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(chǎng)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(jì)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(lèi):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(diǎn)處進(jìn)行采樣。這種數(shù)據(jù)雖然表示簡(jiǎn)單、操作容易，非常適合處理均勻的數(shù)據(jù)場(chǎng)。但是大部分物理模擬計(jì)算（如計(jì)算流體力學(xué)或偏微分方程求解）生成的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)分布極不均勻，如果采用規(guī)則數(shù)據(jù)表示，將會(huì)產(chǎn)生精度問(wèn)題和極大的存儲(chǔ)冗余。因此這類(lèi)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(lái)表示，其中最常見(jiàn)的是四面體。三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的不規(guī)則體表示提高了表示精度，降低了存儲(chǔ)需求，同時(shí)也增加了在計(jì)算和繪制方面的代價(jià)。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(gè)主要挑戰(zhàn)。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，本文做了一系列的改進(jìn)和提高，具體如下:
　　 規(guī)則數(shù)據(jù)的組織方式比較簡(jiǎn)單，利于并行，而且不需要求交計(jì)算，可以節(jié)省大量的計(jì)算代價(jià)。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(shù)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(xì)的時(shí)候，就會(huì)造成八叉樹(shù)的層次比較深，極大地增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和繪制查找時(shí)間。針對(duì)這個(gè)問(wèn)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(gè)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(shí)施的四面體單元的排序操作。采用四面體重心深度值進(jìn)行排序，將幾何排序轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)排序，簡(jiǎn)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(jì)算不同采樣視點(diǎn)下，四面體集合在不同深度區(qū)間上的分布。繪制時(shí)保證四面體集合快速地劃分到對(duì)應(yīng)區(qū)間上獨(dú)立排序，各區(qū)間負(fù)載均衡。實(shí)驗(yàn)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(huì)產(chǎn)生順序錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的繪制

5、結(jié)果?；诰_遮擋關(guān)系的排序可以解決這個(gè)問(wèn)題，但對(duì)并行提出了極大的挑戰(zhàn)。本文采用分層的方式實(shí)現(xiàn)并行化的目的，但在確定層次的順序時(shí)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(gè)空間k-d樹(shù)的結(jié)構(gòu)中，將處于分割面上的四面體進(jìn)行切割，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的四面體單獨(dú)排序。極大地提高了排序的效率。但物理切割的計(jì)算代價(jià)比較大，預(yù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)量上的增加也帶來(lái)了存儲(chǔ)和繪制方面的壓力。本文進(jìn)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(jìn)行真正的切割，繪制時(shí)只是對(duì)相應(yīng)區(qū)間范圍內(nèi)的部分進(jìn)行積分。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法在不增加存儲(chǔ)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(wèn)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(gè)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(dá)的精度有限。本文將數(shù)據(jù)采用7方向盒樣條函數(shù)進(jìn)行了重構(gòu)，建立了高次連續(xù)的數(shù)據(jù)場(chǎng)。然后在數(shù)據(jù)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(lèi)，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(jìn)行體繪制。本文在第一類(lèi)方法中主要提出一種雙結(jié)構(gòu)化的架構(gòu)，保證存儲(chǔ)容量和繪制精度的平衡。而在第二類(lèi)方法中，基于四面體投影法，提出了一個(gè)完整