在工程科学计算领域中,基于数值计算的模型通常会得到规模庞大的数据集合,为了利用图形、图像完整准确地表达数据集合的特征、揭示其内涵,计算可视化已成为当前科学研究及工程研发过程中不可或缺的技术手段。实际工程应用中,复杂产品设计集成了各学科领域的多种异构软件的计算分析过程,与之相关的科学计算可视化则需针对多个计算状态进行异构数据集合的处理,通常包括有限元计算结果以及测量、扫描设备所提供的数据点集的可视化。科学计算可视化重点在于三维数据集合的可视化,换而言之,以三维等值曲面构建技术为核心针对不同种类的数据集合提供不同的解决方案。传统的三维等值曲面构建方法中,若干数据点集合来源于有限元计算结果,不仅可能产生二义性问题,而且高阶单元或加密单元的剖分方式亦可能产生错误的结果;如果数据来源于离散数据集合,则如何保证复杂自由曲面之间的连续性是需要克服的重要问题之一。本文以复杂产品设计中的计算可视化过程为研究背景,分别探讨了有限元计算结果及离散数据集合这两种类型数据的特点,以“计算——构建——存储——优化”为研究思路、以快速有效地生成三维曲面为目标,深入剖析了四面体及六面体两种单元的数据分布特征,研究了离散数据的复杂曲面构建问题。提出了一系列适用于常用单元(8节点一阶六面体单元、10节点二阶四面体单元、20节点二阶六面体单元)的等值曲面构建技术、以及面向离散数据集合的复杂曲面拼接技术。这些技术解决了常用单元中由各类二义性引起的计算冗余代价问题,并实现了针对离散数据集合的复杂曲面间具有近似几何连续性的拼接。具体而言,本文主要完成了如下工作:(1)提出基于对角面辅助点的等值曲面构建方法。利用常用单元插值函数计算等值点与关键特征点等几何量。结合梯度的概念及几何意义进行等值点追踪,对角面辅助点用于避免结果的不确定性,通过调整步长、合并阈值的方式来控制等值面精度及面片数目。解决了以一阶六面体单元为基础的三维等值曲面构建问题。(2)基于特征关键点及压缩索引策略建立基于二阶单元的等值曲面构建方法。简化了常用二阶单元的表面及棱边的插值函数,提出几何元素关系矩阵,通过添加特征关键点避免了二义性,解决了同一单元中存在回转面的问题,将三角化过程植入关键点抽取中,计算关键点同时直接生成面片,并提出优化修复策略以满足图形精度要求。分析了所抽取特征等值点的几何位置及其相互之间的逻辑关系,设计了三角面片的压缩索引结构以及与之相应的存储、分裂及优化策略,实现了降低存储及计算代价的目的。(3)面向三角Bernstein-Bezier曲面,提出具有近似几何连续性的拼接方法。深入地分析研究了自由曲面几何连续性的定义及三角Bernstein-Bezier曲面的性质,仅仅调整已有控制点来修改已有曲面,即实现了具有近似G0、G1连续的拼接。该方法不受曲面阶次、数目及拼接位置等因素的约束,保证了视觉效果,而且无需在拼接过程中进行升阶等复杂操作。(4)最后,针对可视化前处理过程中的数据异构问题,提出了解决方案并实现了异构数据文档的智能分析,设计开发了具有人机交互界面的可视化系统。建立了以参数解析为基础多种计算软件的集成平台,实现了异构数据文件间的交互及访问,并在人机智能界面中提供了多种可自由定制类型的数据输入输出操作,以及数据结果的可视化功能。