四面體體數(shù)據(jù)高效可視化技術(shù)研究.pdf

1、體可視化能有效展示三維數(shù)據(jù)場中有意義的結(jié)構(gòu)或信息，被廣泛應(yīng)用于三維醫(yī)學(xué)影像分析、地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化和流體計算仿真等領(lǐng)域。常規(guī)的體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可分為兩類:規(guī)則數(shù)據(jù)和不規(guī)則數(shù)據(jù)。規(guī)則體數(shù)據(jù)常常用三維數(shù)組表示，在等間距的網(wǎng)格點處進行采樣。這種數(shù)據(jù)雖然表示簡單、操作容易，非常適合處理均勻的數(shù)據(jù)場。但是大部分物理模擬計算（如計算流體力學(xué)或偏微分方程求解）生成的三維數(shù)據(jù)場分布極不均勻，如果采用規(guī)則數(shù)據(jù)表示，將會產(chǎn)生精度問題和極大的存儲冗余。因此這類不規(guī)則體

2、數(shù)據(jù)采用多面體或其他不規(guī)則數(shù)據(jù)單元來表示，其中最常見的是四面體。三維數(shù)據(jù)場的不規(guī)則體表示提高了表示精度，降低了存儲需求，同時也增加了在計算和繪制方面的代價。如何提高繪制效率，如何提高繪制結(jié)果的精度，是不規(guī)則數(shù)據(jù)體繪制的兩個主要挑戰(zhàn)。針對這兩個問題，本文做了一系列的改進和提高，具體如下:
　　 規(guī)則數(shù)據(jù)的組織方式比較簡單，利于并行，而且不需要求交計算，可以節(jié)省大量的計算代價。因此將不規(guī)則數(shù)據(jù)規(guī)則化是提高性能的最直接的解決方案。已有

3、工作將基于四面體的體數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為八叉樹結(jié)構(gòu)，使用基于紋理的方法完成繪制。但是當(dāng)不規(guī)則數(shù)據(jù)比較精細的時候，就會造成八叉樹的層次比較深，極大地增加數(shù)據(jù)存儲和繪制查找時間。針對這個問題，本文提出了一種雙結(jié)構(gòu)化的解決方案。處理結(jié)果為使用GPU的兩個紋理結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)即節(jié)省空間，又能充分地利用GPU，提高繪制的效率。
　　 規(guī)則化是一種精度有損的方法。因此本文的主要工作是關(guān)于直接可視化不規(guī)則體數(shù)據(jù)，代表性方法是投影法，而其中的效率瓶頸在于

4、逐幀實施的四面體單元的排序操作。采用四面體重心深度值進行排序，將幾何排序轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)排序，簡單方便。目前這種排序都是采用一些已有的通用方法，而本文考慮到四面體數(shù)據(jù)在空間上的連貫性。預(yù)計算不同采樣視點下，四面體集合在不同深度區(qū)間上的分布。繪制時保證四面體集合快速地劃分到對應(yīng)區(qū)間上獨立排序，各區(qū)間負載均衡。實驗證明，本文的方法極大地提高了重心排序的效率。
　　 重心排序的方法是不精確的，在有些情況下會產(chǎn)生順序錯誤，從而導(dǎo)致錯誤的繪制

5、結(jié)果?；诰_遮擋關(guān)系的排序可以解決這個問題，但對并行提出了極大的挑戰(zhàn)。本文采用分層的方式實現(xiàn)并行化的目的，但在確定層次的順序時依舊受到串行處理的困擾。物理切割可以打破層間的順序性，本文將四面體數(shù)據(jù)組織到一個空間k-d樹的結(jié)構(gòu)中，將處于分割面上的四面體進行切割，每個節(jié)點內(nèi)的四面體單獨排序。極大地提高了排序的效率。但物理切割的計算代價比較大，預(yù)處理時間較長，數(shù)量上的增加也帶來了存儲和繪制方面的壓力。本文進一步改善了該方法，提出一種邏輯切割

6、的方式。即在邏輯上將數(shù)據(jù)劃分到不同的深度區(qū)間，但不進行真正的切割，繪制時只是對相應(yīng)區(qū)間范圍內(nèi)的部分進行積分。實驗證明，這種方法在不增加存儲壓力情況下極大的提高了精確排序的效率。
　　 除了排序效率的問題，繪制結(jié)果質(zhì)量的提高也是不規(guī)則數(shù)據(jù)體繪制的一個重要方面。當(dāng)前的方法大都是假設(shè)數(shù)據(jù)在四面體內(nèi)部是線性分布的，表達的精度有限。本文將數(shù)據(jù)采用7方向盒樣條函數(shù)進行了重構(gòu)，建立了高次連續(xù)的數(shù)據(jù)場。然后在數(shù)據(jù)場中提取二次四面體，采用有限元的

7、方法繪制了基于二次插值函數(shù)的結(jié)果。實驗結(jié)果顯示，基于二次插值函數(shù)的繪制結(jié)果不僅繪制精度更高，而且能夠強化特征、顯示更多的模式、消除四面體之間的裂縫。極大地提高了繪制質(zhì)量。
　　 本文工作集中在不規(guī)則體數(shù)據(jù)的可視化。具體方法分為兩大類，一是將不規(guī)則數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)則數(shù)據(jù)再繪制;二是在不規(guī)則數(shù)據(jù)上直接進行體繪制。本文在第一類方法中主要提出一種雙結(jié)構(gòu)化的架構(gòu)，保證存儲容量和繪制精度的平衡。而在第二類方法中，基于四面體投影法，提出了一個完整