论文部分内容阅读
多物理场耦合数值模拟可以展现多个物理过程相互耦合的复杂物理现象,揭示其中的新物理现象。当前,随着国产高性能计算机的快速发展,多物理场耦合数值模拟已经相当普遍,其可视化需求已经出现于聚变与裂变能源、复杂电磁环境、全球气候模拟与气象预报等典型应用领域。为了直观展现多物理过程的相互耦合结果,帮助科学家深入理解多物理场之间的交互关系和因果机理,需要研究多物理场耦合可视化方法。当前,多物理场耦合可视化主要面临两个问题。首先,多场耦合的物理现象表现难。多物理场重叠会引起多物理区域非正交、二义性遮挡和聚集,基于视线排序的多场耦合绘制精度低,多物理场映射到同一颜色或图符空间会引起信息过载,现有方法难以清晰、准确地表现物理内涵;其次,多物理场耦合的交互绘制速度慢。多物理场耦合数值模拟可以产生GB(十亿字节)至TB(万亿字节)量级数据,多物理场绘制流水线的处理时间长。采用多处理器核并行可视化的方法,多核上的凹形、不连通、非流形等区域特征不仅会引起视线排序方法失效、产生不正确的并行绘制结果,还会影响并行可视化的交互性能。为此,本文立足多处理器并行计算环境,面向典型大规模数值模拟应用,围绕多物理场耦合的物理现象表现难、多物理场大规模数据的交互绘制速度慢两个关键问题,开展了若干研究。论文的主要贡献概括如下:1.提出一种基于多视觉通道的多物理场可视融合方法。该方法利用人眼视觉系统的多通道特性,基于可视融合的编码方法,将标量场、向量场、特征场等物理场通过多个视觉通道的组合方式(几何、光学)编码在一起,使得领域专家在视觉上能够正确解码出多物理场蕴含的物理现象,解决物理现象的清晰表现问题。其次,多个视觉通道可以分离不透明和透明的绘制对象,从而减少需要视线排序的绘制对象数量,提升多场耦合的绘制精度和效率。最后,多视觉通道采用了基于三维屏幕空间的融合绘制方法,能够准确地表现多物理场耦合的物理现象。它将原有物理空间上的网格单元转换为三维屏幕空间上的采样点。由于采样点的尺度小,其视线排序与形状无关,因而可以实现非正交、二义性遮挡等区域的准确排序和绘制。2.提出一种多路混合的多物理场耦合并行绘制方法。该方法利用多视觉通道的不同融合绘制特征,将多物理场耦合绘制分为几何与光学通道的多路绘制,采用不同的并行绘制模式执行。对比单路并行绘制的方式,双路混合并行绘制不仅可以发掘几何通道中融合绘制的局部性特征,提升大规模数据的交互绘制性能;还可以利用屏幕空间上的采样点排序特性,有效解决光学通道中多核之间复杂区域的并行绘制问题。同时,由于多路混合并行绘制发生在三维均匀采样空间,因此本文的多物理场耦合并行绘制方法具有普适性,它既可用于多处理器核的并行绘制,也可用于多图形硬件加速的并行绘制,可以满足不同典型领域应用的需求。相对传统方法,本文方法无需针对多物理区域进行网格分割及凸化细分,不会引起计算与内存开销的额外显著增长,尤其适用于大规模、超大规模的数值并行应用场景。本文的多物理场耦合并行可视化方法已被应用到聚变与裂变能源、复杂电磁环境、全球气候模拟与气象预报等典型应用领域。通过本文方法,国内的反应堆物理学家首次能够对高分辨率数值反应堆的堆芯物理过程进行直观理解和分析,计算电磁领域专家则可以借助直观的电磁模拟可视分析能力来进行真实型号的设计。多场耦合并行可视化的性能结果显示,针对10亿规模结构网格数据,本文方法可使用数十处理器核耦合图形硬件将并行绘制时间降低到1秒/帧以内;针对20亿规模非结构网格数据,本文方法可以将并行绘制所需的处理器核数从数百核降低到24核,绘制时间优化到100秒/帧量级;针对80亿超大规模结构网格数据,本文方法可以在超算上的数值模拟期间完成多物理场耦合并行绘制,可以解决超大规模数值模拟的高效可视分析问题。综合结果表明,本文方法可以满足上述典型领域应用的多物理场耦合可视分析需求。