大规模爆炸场数值模拟实时交互可视化软件

High-precision and large-scale numerical simulation for explosion problems has challenged the visualization of explosion fields. Based on the issues occurred to explosion field visualization, we propose the work of this project, where visualization and simulation are integrated together. This work will focus on the following topics: (1) Real-time visualization of large-scale explosion fields, where numerical results are directly visualized in the process of simulation. (2) High-definition visualization with the goal to reveal advantages of high-precision simulation, where high-definition volume rendering, high-quality streamlines and textures will be applied to generate explosion images in high definition. (3) Techniques of interactive visual analysis, such as focus+context, multiresolution analysis, association analysis, multiple coordinated views, etc., which will be used to deal with the analysis of large-scale explosion fields. (4) Theories and methods of parallel visualization for large-scale datasets, especially for large 3D flow fields, which are supposed to improve the efficiency of visualization and the response time of interaction. Based on the above work, we will finally build a parallel platform with the support of PC clusters and GPUs, and develop the corresponding visualization software and interactive visual analysis tools, to benefit the high-precision and large-scale simulation of explosion fields.

高精度大规模爆炸场数值模拟，使爆炸场可视化面临一系列新的挑战。本项目从实际应用需求出发，将可视化处理与数值模拟结合起来，开展如下研究工作：（1）大规模爆炸场数值模拟结果的实时可视化；在数值模拟的过程中直接对计算结果进行可视化处理。（2）三维爆炸场的高清可视化；通过高清体绘制、高质量流线放置与纹理合成等手段，建立高清爆炸场图像，以发挥高精度数值模拟的优势。（3）面向大规模爆炸场的交互可视分析技术，包括Focus+Context分析、多分辨率分析、关联分析、多视图分析等；以此处理大规模数据的分析难题。（4）面向大规模数据场的并行可视化理论和方法；通过并行处理挖掘计算潜力，提高可视化效率和交互操作的响应时间。在上述研究工作的基础上，构建基于集群和GPU的并行可视化平台，研发并行可视化软件和交互可视分析工具，满足高精度大规模爆炸场数值模拟研究工作的数据分析需求。

数值模拟是研究爆炸与冲击问题的重要手段。高精度大规模爆炸场的数值模拟使科研人员面临如何高效分析海量数据的挑战。在此背景下，本项目围绕爆炸与冲击问题的数值模拟、可视化分析以及验证实验开展了相关研究；并为高效分析爆炸场数据，设计开发了多个拥有自主知识产权的可视化软件和系统。目前，本项目所完成的研究工作和相关成果如下：.（1）研究了三维高速冲击问题的可视化方法，以传统光线投射体绘制算法为基础，利用不同的光照模型实现了多介质多属性爆炸场数据的同时可视化。.（2）开展了三维爆炸场高清可视化算法研究，提出了一种可以解决物质界面颜色混淆并提高微结构清晰度的体绘制算法。.（3）针对爆炸与冲击问题的数值模拟，提出了一种新的三维Euler质点网格耦合算法，并将该算法并行化之后嵌入到了原有数值模拟程序中，较好地处理了钢筋混凝土的钢筋变形问题。.（4）开展了弹体高速侵彻钢筋混凝土靶板的实验研究，验证了数值模拟结果和方法的有效性。.（5）针对爆炸场多属性变量的特点，开展了多变量数据场交互可视分析方法研究，提出了一种基于新型图标的多变量数据场可视化方法，实现了多变量关联分析、焦点与上下文结合的分析。.（6）研究了基于模板的流场特征检测理论，提出了基于Clifford代数的流场特征检测方法、结合Clifford代数和信息熵的流场特征检测方法，以及基于自定义模板的流场特征检测方法。.（7）研究了三维流场的并行可视化问题，提出了一种适用于三维流场的并行流线放置方法，在保证流线分布基本均匀且无伪边界的情况下，通过并行处理提高了三维流场的可视化效率。.（8）设计开发了五项可视化软件和系统，分别是：交互式二维流场特征检测软件、交互式三维流场特征检测软件、基于纹理的三维流场可视化系统、多变量矢量场交互分析软件、三维多介质爆炸场可视化软件。.基于以上研究工作，申请国家发明专利6项；申报并获得计算机软件著作权5项；发表相关学术论文6篇；培养博士生2名，硕士生6名。