  16-18
第2章基于特征和时变数据重要度分析的粒子布点方法  18-33
  2.1 本章引论  18
  2.2 稳定矢量场粒子拓扑布点  18-23
    2.2.1 单帧数据基于 GPU 的拓扑结构分析  19-20
    2.2.2 按照拓扑结构布点  20-22
    2.2.3 临界点简化和环境布点  22-23
  2.3 粒子多帧数据拓扑重要度分析  23-24
  2.4 非稳定矢量场粒子的拓扑布点  24-25
  2.5 交互布点  25-26
  2.6 实验结果与分析  26-32
    2.6.1 拓扑分析 GPU 并行加速性能对比  26-27
    2.6.2 拓扑重要度实验结果分析  27-28
    2.6.3 多帧拓扑布点结果  28-29
    2.6.4 交互布点实验结果分析  29-32
  2.7 本章小结  32-33
第3章矢量场粒子可视化方法实现  33-48
  3.1 本章引论  33-34
  3.2 动画-基于 GPU 的粒子追踪  34-35
  3.3 粒子绘制  35-40
    3.3.1 粒子纹理精灵加速  36-38
    3.3.2 粒子排序  38-40
    3.3.3 流线式粒子  40
  3.4 粒子与体绘制混合  40-43
  3.5 实验结果分析  43-47
    3.5.1 大规模粒子动画实验结果分析  43
    3.5.2 纹理精灵效果  43-45
    3.5.3 排序效果  45-46
    3.5.4 流线式粒子及体绘制混合效果  46-47
  3.6 本章小节  47-48
第4章 OpenSEES 后处理可视化  48-61
  4.1 本章引论  48
  4.2 系统架构  48-49
  4.3 数据采集  49-50
  4.4 灵活多样的模型自由剖切  50-53
  4.5 最优视角自动计算  53-54
  4.6 OpenSEES 动画、颜色映射和曲线表示  54-56
  4.7 模型放大镜和多视口  56-58
  4.8 案例应用  58-60
  4.9 本章小结  60-61
第5章总结与展望  61-64
  5.1 本文完成的工作  61-62
  5.2 其他相关工作  62-63
  5.3 展望  63-64
参考文献  64-69
致谢  69-71
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  71

面向土木工程数值模拟的可视化方法研究

内容摘要

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