硕士论文-高质量的实时直接体绘制算法

中南大学硕士学位论文高质量的实时直接体绘制算法姓名：胡慧君申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：费耀平20090501高质量的实时直接体绘制算法作者：胡慧君学位授予单位：中南大学相似文献(10条)1.学位论文魏继增Ray-casting算法硬件体系结构RCAA关键问题研究2006直接体绘制技术(DirectVolumeRendering)是计算机图形学的一个分支和热点研究方向，同时也是计算机可视化技术的一项核心技术，在医学、地质科学、流体力学等领域得到广泛重视和应用。其中基于象序Ray-casting算法是目前国际上最流行的一种体绘制技术，绘制质量较高。但随着可视化技术的深入发展和应用，数据规模越来越大，导致体绘制速度与用户要求实时、交互进行显示处理之间的矛盾越来越严重，因此在保证绘制质量的前提下，速度成为体绘制技术进一步发展的瓶颈。本文主要针对该问题提出了基于Ray-casting算法的硬件支撑体系结构RCAA(Ray-castingArithmeticAccelerator)。针对Ray-casting算法的特点，本文给出了相应的计算模型(高速模型和高质量模型)和硬件支撑体系结构RCAA，同时描述了RCAA各模块的主要功能。作为RCAA中的瓶颈部件——存储器系统，本文提出了无访存冲突的并行低位交叉存储方式以提高存储系统的吞吐率。根据并行存储器的特点，提出了体素在并行存储器中的存储方式以及如何充分的利用DRAM的页模式结构来提高Cach命中率。根据体素在并行存储器中的分布方式，本文提出了一种确定体素在存储器中具体位置的地址计算方法，此方法完成从三维地址到一维地址的变换。此外还提出如何采用基于FPGA查找表结构完成坐标变换以确定重采样点的位置。针对Ray-casting算法的重构部分，本文对线性插值进行了改进并设计了三维线性插值器。利用功能仿真工具、逻辑综合工具与软件相结合验证了结果在逻辑上的正确性。最后，本文完成了对RCAA中明暗计算单元和融合单元的设计，并利用功能仿真工具、逻辑综合工具与软件相结合验证了结果在逻辑上的正确性。根据明暗计算单元的特点，提出了一种新的设想以解决明暗计算速度和芯片面积存在的问题。2.学位论文任继成三维数据场并行体绘制技术及可视化系统的研究与实现1999数据场可视化技术是计算机图形学研究领域中最热门的课题之一,它为洞察大规模三维数据内含信息提供了直观有效的手段,在医学、气象、计算流体力学等领域有着重要的应用价值.该文首先介绍了可视化技术和并行图形生成的基本概念与方法,综述了并行体绘制技术的当前最新研究进展,针对三维数据场的并行体绘制技术及可视化系统进行了研究,提出并实现了以下算法,并完成了部分可视化的实际应用工作.此外,该文还完成了大量可视化应用系统的研究实现工作,分别给出了一个通用的数据场可视化系统DVS、一个应用于医学图象处理的三维立体定向放射治疗计划系统和一个应用于气象云图数据处理的三维立体云图显示处理系统的设计与实现.3.学位论文张毅力医学图像三维可视化体绘制技术研究2008科学计算可视化是当前计算机图形学研究的重要方向，它将大量抽象的数据或计算结果用图形或图像形象、直观地表示出来，应用领域十分广泛.医学图像三维可视化是可视化技术在医学领域的一个重要应用，是当前医学图像处理的研究热点。医学图像三维可视化重建出的三维图像，能直观地显示人体组织的内部复杂结构，弥补医学成像设备在成像上的不足。其中的体绘制方法直接对所有的体数据进行处理，有利于保留三维医学图像的细节信息，具有较好的绘制效果。医学图像体绘制的意义在于高质量的绘制效果，所以体绘制的研究热点及目的在于在绘制质量和绘制速度之间寻求较好的平衡点。本文首先对体绘制技术的相关内容进行了详细的介绍，包括体绘制的概念，体绘制的特点，体绘制的过程，体绘制的光学模型，重采样原理；分析了几种体绘制的典型算法，概括了它们的改进之处，对性能进行了评价，总结了提高体绘制算法效率的有效方法，即减少重新采样的计算量；由于光线投射算法对所有的体数据进行处理，具有较好的图像质量，缺点在于绘制速度较慢，所以着重研究了光线投射算法的原理和实现过程，利用对象空间的相关性，采用舍弃贡献不大的射线段参与采样的方法，提出了一种基于光线投射法的快速体绘制算法。在实现过程中，利用了VTK可视化开发包，简化了算法的实现过程，提高了算法的效率。4.学位论文胡彦波基于可编程GPU的体绘制技术2008本课题的研究在体视化领域及计算机图形学领域具有一定的理论价值,同时还具有很强的实际应用背景,它在医学图像分析以及工业无损检测中都有广泛应用。本文的主要研究目的是利用可编程图形处理器(GPU)实现的实时高速体绘制方法,结合目前已经存在的基于光线投射的体绘制算法和基于纹理映射的算法来实现加速绘制；另外,本课题还对体数据中被遮挡的内部结构的关键分析技术进行研究,研究内容包括基于焦点区域的体视化、基于GPU的焦点区域体绘制方法的加速算法。该算法也是体数据定量化分析的解决方法之一。本文首先介绍了体视化及体绘制的研究现状、相关基础知识及和本文相关的一些重要概念,并对当前图形硬件的发展状况以及可以被实现加速体绘制加以利用的性能进行介绍。同时,本文还对体绘制的流程以及可编程图形处理器的绘制流程做了比较详细介绍。在此基础上,本文结合可编程图形处理器的相关特性,利用GPU的可编程顶点和片段着色器,对直接体绘制技术中的光线投射算法和基于3D纹理映射的体绘制算法进行改进。将大量的图形变换及处理工作放入可编程管线中,进而实现硬件加速的直接体绘制算法。而针对体数据中被遮挡的内部结构,本文也分别给出了利用当前图形处理器提供的可编程接口以及对纹理单元的处理能力实现的基于焦点区域的光线投射体绘制算法以及纹理映射算法。最后,介绍了利用NVIDIA的高级渲染语言CG实现的体绘制算法,给出相应的实验结果。5.学位论文孟鑫基于COW的体绘制关键技术研究2006本文对体绘制技术进行了深入研究，介绍了它的产生背景和应用领域。与传统的面绘制技术相比，体绘制技术具有明显的优势，因此成为计算机图形学的一个发展热点。由于体绘制技术本身需要对大规模的数据场进行重构处理，算法执行速度较慢，这成为其发展的瓶颈。目前该领域的主要研究方向集中在改善绘制图像的质量和提高渲染速度两个方面上，论文首先介绍了当前国内外学者对体绘制技术的研究成果和该领域的整体水平，随后提出一种采取多重构核的方法改进Splatting算法的图像绘制效果，接着运用并行计算技术对体绘制算法进行加速，最后得出结论。Splatting算法作为物序体绘制算法的代表，具备图像质量高、执行速度相对较快以及参加计算的体素可以灵活选择等优点。本文对该算法进行了深入研究，对Splatting的核心内容——重构核进行了详细分析，得出选择重构核的标准；提出一种采取多重构核的Splatting体绘制算法，对数据场内的不同体素进行分类后，应用以不同的重构核，利用不同重构核的特征计算其对最终图像的影响。由于重构核可以在算法执行前采取预计算方式得到，因此该方法在没有大幅度增加绘制时间的前提下，提高了图像的质量，使结果图像中包含更多的细节信息。本文针对基于工作站机群的并行体绘制算法进行了研究。利用现有PC工作站通过高速局域网组成的并行环境以低廉的成本实现大型机的计算效果，而在不执行并行任务时，集群环境内的计算机仍然可做它用。论文采取消息传递机制作为体绘制算法并行化的思路，设计并实现了一个基于Windows平台的并行Splatting程序。该并行程序采取主从模式，使用动态任务分配策略，保证负载均衡。实验结果证明，该并行体绘制程序实现了对串行算法加速的结果，适合于大规模数据场的绘制。最后，对本文的研究内容进行总结，并指出未来继续进行研究的方向。6.学位论文唐炜基于GPU的医学图像高质量体绘制技术2008医学图像三维重建是目前的一个研究热点问题，是一个多学科交叉的研究领域，是计算机图形学和图象处理在生物医学工程中的重要应用。它涉及数字图象处理、计算机图形学以及医学领域的相关知识。医学图像三维重建及可视化在诊断医学、手术规划及模拟仿真、整形及假肢外科、放射治疗规划、解剖教学等方面都有重要应用。因此，对医学图像三维重建的研究，具有重要的学术意义和应用价值。本文主要研究了利用可编程图形硬件的加速光线投射算法的高质量体绘制技术。目前的可视化技术的两个主要的研究方向分别是提高重建速度和增强成像质量。本文一方面依靠光线投射算法的可控性，提出各种滤波和反走样技术，以增强可视化的成像质量；另一方面利用了现代图形处理器的可编程性、高速性、并行性来提高可视化的重建速度。并将这两者有机的结合在一起，来解决可视化实现过程中的经常遇到的成像失真和大数据绘制问题。并在最后研究了对于分割后数据的可视化技术。本文首先对光线投射算法进行深入的研究和讨论，并详细的介绍了可编程GPU的技术框架和相应的着色语言。最后，将两者结合起来，研究了基于GPU加速的光线投射体绘制技术。在第三章，本文从基于GPU的可视化流水线的角度，对成像质量问题进行了深入细致的分析，研究各种产生走样的原因，并提出了相应的解决方案。第四章对大规模医学图像数据可视化问题进行了全面的研究。文章最后研究了分割后数据的可视化问题。设计并实现了在基于GPU的绘制框架下的多通道二级绘制框架来对分割后医学体数据进行可视化处理。7.学位论文田玲基于体绘制的三维数据场可视化技术研究2007科学计算可视化是20世纪80年代发展起来的一个新的研究领域。它运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果数据转化为图形及图像在屏幕上显示出来，并进行交互式处理。科学计算可视化技术的核心是三维空间数据场的可视化，有几种不同的可视化算法。体绘制技术是近年来迅速发展起来的一种三维数据场可视化方法，是当前可视化研究的热点，具有较大的研究价值和应用前景。本文首先探讨了三维数据场可视化的几种方法，分析了它们的差异和特点：接着描述了几种典型而又常用的体绘制算法；分析了体绘制技术的基本概念及实现的关键技术，包括体绘制的光学模型，体数据的分类，体绘制转换函数的设计，梯度估计，空间变换，投影变换和图像合成等。特别是针对不同类型的体数据，通过分析其灰度直方图设计了不同的不透明度转换函数。接下来，本文研究并实现了基于纹理映射的体绘制算法。此算法是利用二维或三维纹理数据，通过混合体素的属性信息来绘制三维图像。算法的实现原理类似于光线投射体绘制算法。但与光线投射算法不同的是，此算法利用空间信息对穿过同一切片的所有光线同时处理。因此，算法拥有比光线投射算法更高的性能，可以在普通PC机上实现。本文将基于纹理映射的算法分为基于二维纹理映射的体绘制算法和基于三维纹理映射的体绘制算法分别进行描述。针对二维纹理映射算法的缺点，提出了改进的算法，利用变换纹理序列以避免结果图像的失真。对于三维纹理映射体绘制算法，采用了求体数据包围盒与垂直于视线的平面的切片多边形的方法，通过计算顶点的坐标确定切片多边形，达到了较好的绘制效果。最后，利用文中分析的基于纹理映射的体绘制算法设计并实现了一个初级的可视化系统。系统具有良好的可移植性，可以在不同的操作系统平台上运行。在实现过程中，运用了Java3D技术。通过选择不同的体数据进行体绘制及切片的显示，验证了本文研究的体绘制技术及其应用的有效性。8.学位论文李志永三维地震数据场可视化足迹法研究2008三维地震数据体中蕴涵着地下岩层的丰富信息，以前由于没有合适的三维显示技术，人们只好利用一条条地震剖面和水平切片来显示三维地震数据。这样导致了大量信息的丢失，多年以前人们就认识到了这个问题，并指出了三维数据三维解释的出路。三维可视化技术是一项地震资料解释新技术。它运用计算机图形学和图像处理技术，将三维地震数据转换为图形及图像在屏幕上显示并进行交互式处理。三维可视化技术的应用，大大提高了地震资料解释的工作效率，所获成果更为直观、可靠。三维可视化技术有两种方法，即面绘制和直接体绘制。直接体绘制