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矢量场可视化是科学计算可视化的一个经典分支，在科学研究与工程计算等许多领域有着广阔的应用前景。有效高质量的多尺度矢量场可视化技术将不仅能够以不同层次细节信息反映矢量场的关键特性，大大提高三维矢量场数据集的可读性，而且可以帮助研究人员探索矢量场中无法用传统方法获取的复杂物理规律。 本文以高质量地多尺度可视化三维矢量场的内部结构与运动特性为目标，对三维矢量场的流线提取算法，多分辨率的纹理平流算法，视点相关的基于纹理的LOD渲染算法，以及增强纹理平流算法等几个方面进行了深入的研究，并取得了如下的一些成果: 1.提出了一种基于聚类的三维矢量场的流线提取方法 当利用基于流线的几何可视化方法描述矢量场模式时，一般来说，很难选择合适数量的流线来精确地可视化矢量场。播种太多流线时就很容易出现遮挡与杂乱无章现象，特别当表示复杂矢量场模式时问题更为严重，这样很难辨别与理解矢量场的结构与重要特性。 针对以上特定问题，本文提出了一种基于迭代最邻近点(iterative closest point，ICP)与K均值聚类(K-means clustering)的流线提取算法。利用迭代最邻近点算法来比较流线之间的相似性，并以相似性配准来进行排序，然后利用K均值聚类算法对流线进行分组，最后根据种子点优先级，“去同存异”过滤出一些多余相似性的流线来呈现一种清晰的矢量场模式与行为。并且在约简流线的同时，还能有效地控制流线分布的均匀密度，最后利用所生成的流线表示来重构矢量场，以重构精度来验证本文算法的有效性。 实验结果表明，本文所提出的流线提取算法有效地解决了三维矢量场中存在的可视化感知问题，如遮挡与杂乱;也能成功地描述矢量场的关键特性与重要模式，仍然保持流线分布的均匀性、连续性;容易控制流线密度，在同等数目流线下相比于已有的方法未丢或者少丢特征点;算法执行时间提升3倍左右，矢量场的重构精度提高了0.35个百分点。同时，该算法可以在任意播种几何图元上尽量使流线均匀分布于整个流域，并为用户提供一个很好的语义感知与视觉感知效果。 2.提出了一种基于中介几何图元的自适应多分辨率纹理平流方法 有效高质量的多分辨率绘制技术不仅可以提高矢量场可视化的计算效率，而且能够以不同层次细节信息反映矢量场的关键特性，大大提高三维矢量场数据集的可读性。然而，在矢量场分辨率与屏幕的分辨率不一致的情况下，渲染结果往往无法令人满意。当矢量场分辨率高于屏幕分辨率时，若流纹理不能通过一种有效的后处理，则很容易产生走样成像;反之，若矢量场分辨率低于屏幕分辨率时，将容易产生细节缺失的成像，因为流纹理采样没有足够的样本。 针对以上问题，本文提出了一种基于纹理的自适应多分辨率矢量场可视化算法。通过定义平流体作为矢量场的中介表示，准确地跟踪粒子路径。考虑到纹理特征的稳定性，利用纹理空间到平流体空间的映射来执行纹理卷积计算。最后，基于图形硬件的mip-mapping技术自适应地选择与流域分辨率相匹配的平流体，并对噪声纹理频率进行缩放控制，执行纹理平流计算。算法的精确度根据粒子平流位置的累积误差进行客观评价，结合人的视觉感知来测试主观选择与客观评价的一致性。 实验结果表明，本文算法可以有效地避免纹理走样或流模式细节缺失等不良效果，渲染矢量方向信息容易观察，纹理细节清晰，保持矢量场重要模式的深度层次感;对于时变流能保持相邻两帧间纹理的连续性;粒子积分位置与纹理平流位置保持一致，零误差。该算法以足够细节和高质量成像更好地描述矢量场内部结构与运动行为。 3.提出了一种基于噪声自适应优化的矢量场LOD渲染方法 基于几何的可视化方法常常利用场线、面、体等几何元素来描述矢量场，这些元素包含了方向与结构信息。但是几何元素的数量影响着可视化质量，当数量较多时，可视化便易产生遮挡、杂乱问题，当数量较少时，又易引起丢失矢量场的一些重要特征。基于稠密纹理的可视化方法能利用纹理合成有效地反映出矢量场的全局特性，但是又不适用于三维矢量场的可视化，会出现严重的相互遮挡和高计算量问题。而且，LOD方法通常被应用于高维度复杂场景或者对象，很少被用来可视化矢量场，二维矢量场的LOD方法又很难被拓展于三维矢量场中。 针对上述问题，本文提出了一种与视点相关的自适应纹理的矢量场LOD渲染算法。结合了几何方法与纹理方法的优势，1）优化采样稀疏噪声与缩放噪声频谱。通过分析在局部区域运动模式上的相似性，提出一个启发式算法自动调整局部区域大小与点分布，在不同的视点条件下，充分考虑噪声样本点的距离及所在块对最终输出纹理的贡献调整噪声纹理的频谱，以便为有效地矢量场可视化提供一个灵活的LOD控制。2）优化基于GPU的空域过滤处理。在体纹理计算阶段，仅仅利用输入纹理的稀疏采样点计算场线并累积体素值;在体纹理渲染阶段，引入两个量化的二进制直方图数据结构表示非透明块与非透明体元，通过快速索引处理高效地跳过空块与空体元，减少计算代价。3）拓展应用于时变矢量场。对于时变矢量场，利用迹线替代流线仍能保持纹理的时空一致性可视化属性，结合纹理粒子的一致性演进、非连续性场线的处理及噪声体的时空线性约束，获得平滑动画。 实验结果表明，同数目样本点情况下，本文算法所可视化的风速中心边缘纹理细节优于已有方法，而且以较少样本点数目，仍能呈现较佳渲染;通过视点相关的噪声频率缩放仍能保持较佳的LOD渲染;容易选择最佳视点;通过加速优化，纹理体计算执行时间提高7倍左右，渲染帧率提高1.5倍左右;当拓展于时变矢量场时，动画平滑连续。 4.提出了一种基于伪梯度的增强型纹理平流方法 基于稀疏纹理的矢量场可视化可有效地避免稠密纹理所存在的严重相互遮挡与高计算复杂度问题，即在一定程度上可减轻纹理轨迹间的相互遮挡问题，通过有效的加速技术提高计算效率。然而，当以纹理方式可视化三维矢量场时，纹理卷积会降低矢量纹理脉的对比度，容易出现平流纹理细节模糊与粗糙的问题。 针对上述问题，本文提出了一种新的增强纹理平流算法。为了拉伸平流纹理脉间的对比度，考虑了邻近噪声点间的位置关系属性，计算离散型纹理的伪梯度用于平流边缘轮廓提取，选取伪梯度的最大下降幅度作为增强算子。同时，为了突显平流纹理脉的细节，考虑了矢量场的局部区域变化属性，计算纹理平流位置间的距离与跟踪轨迹曲率，用于自适应调整每一平流位置对最终输出纹理的贡献权重。最后，递归合成合适的高阶滤波核卷积输出具有时空相关性的增强平滑纹理。并提出了可视化对比度的量化分析函数来评价算法的有效性。 实验结果表明，文中所提出的算法能够有效地增加纹理平流踪迹间强度对比，可视成像轮廓图对比度大，指定路径纹理变化强烈;改善绘制效果，平滑纹理矢量线，细节清晰明亮，差值平滑对比明显;该算法能高质量显示三维矢量场的纹理分布。