交互体绘制关键技术及其应用研究

【摘要】：体视化尤其是其中的体绘制是三维数据场可视化领域最重要、近年来发展最迅速的一项技术,在医学三维重建、计算流体力学、有限元后处理、地震地质等众多领域得到了广泛应用。但是目前体绘制研究中存在很多亟待解决的问题,本文主要就其中制约交互体绘制的几个关键问题:包括体绘制加速技术、绘制图像质量改进方法、灵活科学的体绘制参数设置和调节等问题进行了深入研究。 其中,针对传统光线投射算法计算复杂度高、绘制速度慢的缺点,本文提出了通过提前梯度估计、分类着色和明暗计算来降低重采样点计算量的加速光线投射算法,该方法可以有效提高光线投射算法的速度而不明显降低绘制图像质量。 针对Splatting 算法计算复杂度为O ( N 3)的特点,本文首次将游程编码技术应用于物序体绘制,提出了基于游程编码体数据和屏幕图像扫描线的新型帧缓冲Splatting 算法。该算法采用了提前分类、提前明暗计算的策略,通过游程编码体数据,实现了对透明体素的有效剔除,通过新型的体素遍历方法实现了不透明度截止,大大加速了Splatting 算法的绘制速度。 为了能够解决Splatting 算法计算不准确、存在多种走样现象的问题,本文提出了一种基于View-Buffer的新型Splatting算法,新算法采用了View-Buffer而没有使用帧缓冲,并且通过定义平行于View-Buffer 的体素遍历策略和预先计算好的重构核查找表进行绘制,有效消除Splatting 算法中重叠问题和Popping走样,也能够较好地降低积分问题对绘制图像的影响。 为了优化体绘制算法的关键步骤---重采样过程,本文提出并实现了一种通过两重查找法进行重采样的新型物序体绘制方法。这种方法在继承物序体绘制算法优点的基础上,不仅能够最大限度预处理一部分计算,而且更符合重构采样理论、因而可以以较低的计算代价获得比Splatting 更高质量的绘制图像。 针对当前传递函数设计缺乏理论指导的问题,通过分析基于体数据局部三维图像矩所确定的惯量矩阵特征值,本文提出了一种新型的半自动化的数据驱动传递函数设计方法。该方法首次将局部形状特征引入传递函数设计,扩展和丰富了传递函数的定义域。并且具有计算简单、快速的特点,而且能够完成基于边界检测的传递函数所具有的功能。 设计实现了面向医学三维重建的可视化系统VolGraph,在提供医学图像处理功能的同时,系统还集成了移动立方体、光线投射及Splatting 等体视化算法。