流场可视化是一种将流场数值模拟产生的数据转化为计算机图像,辅助用户研究流体运动规律的重要工具。目前多数流场可视化系统受到二维显示交互环境的限制,在分析三维流场数据时难以为用户提供有效的深度信息,极大影响了用户的数据分析体验及人机交互效率。沉浸式是一种在三维空间中显示图形图像,并允许用户通过自然交互方法与之交互的技术。沉浸式技术因其三维显示及交互的特点被更多的应用到了流场可视化领域。但目前沉浸式流场可视化的研究工作处于初级阶段,多数工作局限于沉浸式显示或采用手柄进行简单交互,难以满足领域专家的常规工作分析需求。本文针对沉浸式流场可视化在沉浸式显示及自然交互等方面的设计及技术问题开展研究,具体研究内容如下:(1)提出一种基于沉浸式增强现实的流场可视化方法,通过在现实空间叠加流线向用户展示流场数据变化特征。为解决因增强现实设备计算能力匮乏导致的流线计算困难问题,该方法采用客户/服务器架构,以服务器进行流线计算,以头戴增强现实设备进行流线定位、结果绘制及用户交互,该方法能在现实空间的正确位置为用户叠加展示具有深度信息的流场可视化结果,为用户日常分析与决策提供参考。(2)在充分调查用户交互需求的基础上,提出基于凝视(Gaze)、手势(Gesture)的沉浸式三维流场可视化自然交互模型(GG模型)。该模型定义了适用于沉浸式流场可视化的凝视、手势交互操作,在此基础上设计了基于用户手势的导航方法及交互控件,以及基于用户凝视与手势的参数配置面板,分别满足用户导航、空间交互及参数配置需求。最后,在GG模型的基础上,基于用户凝视设计了适用于沉浸式增强现实环境流线法的新交互方法:基于用户凝视与手势的种子点放置方法及基于用户凝视的流线布置方法。后续实验证明,该模型能够为沉浸式环境下的多数流场可视化场景提供自然高效的交互。(3)基于Leap Motion及HTC Vive Pro实现了支持流场可视化全分析流程的沉浸式虚拟现实流场可视化系统。该系统设计并实现了基于可视化场景的用户交互流管理方法与基于可视化算法树的算法网络管理方法,为沉浸式环境下的流场可视化工作提供全流程支持;随后,基于VTK、Steam VR、Leap Motion SDK实现了GG模型;并针对后续评估反映出的持续型手势抖动问题,提出了手势持续状态保护去抖法,减少持续型手势的意外中断,改善用户交互体验,提升用户交互效率。沉浸式虚拟现实流场可视化系统的实现验证了GG模型的可行性,为后续的模型评估奠定基础。(4)为验证上述交互方法的有效性,并为后续的研究提供有价值的参考,基于沉浸式虚拟现实流场可视化系统进行了多种交互方法的评估对比实验。对于GG模型,根据领域专家的建议设计了模拟常规流场可视化流程的交互任务,将GG模型与传统二维交互、手柄交互进行对比,采集了交互时间、交互难度、学习难度、疲劳度及用户偏好数据;对于基于用户凝视与手势的种子点放置方法,设计了针对种子点放置的交互任务,将其与传统二维交互及基于手势控件的交互进行对比,并采集了交互时间、交互准确度、交互难度及疲劳度数据;对于基于用户凝视的流线布置方法,以量表形式收集了用户的评价与建议。实验结果表明,本文提出的交互方法能够为用户提供高效、自然的交互,能够有效改善用户的分析体验。