基于GPU的三维地震数据场体绘制方法

体绘制技术是计算可视化研究和应用热点之一。在对三维数据体进行形式化定义基础上,讨论光线投射算法中数据体划分,重采样计算以及图像合成的原理和方法。利用着色器进行重采样和图像合成运算,实现体绘制的GPU加速。将GPU加速的光线投射体绘制方法应用于地震数据解释,分别实现地震数据的灰度和伪彩色样式可视化,并通过转换函数,凸显出地震数据场的层位特征,克服了地震数据剖面、切片以及三维面绘制图像的局限性。     

视点相关的层次采样:一种硬件加速体光线投射算法

光线投射是一种高质量的体绘制方法.它以图像空间为序,逐根光线遍历和采样体数据.因此,传统上,它只能在CPU上实现,因而速度慢,交互性不好.提出了一个新的视点相关的层次采样VDLS (view dependent layer sampling)结构,VDLS将光线上的所有采样点重新组织成一系列层,并简化为两个视点相关的几何缓冲器,进而在GPU(graphics processing unit)中用两个动态纹理表示.利用GPU的可编程性,光线投射算法的6个步骤(光线生成、光线遍历、插值、分类、着色和颜色合成)得以完全在GPU中实现.在此基础上,提出两个基于体空间和图像空间连贯性的加速技巧,快速剔除无效的光线.结合其他与渲染和颜色合成有关的技巧,VDLS将面向多边形绘制的图形引擎转化为体光线投射算法引擎,在透视投影方式下,每秒能处理1.5亿个插值、后分类与着色的光线采样点.实验结果表明,提出的方法能用于医学可视化、真实物理现象模拟、材质检测中灰度体数据快速交互的可视化与漫游.     

基于GPU光线投射的多平面交互彩色体数据切割方法

基于代理多边形的3D纹理映射体绘制成像速度快,能够直接利用OpenGL剪切平面功能实现多平面实时切割,但成像质量不高.本文通过分析彩色数据场的不透明度转换函数,研究基于GPU的光线投射算法,用于数字人彩色体数据的快速高质量可视化.为了避免转换函数设计困难和不足,提出一种基GPU的多平面快速切割算法,能够实时清晰观察彩色体数据内部组织.实验结果表明:基于GPU的光线投射算成像质量高、速度快,该多平面交互切割方法能够清晰观察组织结构.     

3D非均匀直线网格GPU体绘制方法研究

计算机图形硬件技术的快速发展可以用来加速可视化过程,为此针对非均匀直线网格,给出了基于均匀辅助网格的CPU光线投射算法、基于辅助纹理的GPU光线投射算法,以及基于切片的3D纹理体绘制算法,并在Nvidia Geforce 6800GT图形卡上对这些算法进行了测试。结果表明,GPU算法远远快于CPU算法,而基于切片的3D纹理体绘制算法则快于GPU光线投射算法。     

针对全空子数据体的GPU体绘制方法

体绘制是三维数据可视化的主要方法之一。用于体绘制的数据体中包含有大量的空体素,导致光线投射算法进行没有意义的重采样计算,必然降低绘制算法效率。针对全空子数据体体绘制低效问题,本文提出基于GPU体高效绘制方法。利用八叉树数据结构组织数据,有效管理包含许多空体素的子数据体。通过绘制八叉树非全空叶子结点子数据体表面,使光线投射算法中起始和终止重采样位置更接近数据体中的可视部分,同时根据八叉树全空结点子数据体判定纹理查询结果,计算合适的跳跃步长,快速跳过八叉树中全空结点子数据体,减少无效重采样点。当数据体中空体素较多时,实现对原基于体包围盒表面绘制的GPU光线投射算法的加速。设计不透明度函数,凸显数据体中层位面,并将算法成功应用于地震数据可视化,取得很好应用效果。     

基于GPU的实时光线投射算法

介绍了一种基于GPU（可编程图形处理单元）的快速实时光线投射算法。为满足大规模体数据集的绘制要求,利用当前GPU的新特性,直接将体数据作为纹理载入显存,采用预积分分类方法在GPU中对体数据进行重采样和分类,避免了计算机主内存与GPU纹理内存之间数据交换的瓶颈问题;利用硬件支持的三维纹理和片元着色器,实时计算每个体素的梯度,实现高质量的光照,保证高质量的图像绘制效果。实验结果表明该方法在医学三维数据场可视化中,能够实时、高效地生成高质量的交互式体可视化图像。     

基于CUDA海量空间数据实时体绘制研究

针对海量空间科学数据的精细及实时三维绘制需求,提出并实现了一种基于CUDA语言的并行化光线投射体绘制加速算法,利用传统体绘制算法中光线投射法的可并行特点和GPU中高速的纹理查询的优点,通过一个实际坐标到纹理坐标的转换函数实现了对不规则采样数据的准确采样,并完成了绘制算法的CUDA并行化改造,通过CUDA语言利用GPU强大的并行计算能力实现了对海量空间数据的实时三维光线投射绘制.     

基于CUDA的电磁场快速体绘制研究

电磁场数据的生成和体绘制是密集型计算,且十分耗时.为了实现数据的快速生成,提出基于CUDA加速的电磁场数据计算框架,亦即将大量的传播模型计算移植到GPU中.同时,为了达到可交互性,将光线投射算法移植到GPU上执行.鉴于电磁场数据的特点,提出相交投影的概念,并利用其判断光线与数据场的相交情况.仿真结果显示,基于CUDA的数据生成可以达到158的加速比,光线投射算法也能以高达63的帧速进行绘制,满足了实时性和交互性要求.     

多层次并行体绘制算法的研究与应用

三维数据场的体绘制技术是科学可视化中一个重要的研究方向,本文在研究和总结体绘制的发展历程与关键技术的基础之上,着重研究了体绘制中的光线投射算法,结合多核处理器机群系统,提出并实现了一种基于多层次并行编程模型的并行光线投射体绘制算法,并成功地将该算法应用于三维城市浅层地质模型,取得了良好的可视化效果。分别对MPI环境和多层次并行编程MPI+OpenMP环境下的光线投射算法进行了不同计算规模的性能比较实验。实验和分析表明,多层次并行光线投射体绘制算法加快了体绘制的速度,MPI+OpenMP多层次并行模型性能高于纯MPI编程模型的性能。     

基于图形处理器加速光线投射算法的多功能体绘制技术

为克服传统算法中体绘制交互速度不流畅、重建耗时长、绘制效果单一的不足,实现了基于图形处理器(GPU)的光线投射算法用于医学层析图像实时体绘制,并能快速切换不同组织器官的绘制效果。首先,读入医学层析图像到计算机内存,构造体素;然后,设置相应体素属性(如插值方式、着色处理、光照参数)等,设计显示不同组织器官的颜色及不透明度传输函数;最后,GPU加载体素据并进行光线投射算法的计算。实验结果表明,在绘制速度上,GPU加速光线投射算法实现的多功能体绘制技术的绘制速度能达到每秒40帧以上,完全满足临床应用需求。在绘制质量上,用户交互中由于重采样而产生的锯齿现象明显低于CPU端实现的光线投射算法,GPU端与CPU端绘制时间的加速比在9倍左右。     

Hardware‐Assisted Projected Tetrahedra

We present a flexible and highly efficient hardware‐assisted volume renderer grounded on the original Projected Tetrahedra (PT) algorithm. Unlike recent similar approaches, our method is exclusively based on the rasterization of simple geometric primitives and takes full advantage of graphics hardware. Both vertex and geometry shaders are used to compute the tetrahedral projection, while the volume ray integral is evaluated in a fragment shader; hence, volume rendering is performed entirely on the GPU within a single pass through the pipeline. We apply a CUDA‐based visibility ordering achieving rendering and sorting performance of over 6 M Tet/s for unstructured datasets. Furthermore, as each tetrahedron is processed independently, we employ a data‐parallel solution which is neither bound by GPU memory size nor does it rely on auxiliary volume information. In addition, iso‐surfaces can be readily extracted during the rendering process, and time‐varying data are handled without extra burden.     

Real-time visualization of large volume datasets on standard PC hardware

In medical area, interactive three-dimensional volume visualization of large volume datasets is a challenging task. One of the major challenges in graphics processing unit (GPU)-based volume rendering algorithms is the limited size of texture memory imposed by current GPU architecture. We attempt to overcome this limitation by rendering only visible parts of large CT datasets. In this paper, we present an efficient, high-quality volume rendering algorithm using GPUs for rendering large CT datasets at interactive frame rates on standard PC hardware. We subdivide the volume dataset into uniform sized blocks and take advantage of combinations of early ray termination, empty-space skipping and visibility culling to accelerate the whole rendering process and render visible parts of volume data. We have implemented our volume rendering algorithm for a large volume data of 512 x 304 x 1878 dimensions (visible female), and achieved real-time performance (i.e., 3-4 frames per second) on a Pentium 4 2.4GHz PC equipped with NVIDIA Geforce 6600 graphics card ( 256 MB video memory). This method can be used as a 3D visualization tool of large CT datasets for doctors or radiologists.     

Special relativistic visualization by local ray tracing

Special relativistic visualization offers the possibility of experiencing the optical effects of traveling near the speed of light, including apparent geometric distortions as well as Doppler and searchlight effects. Early high-quality computer graphics images of relativistic scenes were created using offline, computationally expensive CPU-side 4D ray tracing. Alternate approaches such as image-based rendering and polygon-distortion methods are able to achieve interactivity, but exhibit inferior visual quality due to sampling artifacts. In this paper, we introduce a hybrid rendering technique based on polygon distortion and local ray tracing that facilitates interactive high-quality visualization of multiple objects moving at relativistic speeds in arbitrary directions. The method starts by calculating tight image-space footprints for the apparent triangles of the 3D scene objects. The final image is generated using a single image-space ray tracing step incorporating Doppler and searchlight effects. Our implementation uses GPU shader programming and hardware texture filtering to achieve high rendering speed.     

基于几何着色器的流场动态可视化研究与实现

为有效解决复杂流场可视化效率低下问题，加快可视化速度，提出了一种基于几何着色器的快速流场可视化算法。在流场可视化的过程当中引入几何着色器，利用GPU的并行处理能力和强大的图像处理能力对流场实时地进行箭头和流线的绘制，然后采用积分颜色映射方法，与常规的线性颜色映射法相比较，改善了颜色的均匀分布，增强流场强度层次感。实验表明，该算法可以有效地反映流场特征分布，减少可视化过程中的数据传输量，降低资源浪费，提高可视化渲染效率。     

Geometry Textures and Applications†

Geometry textures are a novel geometric representation for surfaces based on height maps. The visualization is done through a graphics processing unit (GPU) ray casting algorithm applied to the whole object. At rendering time, the fine‐scale details (mesostructures) are reconstructed preserving original quality. Visualizing surfaces with geometry textures allows a natural level‐of‐detail (LOD) behaviour. There are numerous applications that can benefit from the use of geometry textures. In this paper, besides a mesostructure visualization survey, we present geometry textures with three possible applications: rendering of solid models, geological surfaces visualization and surface smoothing.     

三维有限元数据场体绘制算法的研究

三维有限元数据场包含了庞大的信息量,不易于人们深刻理解和分析。可视化技术将数据场以图形、图像的形式显示出来,揭示出三维有限元数据场中蕴藏的丰富内涵。讨论了三维数据场可视化体绘制中射线跟踪法和直接投影法的优点及不足,提出了将射线跟踪法及直接投影法各自优点结合起来的新算法,应用于三维有限元数据场的体绘制。新算法一方面充分利用场在投影区域上的二维连贯性,每次推进的是一个面片而不是一个孤立的像素点,另一方面针对每个视线段子段,充分利用场在深度方向的连贯性,用分析积分法完成累积光强和透明度计算。算法效率高,统一性强。     

空间跳跃加速的GPU光线投射算法

光线投射算法是一种应用广泛的体绘制基本算法,能产生高质量的图像,但是时间复杂度较高。实现了一种基于图形处理器的单步光线投射算法,并在此基础上提出了一种基于空间跳跃技术的光线投射算法,以实现加速。采用八叉树组织体数据,利用空间跳跃有效地剔除体数据中对重建图像无贡献的部分,降低了硬件的负载。一个片段程序即可完成光线方向的生成、光线投射、空体素跳跃和光线终止等。实验结果表明,该算法对于内部包含大量空体素的体数据重建能起到明显的加速作用。