《基于特征的矢量場可視化研究》申請書

1、基于特征的矢量場可視化研究申請書1、項目研究意義科學計算可視化（Scientific Visualization）是20世紀80年代發(fā)展起來的一個新的研究領域。它運用計算機圖形學和圖像處理等多種技術，將科學計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉換為直觀的圖像，交互式地顯示給用戶，有效地提高了數(shù)據(jù)處理的速度和質量McCormick87。其中，矢量場可視化（Vector Field Visualization）是它的一個重要研究方向，具有廣闊的發(fā)展前景和應用領域石教英96。矢量場可以用來描述很多重要的物理現(xiàn)象，比如飛機飛行時機翼上的氣體流動、流體通過管道或障礙時的運動、地球表面的大氣活動等等。矢量場可視化是科學計

2、算可視化的研究熱點，其研究成果被廣泛地應用到計算流體力學（CFD）、有限元分析、電磁場模擬、燃燒動力系統(tǒng)分析、海洋洋流模擬以及天氣預報等多個領域劉占平01，唐澤圣99。目前許多國家的大學、研究所、計算中心和商業(yè)公司等都在開展矢量場可視化研究，其中比較有代表性的機構有：美國國家宇航局（NASA）對航空航天過程中的CFD數(shù)據(jù)進行分析；美國國家超級計算機應用中心（NCSA）對于地球大氣及洋流可視化進行研究；美國Stardent公司開發(fā)的AVS系統(tǒng)和SGI公司的IRIS Exporer都是很著名的可視化軟件；另外德國柏林的ZIB研究所和荷蘭的國家數(shù)據(jù)與計算機科學研究所也開展了大量矢量場可視化基礎算法及

3、應用方面的研究。國內的浙江大學CAD&CG國家重點實驗室、清華大學、中科院等單位是比較早開始這方面研究的單位，也取得了很多成果石教英94，陳莉96，唐澤圣94，梁訓東96。矢量場可視化的技術大致可以分為三類：基于幾何的方法、基于紋理圖像的方法以及基于特征的方法Crawfis95，陸劍鋒05?；趲缀蔚姆椒ㄍㄟ^在矢量場中選取一些初始種子點，應用數(shù)值積分方法對這些質點進行粒子跟蹤，構造出如流線（Streamline）、脈線（Streakline）以及流面（StreamSurface）、流管（StreamTube）等不同的可視化元素來描述矢量場特征。這方面的研究主要集中在局部種子點的選取，提

4、高數(shù)值積分的精度以及三維繪制技術方面Kenwright92,Teitzel97，Stalling97，Bauer02, Oliver03?；诩y理圖像的方法可以克服種子點選取的限制，提供給我們全局的高質量輸出結果，其典型算法包括點噪聲法（Spot Noise）和流線卷積積分法（Line integral convolution）Wijk91，Cabral93。這兩種經(jīng)典算法給矢量場可視化帶來了深遠的影響，眾多的研究者在此基礎之上提出了各種擴展算法Forsell94，Leeuw95，Stalling95，Leeuw97，Interrante97，Jobard02，Laramee04，唐澤圣99，

5、張文01，陸劍鋒04?；谔卣鞯氖噶繄隹梢暬夹g是為解決矢量場日益龐大的規(guī)模而產(chǎn)生的，并發(fā)展成為一個很有前景的研究方向。特征可視化技術能夠在不丟失原有重要信息的前提下大量減少數(shù)據(jù)量，可以讓計算機更有效地處理矢量場數(shù)據(jù)。這里的重要信息就是指“特征”，它具有兩方面的含義：1）原始數(shù)據(jù)集中能夠提取出的有意義的部分，比如形狀、結構、變化、現(xiàn)象等。2）原始數(shù)據(jù)集中用戶感興趣的某些子集。通過針對矢量場特征進行分析提取，重點地進行可視化，可以減少可視化映射的數(shù)據(jù)量并增強可視化的效果。這種表示方法來自于原始數(shù)據(jù)卻又比原始數(shù)據(jù)蘊含有更豐富的內容，它可以幫助用戶忽略掉大部分冗余的、不重要或不感興趣的內容，將注意力

6、集中在數(shù)據(jù)集的特征上，這對于工程研究人員具有很大的實用價值。矢量場的特征可視化技術吸引了越來越多的研究者，Helman和Hesselink提出一種基于臨界點理論的矢量場拓撲結構分析法，他們通過創(chuàng)建和連接臨界點之間的積分曲線和曲面來有效地顯示矢量場的結構Helman90，Helman91，取得不錯的可視化效果。在文獻Chong90中，將Helman的結構分析方法推廣到一般化的矢量場數(shù)據(jù)上，但限制條件較多；在三維矢量場方面，Globus擴展了二維拓撲結構分析法，取得了一些成果Globus91。另外，Lavin Y.M.把拓撲結構分析法應用在對兩個矢量場之間的相似度衡量上，并構造了初步的框架Lavi

7、n98；Silver D.認為特征可視化的重點在于如何精確地對特征進行定量的評價和比較Silver97?？傮w而言，基于特征的矢量場可視化技術還是一個較新的研究方向，有很多的工作需要完成，自身也處在不斷完善和發(fā)展過程中。通過特征可視化技術，人們可以站在數(shù)據(jù)集的更高抽象的層次上，把注意力放在自己的應用和設計上，而不用被大量的具體數(shù)據(jù)所束縛，這正是特征可視化的應用優(yōu)勢和實際意義所在Walsum96。本項目針對矢量場的特征可視化技術進行深入研究，利用矢量場臨界點理論以及數(shù)據(jù)挖掘技術和模式識別方法，提取分析復雜矢量場中的特征信息，幫助用戶有效處理海量數(shù)據(jù)；并通過與實際需求相結合，將最終研究成果應用到如管

8、道內的流場可視化、產(chǎn)品的流線型外形設計、海洋洋流運動模擬等方面。當前浙江省的科技產(chǎn)業(yè)正進入快速發(fā)展階段，要想獲得可持續(xù)發(fā)展，我們的企業(yè)必須擁有自主版權的高新技術。如何將自己的研究成果轉變?yōu)閷嶋H中能夠應用的技術，這也正是擺在我們科技工作者面前的任務。這方面，矢量場可視化技術具有一定的優(yōu)勢，已經(jīng)擁有很多和實際工程相結合的成熟應用，比如汽車、輪船以及飛機工業(yè)中的產(chǎn)品外形設計，為了得到優(yōu)越的空氣動力學性能，矢量場可視化的關鍵技術在其中發(fā)揮著必不可少的作用。另外還有海洋和大氣的運動數(shù)據(jù)分析、大型發(fā)電機組的輪葉槳葉外形設計等方面也同樣離不開矢量場可視化技術。因此我們可以充分相信，矢量場可視化的研究成果能夠

9、和實際的工程需求很好的結合在一起，為我們浙江省的經(jīng)濟發(fā)展作出貢獻。2、項目研究目標及與申請者研究工作長期目標的關系本項目的研究目標是針對矢量場可視化中的特征定義、量化、提取以及特征繪制、動態(tài)特征跟蹤等方面進行理論研究、技術創(chuàng)新和系統(tǒng)實現(xiàn)。綜合利用矢量場臨界點理論、數(shù)據(jù)挖掘技術以及模式識別方法，提取分析矢量場中的特征信息，幫助用戶有效處理海量數(shù)據(jù)；構建能夠對矢量場數(shù)據(jù)進行交互式特征提取、有效特征繪制以及動態(tài)特征跟蹤的可視化平臺。并在此平臺框架下實現(xiàn)對多種特征可視化算法的測試、評估、分析等操作。申請者在浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室獲得本科和碩士學位，具有較扎實的流場可視化方面的相關理論知識

10、和實際操作經(jīng)驗。在讀計算機博士期間，一直從事基于特征的數(shù)據(jù)場可視化方面的研究,包括基于圖像的矢量場特征繪制技術和動畫生成技術,以及醫(yī)學圖像上的特征提取技術，并取得了較好的研究成果,在國際著名期刊Computers & Graphics和國內一級刊物上發(fā)表相關論文數(shù)篇。申請者畢業(yè)后在高校從事教學和科研工作,對于矢量場特征可視化研究方面有較寬廣的基礎理論和深入的專業(yè)知識,對國內外相關工作的發(fā)展動態(tài)有準確的把握,有能力進一步研究和解決矢量場特征可視化技術方面的問題。3、項目研究內容，研究方案和進度安排研究內容：根據(jù)以上的研究目標，本項目的研究內容具體分為以下幾點：(1) 復雜矢量場的拓撲特征

11、提取。主要研究矢量場中特征的定義、量化和提取，建立穩(wěn)定的特征點提取算法。(2) 矢量場特征結構的表示和繪制模型。研究矢量場中從特征到圖像的映射算法，目的是實現(xiàn)特征的繪制和交互性操作?？紤]到矢量場數(shù)據(jù)大多是多維數(shù)據(jù)，其特征映射算法必須能夠擴展到多維數(shù)據(jù)映射。(3) 動態(tài)矢量場中特征的跟蹤分析。研究矢量場數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程，實現(xiàn)特征的自動提取和動態(tài)跟蹤分析，揭示其產(chǎn)生、消失、變化等一系列變化規(guī)律。(4) 結合具體的應用領域（流場可視化），實現(xiàn)一個基于特征可視化的交互性操作平臺，利用該框架實現(xiàn)對多種特征可視化算法的比較測試、評估、分析等操作。技術路線與實驗手段：（1）利用矢量場臨界點理論和數(shù)據(jù)聚類的

12、方法，進行矢量場特征點的有效提取和分類。首先利用物理空間到計算空間的轉換，建立臨界點方程組。為保證求解方程組的穩(wěn)定性，利用誤差函數(shù)控制對計算網(wǎng)格進行遞歸細分求解方程組，實現(xiàn)求解過程的穩(wěn)定性。同時利用數(shù)據(jù)聚類方法對求解的特征點進行劃分和濾波，去除冗余點和消除噪聲影響，保證算法的可靠性。（2）利用圖像中顏色、明暗、紋理等屬性進行特征的映射，針對多維數(shù)據(jù)映射，將多種屬性分別代表不同維度信息，利用多通道RGB和顏色空間分解技術進行繪制。另外作者提出的針對圖像對比度進行數(shù)量映射的算法，可根據(jù)不同數(shù)量大小動態(tài)改變圖像局部對比度，達到多維映射效果。（3）為保證特征繪制的實時性，采用多分辨率技術進行繪制。根據(jù)

13、允許的時間選擇對象的幾何表示和繪制的分辨率，從而降低用戶的等待時間。使用限時圖形繪制技術來保證實時性；通過可見性判斷，盡可能不繪制不可見的對象；對不重要的圖形對象使用幾何簡化模型和紋理貼圖來繪制；預先生成具有不同細節(jié)層次的紋理圖像，根據(jù)需要選用不同分辨率的圖像，從而提高繪制速度。（4）構造有效的三維矢量場可視化算法，利用流管（StreamTube）作為基本單位進行直接繪制，修改局部光照模型，將矢量的方向信息加入光照參數(shù)，提高可視化效果。同時利用現(xiàn)代圖形卡的硬件（GPU）加速功能，改寫算法中的耗時操作，將部分程序從CPU實現(xiàn)轉變?yōu)橛蒅PU的繪制流水線來實現(xiàn)，從而減輕CPU負擔，加快圖形顯示，減少

14、用戶的等待時間，提高可交互性。（5）針對動態(tài)矢量場中特征的跟蹤分析，采用矢量場動畫的技術手段來實現(xiàn)。首先對于時間進行劃分，在每一時間片內進行特征識別；在相鄰時間片之間，采用光流技術獲得特征點運動趨勢，并采用卡爾曼濾波和Graph Cut能量優(yōu)化方法進行特征點之間匹配，最后通過預先定義的模式表，利用動畫來表示矢量場特征的產(chǎn)生、消失、轉變等一系列變化。（6）針對大規(guī)模復雜矢量場的特征提取，擬采用分布式并行計算環(huán)境來處理。首先進行任務的劃分，由主控程序將子任務分配到網(wǎng)絡上多臺微機，從而實現(xiàn)并行計算，極大地提高算法效率，能夠處理大規(guī)模的復雜矢量場數(shù)據(jù)。關鍵技術：根據(jù)目前的研究情況，我們認為需要解決的關

15、鍵技術問題包括：（1） 矢量場特征的定義、量化和有效提取問題，包括復雜三維矢量場中的特征提取算法穩(wěn)定性以及效率的問題。（2） 多維數(shù)據(jù)有效映射問題，包括映射函數(shù)的構造和有效繪制。（3） 動態(tài)矢量場中特征的跟蹤，如何有效地提取和匹配特征，并顯示出特征的變化趨勢。（4） 利用分布式并行計算環(huán)境對大規(guī)模復雜矢量場的特征提取算法，包括并行算法設計、子任務的劃分、主控程序的設計以及交互等問題。（5） 大規(guī)模復雜矢量場的實時繪制技術研究，當矢量場規(guī)模增加時如何保證算法的運行效率，達到和用戶良好的交互。年度研究計劃：2006.12006.12（1） 矢量場中特征的定義及提取量化算法設計和實現(xiàn)（2） 交互式矢

16、量場可視化原型系統(tǒng)構造（3） 常規(guī)矢量場可視化算法實現(xiàn)2007.12007.12（1） 矢量場中多維數(shù)據(jù)映射模型建立并實現(xiàn)繪制算法（2） 動態(tài)矢量場中特征提取分析和跟蹤算法實現(xiàn)（3） 復雜矢量場特征提取并行算法的初步實現(xiàn)（4） 利用已構建可視化平臺框架建立矢量場可視化算法中的測試評估機制4、項目創(chuàng)新之處本項目的創(chuàng)新點在于：（1） 用系統(tǒng)辨識的觀點來進行特征的定義和識別，將模式識別技術應用到矢量場特征可視化中，并利用數(shù)據(jù)挖掘技術對矢量場特征信息進行聚類和濾波，保證了特征提取算法的穩(wěn)定性。（2） 利用分布式并行計算環(huán)境來解決大規(guī)模復雜矢量場的特征提取問題，構建穩(wěn)定高效的特征提取并行算法。（3） 提

17、出動態(tài)矢量場中特征可視化的新方法。通過先對時間片進行劃分和插值，在每一時間片內進行特征識別；在相鄰時間片之間，采用光流技術獲取特征點運動趨勢，利用卡爾曼濾波和Graph Cut能量優(yōu)化方法進行特征點之間匹配，最后通過預先定義的模式表，利用動畫來表示矢量場特征的產(chǎn)生、消失、轉變等一系列變化。（4） 利用現(xiàn)代圖形加速卡中GPU的強大并行流水線功能以及多分辨率繪制技術來實現(xiàn)大規(guī)模復雜矢量場可視化的實時繪制和交互操作。5、工作基礎與工作條件工作基礎：本項目提出的研究目標是基于特征的矢量場可視化技術，在這一方向上，申請人負責的課題組已經(jīng)有20多篇論文分別在國際期刊(Computers & Gra

18、phics等)、國際會議和國內重要學術期刊（計算機圖像圖形學報，計算機輔助設計與圖形學學報，系統(tǒng)仿真學報等）上發(fā)表。申請者在流體傳動及控制國家重點實驗室獲得本科和碩士學位，具有較扎實的流場可視化方面的相關理論知識和實際操作經(jīng)驗。在攻讀計算機博士期間, 一直從事基于特征的數(shù)據(jù)場可視化方面的研究,包括基于圖像的矢量場特征繪制技術和動畫技術,以及醫(yī)學圖像上的特征提取技術，并取得了較好的研究成果,在國際著名期刊Computers & Graphics 和國內一級刊物上發(fā)表相關論文數(shù)篇。本課題組人員年輕精干，具有較強的科研能力和團隊合作精神，這一切為實現(xiàn)本項目的研究目標有著充分的保證。工作條件：

19、作為虛擬現(xiàn)實重點實驗室的固定研究人員，可以利用實驗室現(xiàn)有的高性能工作站、先進的設備以及軟件平臺和開發(fā)工具進行本項目的研究工作，同時和浙江大學CAD&CG國家重點實驗室有著長期穩(wěn)定的合作研究關系，可以利用國家重點實驗室在科學計算可視化、分布式并行計算環(huán)境以及計算機輔助設計等方面的研究成果積累。課題組相關論文成果：1 Virtual Learning Environment for Medical Education Based on VRML and VTK. Computers & Graphics. 2005. Vol.29(2). pp:231-238 (SCI Index

20、)2 Watermarking 3D Mesh by Spherical Parameterization. Computers & Graphics. 2004. Vol.28(6). pp:981-989 (SCI Index)3 A Public Mesh Watermarking Algorithm Based on Addition Property of Fourier Transform. The 3rd International Conference on Image and Graphics 2004, HongKong, IEEE Computer Society

21、. pp:324-328 (SCI Index)4 An Algorithm of Mapping Additional Scalar Value in 2D Vector Field Visualization. ICCSA(3). 2004. pp:308-314 (SCI Index)5 A Private and Lossless Digital Image Watermarking System. ICIG'2002.16-18, August, Hefei.SPIE.pp:365-370 (EI Index)6 Watermark Extraction by Magnify

22、ing Noise and Applying Global Minimum Decoder. The 3rd International Conference on Image and Graphics 2004, HongKong. IEEE Computer Society. pp:349-352 (EI Index)7 一種穩(wěn)健性好的盲水印算法. 中國圖象圖形學報. 2003. Vol.8(5). pp:567-5718 自適應區(qū)域生長算法在醫(yī)學圖像分割中應用. 計算機輔助設計與圖形學學報. 已錄用9 一類矩形域上生成保單調曲面的細分法. 浙大學學報理學版. 2003. Vol.30(5

23、). pp:506-50810 一種抗幾何變換的盲水印算法. 浙大學報工學版. 2004. Vol.38(2). pp:141-14411 基于圖像對比度數(shù)量映射的矢量場可視化算法. 系統(tǒng)仿真學報. 2004. Vol.16(7). pp:1502-150512 A Virtual Reality Learning Environment based on VRML in Medical Education. Eurographics/ACM SIGGRAPH Workshop on Computer Graphics Education. 13 Robust 3D model waterma

24、rking against geometric transformation. CAD/CG'2003. Oct.29-31, Macao, pp:87-9214 基于參數(shù)自適應區(qū)域生長的醫(yī)學圖像分割算法. 第五屆中國計算機圖形學大會論文集. 9.2326, 2004，西安, pp:343-34515 有理張量積Bézier體的廣義離散. 大連理工大學學報. 2000(1). pp:18-2116 Medical Image Segmentation using Adaptive Region Growing. SPIE International Symposium on

25、Medical Imaging. (Be Accepted)17 New-Style Digital Hydrogovernor Based on Programmable Integrated Circuit. In Proceedings of the 4th International Conference on Frontiers of Design and Manufacturing. 2000.6. Hangzhou, China. pp:837-8426、預期研究結果及其利用研究結果的計劃和今后發(fā)展的思路預期研究成果：（1） 在國內外重要學術期刊和高水平學術會議上發(fā)表一系列關于矢

26、量場可視化方面的論文，在矢量場特征提取算法、動態(tài)矢量場可視化技術、大規(guī)模矢量場的特征提取和實時繪制方面的研究成果達到國際水平。（2） 在完成矢量場特征的定義和有效提取算法、多維矢量數(shù)據(jù)映射、動態(tài)矢量場中的特征分析和實時繪制等關鍵技術的基礎上，開發(fā)出一個基于特征可視化的交互性算法測試平臺，并實現(xiàn)對多種特征可視化算法的比較測試、評估、分析等操作。今后發(fā)展思路：將矢量場特征可視化技術的研究成果與本省的實際需求相結合，可以使我們的研究成果走出實驗室，轉換為可以促進生產(chǎn)力發(fā)展的先進技術。比如在汽車工業(yè)中，為了得到優(yōu)越的空氣動力學性能，其產(chǎn)品的外形設計是一件非常重要的工作，其中，模擬空氣在車體外表面上的流

27、動以及各種應力的分析就需要用到矢量場可視化中的關鍵技術。在氣象分析中，矢量場可視化技術也在大氣環(huán)流運動和海洋洋流的模擬方面發(fā)揮著必不可少的作用；另外在大規(guī)模發(fā)電機組輪葉漿葉的外形設計和受力分析方面也同樣離不開矢量場可視化技術。在今后的工作發(fā)展中，我們計劃同對矢量場可視化技術有需求的企業(yè)以及氣象等部門合作，針對實際需求來開發(fā)我們的算法和系統(tǒng)，將研究成果運用到實際生產(chǎn)中，切實促進我省的科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展。7、參考文獻1. Bauer02 Bauer D., Peikert R., Sato M., etc al. A case study in selective visualization of un

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