流场可视化让看不见摸不着的流场显露“真容” 目前，科学模拟计算已成为研究流场及其中蕴含的自然现象的重要手段。然而，模拟产生的流场数据本身不可见，因此需要通过可视化进行绘制，使领域专家能直观地验证模拟实验的正确性。现代流场可视化技术通常在虚拟空间中释放无质量粒子（种子点），追踪其轨迹，并使用计算机图形学方法进行绘制，即可直观展示流场。其中，定常流场中单个粒子的轨迹称为流线，而种子线扫过的轨迹形成的曲面则称为流面。
▲ 流面可视化：方形障碍物后的流场
流面是空间中二维连续的曲面，其比一维连续的流线能表示的结构更为复杂，能传递许多流线无法表示的信息，如流体的发散、汇合、扭曲、折叠等较为复杂的物理现象。同时，流面的覆盖范围更大，能表示更为全局化的信息，流场中少数的几个流面往往能较为完整地描述整个流场的信息。然而，流面的复杂结构及较大的覆盖范围，在现有的流面可视化中也极易造成视觉遮挡，给领域专家从流面可视化中获取有效信息带来困难。尤其是在涡流等复杂的流场结构中，缠绕在一起的流面难以为流场性质的分析研究提供准确信息。
▲ 缠绕的流面较难分析
SurfRiver的空间布局与视觉编码二维中“展开”三维流面 随着超级计算机的快速发展，模拟计算的规模越来越大，精度越来越高，产生的流场数据也越来越多，如何帮助领域专家快速理解分析大规模流场，一直是广州超算可视化团队的重要研究内容。近期，国家超算广州中心陶钧副教授团队与美国圣母大学王朝利教授团队合作提出了一种新的流面映射方法SurfRiver，将三维空间中的流面映射到二维平面上形成抽象化表现形式——河流图。河流图保持原始流面的时空联系，使领域专家可以更有效地对流面进行观察及交互，从而快速追踪流面上的特征，准确判断特征出现的时间，及直观对比多个流面，提高对大规模流场数据的分析效率。相关研究成果以题为“SurfRiver: Flattening Stream Surfaces for Comparative Visualization”发表在可视化领域顶级期刊IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics。
SurfRiver通过优化方法在二维河流图上直观地保留了原始流面的时空关系。首先，SurfRiver在横轴方向保持了流面的时间维度上的关系。SurfRiver将流面的时间步信息映射到图的节点上，并通过目标函数限制节点在横轴坐标的相对位置与其对应的时间关系不发生变化，从而保证了河流图能准确反映每个流面上的流向及不同流面上的时间联系。其次，SurfRiver中河流在纵轴上位置反映流面之间的空间关系。SurfRiver通过最近点平均距离描述不同流面之间的空间关系，并利用优化方法求解最优位置，使二维河流尽可能反映其对应流面的三维空间距离。此外，SurfRiver对流面的特征进行编码并显示在对应节点旁，从而帮助研究人员快速定位观察部位。SurfRiver同时提供一系列交互工具，允许用户对河流及其分支进行多级别标记，高亮，缩放，定位等操作，从而更有效地发掘流场中蕴含的信息。
多领域应用示范助力领域专家更精准分析
SurfRiver使领域专家能对流面上表现的物理现象进行更为细致的分析。例如在非定常流场Square Cylinder中，下图的传统方法（a）只能展示流面在靠近数据中心的涡流处大量缠绕，但缠绕造成的视觉遮挡阻碍了对流体运动细节的观察。而在SurfRiver表示形式下（b），则可以清晰看到每一个分支从涡流中分离出来的时间步，以及每一个时间步内还有多少流面的分支仍然留在涡旋内。
此外，SurfRiver也可以帮助领域专家更高效准确地对比多个流面。例如，医疗工程专家通过SurfRiver观察血管瘤中血流所产生的流面，能帮助其制定药物释放策略。通过SurfRiver，只需一键就可以沿副法向量方向生成一系列流面，用于描述在不同部位的流场模式。
从上图中可见，原始的三维流面（上图第一行）仅能展示较为明显的差异（如红色流面不进入血管瘤），而难以对细节进行比较。而在SurfRiver表现形式下（上图第二行）则可以清晰到底看到流面的分支情况与各个流面从动脉瘤从流出的时间，各分支的流量大小，从而对比种子线放置点的细微差别所带来的对流面的影响进行更精准的分析。
广州超算可视化研究团队提出的SurfRiver方法可适用于展示任意流场中由流面所表示的复杂流态，还将进一步应用于大气海洋科学、化学反应、风洞实验等诸多领域。此外，由于其空间布局方法具有极强的化繁为简的能力，也能应用于海量集成数据中多个流场的可视化总结与比较，帮助领域专家快速分析理解多种模拟模式，条件及参数所产生数据的异同。未来，广州超算可视化研究团队将进一步优化SurfRiver，为各领域应用专家提供有效的可视化分析新工具，依托超算获得最快研究成果产出。
原文链接：
