面向台风数据体绘制的传输函数研究

在直接体绘制中,传输函数定义了从数据属性到光学属性的映射关系,直接决定了绘制的效果,是体绘制研究的关键技术之一。为了使体绘制技术在气象领域真正发挥作用,必须结合气象规律研究和设计面向气象数据体绘制的传输函数。研究台风数据的特点以及针对台风数据体绘制的传输函数的设计流程,在数据值梯度直方图基础上结合光照参数设计了台风标量场数据的传输函数,采用台风的温度、湿度以及云量等数据进行体绘制,更好地显示了台风的内部结构,对于认识台风起到了促进作用。     

基于多维传输函数的三维医学图像系统研究

传输函数是直接体绘制的基础,传输函数的设计是体视化结果的关键。本文在传输函数的定义上,讨论了将体数据标量值和梯度模值作为定义域的多维传输函数的原理及实现方法。针对传输函数与位置无关,难以提取感兴趣的区域(Region Of Interest 简称ROI),提出了基于三切面交互式体数据的切割方法,从而有效的提取感兴趣区域。最后,设计和实现了一个基于多维传输函数的三维医学图像系统,获得了很好的体绘制效果。     

基于样例图像的颜色传输函数设计

体绘制是颜色混合的过程,用户很难通过直接编辑颜色传输函数来得到期望的颜色混合效果.为了能更直观地为体绘制图像设置颜色,提出一种基于样例图像的颜色传输函数设计方法.首先使用颜色迁移方法,基于样例图像对初始体绘制图像进行颜色迁移,使得迁移后的体绘制图像与样例图像有类似的着色风格;然后还原体绘制的颜色混合过程,使用最优化的框架将迁移后的体绘制图像反推到三维建立颜色传输函数,在该颜色传输函数下的绘制结果与样例图像尽可能保持一致,样例图像可以是任意符合用户期望颜色效果的图像.与传统的传输函数设计方法相比,文中方法利用了已有图像资源和人类对图像的感知能力,更简单直观,易于使用,且该方法是有效的.     

基于体数据分类的直接体绘制传输函数研究

直接体绘制是形成于20世纪80年代后期的一个新研究领域,本论文提出了一种基于体数据的标量值和梯度的分类方法,采用该方法可获得体数据重要的信息,从而帮助研究人员准确地设置传输函数的不透明度和颜色参数,使绘制的图像更加清晰。     

特征抽象的直接体绘制方法

直接体绘制需要借助于传输函数,而设计一个有效的传输函数非常耗时且需要具备丰富的经验.为此提出一种不透明度自动调节的可视化方法.通过分析采样光线提取出数据的特征,并将这些特征抽象为不同层次的采样点,抽象采样点的不透明度根据采样光线上特征数的变化而改变;在保证最远抽象采样点可见度最大的前提下,推导并修改传统体绘制积分方程,得到基于抽象采样点的体绘制积分方程.实验结果表明,该方法不依赖于传输函数,能有效地展示体数据中的特征信息.     

一种快速的体数据特征增强可视化算法

传输函数是实现体数据特征分类与可视化的重要手段,随着维度的升高,传输函数设计过程趋于复杂且难以实时交互;而在基于视线方向上特征分析的体数据特征可视化方法中,复杂的特征分析过程占用GPU硬件资源,降低了体绘制效率.为此提出一种快速的、不完全依赖于传输函数设计的体数据特征增强可视化算法.利用视线方向上采样点标量值变化率,快速识别视线方向上的重要特征,通过降低不重要特征的不透明度以增强重要特征在绘制结果图像中的可见性;引入反锐化掩模技术对视线方向上重要特征进行加权处理,在保证体绘制效率的同时增强了体数据特征的视觉感知.在绘制过程中,文中算法利用简单而有效的特征分析操作,在传输函数映射的基础上对感兴趣特征的视觉元素再次优化,实现不完全依赖于复杂传输函数设计的体数据特征增强可视化.最后通过大量实验,进一步验证了该算法的有效性与实用性.     

基于梯度特征的医学体绘制传输函数曲线拟合方法

医学体绘制的精度和实时性取决于传输函数曲线的精度和生成过程的运算开销.典型体绘制的传输函教生成方法是通过灰度映射来生成分段线性函数,精度低、耗时长.本文针对该问题.提出了一种基于体数据梯度特征的传输函数曲线拟舍方法.该方法根据体数据集的梯度变化特点,利用数据值、梯度和沿梯度方向的二阶导数拟合曲线函数来生成传输函数.实验结果表明:在使用规则俸数据时,本方法可有效实现医学可视化.     

基于GPU的三维医学图像混合可视化系统

研究并实现了一个基于GPU的医学图像混合可视化系统，该系统采用三维纹理映射的方法实现直接体绘制，利用GPU的可编程特性完成体绘制方法中的插值后分类算法和传输函数的传递及实时修改，采用OpenGL技术实现表面的绘制，并基于场景图结构实现时表面数据的管理。面绘制和体绘制部分都采用OpenGL实现，运用OpenGL的融合机制，系统实现了面绘制和体绘制的混合显示。本系统大大提高了体绘制的速度，有效地保留了面绘制和体绘制的优势，在保证绘制速度的基础上丰富了图像信息。     

面向爆炸压力场的体绘制自动传输函数设计

直接体绘制广泛应用于可视化领域,其中传输函数决定了最终绘制的效果。大规模爆炸数据属于复杂的时变数据,其压力场的取值范围和分布会随时间剧烈变化。为了实现对冲击波传播特征的连续跟踪,提出了一种基于标量-时间梯度（scalar-temporal gradient,STG）二维空间的自动传输函数设计方法。结合爆炸过程中的物理规律,将STG空间划分为多种状态并总结了状态之间的转移规律。将冲击波的传播特征编码为一段一定长度的状态转移链（state transitions chain,STC）,称为时变特征。传输函数中颜色以时变特征为单位,基于完全状态转移链自动分配。传输函数中的不透明度采用基于压强变化速率的分段非线性曲线,凸显压强变化剧烈的特征。选取了两类典型的大规模爆炸场景对方法进行了验证,绘制结果中都包含了丰富的明显可区分的冲击波传播特征。结果表明,生成的传输函数在整个时间维度上都能稳定、准确地捕捉冲击波的传播特征。     

基于GPU的多分辨率体数据重构和渲染

基于小波变换的多分辨率压缩算法能够获得很高的压缩比,因而被广泛地用于压缩体数据.针对这种压缩策略,研究基于GPU的数据重构的方法,可以只从CPU向GPU传输少量的压缩数据,从而提高数据传输效率.因为好的数据结构是实现基于GPU的重构算法的关键,所以文中提出适合使用矩形纹理表示的数据结构--Nested Tileboard;然后给出基于该数据结构在GPU上实现多分辨率重构的方法,使用Nested Tileboard保存中间数据及重构结果;还提出了基于Nested Tileboard的多分辨率体绘制方法,直接对重构数据进行体绘制,从而实现数据重构和体绘制的无缝连接.     

层次包围盒与GPU实现相结合的光线投射算法

针对目前基于GPU的光线投射算法中参数确定复杂的缺点,提出一种快速确定投射光线参数的算法,并利用层次包围盒技术对整个绘制过程进行加速.该算法利用离屏渲染技术,仅通过绘制体数据包围盒表面就能获取投射光线的参数;为了跳过对绘制结果无贡献的空体素,逐层对体数据进行分解,并生成层次包围盒树来存储对应子体数据的相关信息,通过遍历包围盒树,判断对应子体数据是否被绘制或跳过来缩短投射光线在体数据中的有效采样长度,从而实现了光线积分加速.实验结果表明,与同类算法相比,该算法预处理时间较短,在增加存储容量较小的同时获得了平均3.0的加速比,具有更好的实用性.     

光线跟踪方法在体绘制中的应用与发展

针对光线跟踪方法存在求交计算量大、实时交互性差等缺点.从体光线跟踪算法、基于图形硬件加速的光线跟踪体绘制方法,并行光线跟踪体绘制技术这3个方面,对国内外光线跟踪方法在体绘制中的应用技术进行了分类描述与综述,重点介绍了体光照模型、光线跟踪混合绘制、基于可编程硬件加速、并行绘制算法及体系结构,并结合应用阐述了各自特点及其相互联系,最后对光线跟踪方法在体绘制的应用提出了研究建议.     

体绘制中多维传递函数的交互实现

为提高医学体绘制的精度和实时性,研究了多维传递函数的设计问题,基于体直方图产生多维传递函数.利用GPU的纹理特性,实现了基于GPU的多维传递函数,大大提高了绘制速度.采用划线的交互方式,使最终交互界面直观友好.研究结果表明,基于GPU的体绘制多雏传递函数的实现能够更灵活地挖掘数据的内部信息,更好地区分医学影像中的各种组...     

应用于传递函数设定的交互式体绘制工具

传递函数是体绘制过程中用以定出体数据与光学特征的对应关系,因此,传递函数的设定对成像质量有着直接的影响,文章提出一应用于传递函数设定、简单且有效的交互式体绘制工具,由于二维纹理硬件在通用的个人计算机上被普遍使用,因而该工具采用基于二维纹理硬件的体绘制方法,利用本工具,用户能根据体数据的直方图来交互地分别设定R、G、B和A四种传递函数,以定出体数据与光学特征的对应关系,并获得实时的反馈视觉信息(绘制结果),该工具亦提供一虚拟轨迹球让用户交互地改变观察体数据的视点,用户不但可以交互地控制放大或缩小比率来绘制体数据,还可以选择采用光照或由多重纹理实现的三线性插值来获得不同的绘制效果,该文描述开发此工具的各种技术,并给出利用此工具得到的一些绘制结果。     

海量数据GPU体绘制优化研究

高性能GPU使得体绘制在廉价的硬件上获得良好的性能,但海量数据体绘制的效率依旧低下.本文探讨了GPU体绘制中图形硬件的瓶颈,并提出新颖的算法解决这些问题:采用数据分块和八叉树划分体数据实现空单元跳过优化.该算法解决了海量数据超过可用纹理空间的难题,同时允许实时改变体绘制传递函数.     

基于纹理映射和GPU的焦点区域体绘制

利用图形硬件的纹理映射和可编程GPU功能,高效实现基于焦点区域的体绘制.使用模板缓存检测机制把体数据标记为3个不同的区域,然后对标记区域使用基于纹理映射的方法分别绘制;同时使用基于GPU方法实现了周围区域的体轮廓绘制以及体绘制中多个转换函数的指定过程.文中方法使得体绘制系统实现容易、可扩展性好.     

Topology-controlled volume rendering

Topology provides a foundation for the development of mathematically sound tools for processing and exploration of scalar fields. Existing topology-based methods can be used to identify interesting features in volumetric data sets, to find seed sets for accelerated isosurface extraction, or to treat individual connected components as distinct entities for isosurfacing or interval volume rendering. We describe a framework for direct volume rendering based on segmenting a volume into regions of equivalent contour topology and applying separate transfer functions to each region. Each region corresponds to a branch of a hierarchical contour tree decomposition, and a separate transfer function can be defined for it. The novel contributions of our work are: 1) a volume rendering framework and interface where a unique transfer function can be assigned to each subvolume corresponding to a branch of the contour tree, 2) a runtime method for adjusting data values to reflect contour tree simplifications, 3) an efficient way of mapping a spatial location into the contour tree to determine the applicable transfer function, and 4) an algorithm for hardware-accelerated direct volume rendering that visualizes the contour tree-based segmentation at interactive frame rates using graphics processing units (GPUs) that support loops and conditional branches in fragment programs     

Extinction-based shading and illumination in GPU volume ray-casting

Direct volume rendering has become a popular method for visualizing volumetric datasets. Even though computers are continually getting faster, it remains a challenge to incorporate sophisticated illumination models into direct volume rendering while maintaining interactive frame rates. In this paper, we present a novel approach for advanced illumination in direct volume rendering based on GPU ray-casting. Our approach features directional soft shadows taking scattering into account, ambient occlusion and color bleeding effects while achieving very competitive frame rates. In particular, multiple dynamic lights and interactive transfer function changes are fully supported. Commonly, direct volume rendering is based on a very simplified discrete version of the original volume rendering integral, including the development of the original exponential extinction into a-blending. In contrast to a-blending forming a product when sampling along a ray, the original exponential extinction coefficient is an integral and its discretization a Riemann sum. The fact that it is a sum can cleverly be exploited to implement volume lighting effects, i.e. soft directional shadows, ambient occlusion and color bleeding. We will show how this can be achieved and how it can be implemented on the GPU.     

基于GPU的多属性数据快速融合渲染研究

由于传统的渲染技术是使用CPU 进行数据体颜色计算或融合处理的,这种技术对大规模数据体进行渲染时 效率低、时间长,针对这种情况提出一种采用GPU 进行数据体颜色计算和融合处理的方法。该方法充分利用GPU 强大的并 行处理能力,将待渲染的数据以纹理形式提交给GPU,由GPU 进行必要的颜色插值和融合处理后直接渲染。实验结果表明, 该方法能够将多种属性融为一体,有机地结合了各属性的优点,能对油气储层进行综合评价,提高储层分析和解释的准确度, 并且使用了硬件加速功能,渲染速度快。     

体素分类与Phong光照模型GPU加速体绘制

为了提高体绘制的速度和效果,研究了体数据的分类和计算及其在图形处理单元上加速实现的体绘制算法.分别采用点体素先分类和预积分后分类方法为体数据分配颜色和不透明度,改进了利用不透明度对颜色加权改善绘制效果,根据Phong光照模型对体数据进行渲染.通过查找表软件加速和图形处理单元硬件加速两个方面分别实现并进行比较,实验结果表明,采用图形硬件加速的方法达到实时交互的效果,体绘制性能大大提高.