矢量场可视化的基本流程

根据不同的原始数据和不同的显示要求，矢量场的可视化可能有许多不同的方法，但无论采用什么方法都至少包括三个主要步骤，这和标量场的可视化是一样的。这三个步骤是：①矢量数据的预处理；②矢量数据的映射；③绘制和显示。通过这三个步骤，就可将用户输入的原始矢量场数据按用户的要求转变成图形或图像等可视信息，以达到便于用户理解的目的。下面，分别介绍这三个主要步骤。

1.矢量数据的预处理

矢量场可视化中的原始数据一般来自数值计算、工程实验或测量的结果。它的数据类型比较复杂，不仅包括温度、压强等标量数据，还包括速度等矢量数据，甚至涡流张力等张量数据。更为困难的是，由于科学计算领域的千变万化，这些数据点的分布也很不规则。显然，这样的原始数据是无法直接输入到可视化软件中加以处理的，因而必须研究行之有效的方法对这些数据进行预处理，转化为有利于后续可视化软件模块处理的形式。

由于矢量场具有数据点之间拓扑结构非常复杂以及数据量惊人庞大的特点，因而在矢量场可视化的预处理中，如何针对这两个特点，研究行之有效的预处理方法非常重要。

首先，对于复杂的拓扑结构，一种方法是采用六面体体元的组织方法。这种方法对于规则的和结构化的不规则矢量数据比较有效，通过将矢量数据所在的物理空间与规则的计算空间建立一一映射的关系，后续的可视化过程可直接在规则的计算空间完成，从而大大加快矢量场可视化的速度。对于非结构化网格则可通过重新采样的方法，先建立六面体体元的表示，再进行处理。但重新采样将产生较大的误差，而非结构化矢量场是很常见的，因而，可以以四面体为基本单元的三维矢量场数据组织方法，即进行空间域的三角化。由于四面体是最简单的凸多面体，任何其他类型的体元均可转化为四面体体元，因而采用这种方法后，无论拓扑结构多么复杂的数据场，均可转化为统一的表达形式，从而为矢量场数据拓扑结构的复杂性问题提供了一种有效的解决途径。

其次，面对惊人庞大的数据量，目前最有效的方法就是提取数据中的重要信息，减少数据量，即进行数据的过滤、特征的检测、抽取、增强等处理，这一过程也是在预处理阶段完成的。

2.矢量数据的映射

矢量数据映射的目的是将预处理后的矢量数据转化为可通过图形予以显示的几何数据，这是矢量场可视化的核心。由于目前还没有一种直观的、普遍认同的三维矢量场映射方法，因而三维矢量数据的映射一直是三维矢量场可视化研究的热点所在，许多研究者对此进行了大量的研究，提出了各种各样的映射方法及相应的分类，如Hesselink［HESSM］的图标分类法等。在对人的视觉机理进行研究后发现，人们在看一个物体时，最容易识别的是物体的形状、颜色和纹理。已有的矢量场映射方法事实上都是将枯燥的数据映射为这三种可视元素，以达到便于用户理解的目的。

3.矢量数据的绘制和显示

绘制和显示过程的任务是将映射后的几何数据和属性转换成图像数据并输出到显示设备，包括扫描转换、隐藏面消除、光照计算、透明、阴影、纹理映射等，这些都是计算机图形学中比较成熟的理论与算法，在本章中就不再讨论了。