可视化利用计算机将数据转换成可交互的图形化表示,从其本质而言,可视化主要包括两个部分:显示和交互。为了突出后者相关技术与可视化的关系,并且与人机交互等相关学科区分开来,通常称为交互式可视化,因与可视分析有着密切的关系,又称之为交互可视分析。多年来,交互式可视化被广泛认为是科学可视化主要的研究问题之一。随着数值模拟规模的不断增大、交互设备的日新月异、可视化需求的日益增高,交互式可视化技术面临新的挑战,近年来已逐渐成为科学可视化领域研究的热点。本文针对已有的交互式可视化技术存在缺乏直观性以及效率不高、交互点定位精度低甚至有误等问题,结合流场科学计算数据和医学图像数据的交互三维体可视化的实际应用需求,对交互点准确快速确定、关键特征交互可视化、大规模科学数据交互可视化等关键技术展开研究,主要工作和创新点如下:1.针对已有体可视化交互方法缺乏直观性以及效率不高问题,提出一种直观高效的直接体过滤交互体绘制方法。该方法适用于体可视化方法和转换函数设计。采用基于草图的交互界面,提供了支持RGBA四个通道分通道直接编辑的转换函数编辑器,支持自然直接的数据分析和编辑操作,可以根据用户需要突出显示所关注特征,编辑的结果基于所见即所得(WYSIWYG)模式。应用多个实例数据的交互体可视化实验结果,验证了所提出的直接体过滤方法的有效性与易用性,所开发的RGBA四个通道直接编辑器实际使用效果显著。用户对比也证实了所提出方法的友好性和高效性优于已有方法。2.已有的多结构体数据分割与标记方法很难自动得到正确的分割与标记结果,常常需要依赖专业人士的交互,这使得多结构体分析耗时、费力且容易出现错误和遗漏。为了解决这一问题,提出一种新颖的模型驱动的体分析方法。利用高斯混合模型GMM结合区域增长方法,实现多结构体数据自动分割;利用新提出的体-模型匹配方法,直接建立已分割体数据与几何模型数据的对应关系,实现不同组织的自动标记;另外,提供了一些对复杂多结构体数据分析实用而有效的交互分析功能。多个应用实例的实验结果表明,所提出体数据分析方法将已有的知识模型融入到了体数据分析中,可以显著减少用户的交互与分析时间,提高分析效率,有效实现多结构体数据的自动和半自动标记以及真实感绘制。3.如何根据用户的二维输入推测三维信息是科学数据交互式可视化所面临的一个基础性问题。已有的方法通常假设用户的输入是精确的,但是实际上由于诸多因素的影响,用户的输入并不精确,从而造成推测交互点位置的不准确和错误。为了克服已有方法的不足,提出一种在体数据可视分析过程中基于显著性推测交互位置的有效方法。该方法基于所提出的体显著性定义,不仅考虑数据网格空间和属性空间,也融入了转换函数空间和用户输入。所得到的显著性不仅可以像传统方法一样显示原始数据中显著地区域,而且可以反映使用者所关注的区域。另外,所提出的显著性可以消除数据和设备误差导致的错误,有助于用户快速聚焦所关注的区域。多个实验证明了所提出方法可以合理优化用户输入,帮助用户准确获取所关注数据特征。4.针对时变体数据可视化转换函数设计以及关键帧选择等关键问题,提出一种基于时空体显著性检测分析时变体数据场中显著区域的可视分析方法。基于显著区域相对其周围更为突出这一中心环绕假设,将已有的空间显著性扩展到时间域,引入时间体显著性,定义为体属性时间维梯度尺度无关的高斯加权平均,然后利用中心环绕算子计算。综合空间体显著性和时间体显著性之后,得到的时空体显著性可以检测显著区域的变化,最后将所定义的显著性用于自动生成时变体数据转换函数、检测时变体数据关键帧。实验结果验证了所提出方法不仅可以突出关键特征及其发展变化,也反映了整个体数据的重要变化,并显著减少了视觉混乱。所提出的时变体显著性定义为时变体数据的分析提供了一种新的思路。5.利用天河-1A超级计算机软硬件系统和Para View并行可视化开源平台构建了面向计算流体力学的大规模数据交互式可视化系统。该系统根据所提出的体显著性确定流线种子点布局,实现高效的动态图元三维流场显示方法;利用所提出的三维空间交互点优化算法,基于三维力传感器交互设备Falcon实现了三维立体交互界面;另外,根据领域专业特点以及三维场景可视化的需求,开发了一系列交互式可视化的实用功能。将该系统应用于不同类型、不同规模的三维流场数值模拟数据交互可视化,结果表明该系统可以满足用户的交互可视化需求,具有良好的实用性,验证了所提出的主要研究成果的先进性和有效性。