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。     

非规则数据场体绘制技术的研究

科学计算可视化的核心是三维数据场的可视化．当前三维可视化的研究热点是体绘制技术。文中介绍了三维非规则数据场体绘制技术的研究现状。在此基础上，通过对已有非规则数据场体绘制技术和算法的分析比较．预测非规则数据场体绘制技术今后的发展趋势以及将来应该重视的研究方向。除了改进已有算法、将各种算法结合起来外，还应该在硬件及系统加速技术方面做研究，同时结合漫游技术研究和开发高效的三维空间非规则数据场的可视化技术和并行算法。     

交互式动态体绘制及其加速算法

体绘制三维成象法是一门新兴的3D采样数据场可视化技术，在医学成象和科学可视化领域有着极为广泛的应用，但由于3D数据量大，其使用往往受到巨大计算开销的限制，因此很多研究人员致力于静态体绘制加速算法的研究，并解决医学图象三维可视化中三维体数据显示速度与成象质量问题，因而提出了一种交互式动态体绘制算法，即从任意的视点距离和视线方向进行动态编制，并在分析其算法复杂度的基础上，提出一种新的加速算法，同时使得动态体绘制过程几乎达到实时的效果，经验证，这种算法比标准算法快4～5倍。     

基于PC系统平台实现快速体绘制技术

体绘制技术可将难于理解的三维数据场转化成直观的图像，作为一种最具前景的科学计算可视化技术在医学影像方面有着极强的实用意义。由于体绘制算法需要强大的计算能力，在通常的PC系统上难以实现满足交互式应用的绘制速度，因此阻碍了其普及。研究PC系统上的快速体绘制技术，无疑具有重要的意义．本文使用Shear-warp的体绘制算法，并利用Intel公司的SSE2扩展指令对整个绘制过程进行加速，实现了基于中高档桌面PC系统平台的快速体绘制应用。     

体绘制技术在医学可视化中的新发展

科学计算可视化体绘制算法能反映出体数据的内部信息，在医学，它已经从辅诊断发展成为辅助治疗的重要手段，体可视化技术是医学可视化的重要研究内容，其处理过程包括体数据的获取，模型的建立，数据的映射，绘制等操作，该文介绍了医学可视化中常使用的几种光照模型，针对基于图象空间和对象空间两种体绘制算法，介绍了它们的基本思想方法，并详细阐述了在近期的主要加速技术和提高图象质量方法的新进展，最后给出了实验数据和结论。     

基于WebVR的医学体数据可视化

传统的医学体数据可视化通过计算机屏幕显示三维医学影像,由于使用者对二维屏幕缺乏深度感知,对于组织内各部位无法准确判断相对位置,难以观察理解。为了解决这个问题,结合虚拟现实(VR)技术与体绘制技术,提出并实现基于WebVR的医学体数据可视化系统。基于B/S模式设计系统的整体架构,浏览器端从服务器端获得体数据,使用WebGL调用本地显卡对渲染进行硬件加速。运用光线投射算法进行体绘制,渲染结果通过浏览器显示或使用WebVR连接至VR设备显示在虚拟空间中,实现沉浸式的可视化。同时,针对虚拟现实环境对光线投射算法提出优化方法,实现激光拾取、体数据内部可视化和平面裁剪的交互方式。系统实现了新的三维立体视觉的感知方式和方便灵活的交互功能,增强使用者对三维医学体数据可视化影像的感知。     

非规则数据场体绘制技术的研究

科学计算可视化的核心是三维数据场的可视化,当前三维可视化的研究热点是体绘制技术.文中介绍了三维非规则数据场体绘制技术的研究现状.在此基础上,通过对已有非规则数据场体绘制技术和算法的分析比较,预测非规则数据场体绘制技术今后的发展趋势以及将来应该重视的研究方向.除了改进已有算法、将各种算法结合起来外,还应该在硬件及系统加速技术方面做研究,同时结合漫游技术研究和开发高效的三维空间非规则数据场的可视化技术和并行算法.     

基于B/S架构的三维体数据可视化系统的设计过程

设计并实现了一个基于B/S架构的三维体数据可视化系统,系统在服务器端进行数据存储和处理;浏览器端采用基于WebGL技术实现了实时直接体绘制和三维等值面绘制.     

基于Shear-Warp算法的三维地震数据场体绘制

利用三维可视化软件包,采用Shear—Warp算法实现地震数据的模型可视化,并给出了具体算法流程。实验结果表明此算法可提高地震数据的体绘制速度,实现地震数据解释的实时交互式绘制,为地质勘探提供可视化依据。     

光线投射算法中重采样的设计和实现

体绘制技术在医学成像和科学可视化领域有着极为广泛的应用，但由于其巨大的计算开销，限制了其实时动态体绘制的应用，因此许多研究人员致力于静态体绘制加速算法的研究，为了提高体绘制速度。分析了三维规则数据场重采样的原理。光线投射算法中对3D数据场重采样的实现方法；根据具体重建对象，提出了在3D数据场重采样中采用球形包围盒的方法，给出了人体头部和眼球的三维可视化结果，实验表明：这种算法能有效地减少重采样的计算量，并使求交计算更加简单。     

A Spatial Access-Oriented Implementation of a 3-D GIS Topological Data Model for Urban Entities

3-D analysis in GIS is still one of the most challenging topics for research. With the goal being to model possible movement within the built environment, this paper, therefore, proposes a new approach to handling connectivity relationships among 3-D objects in urban environments in order to implement spatial access analyses in 3-D space. To achieve this goal, this paper introduces a 3-D network data model called the geometric network model (GNM), which has been developed by transforming the combinatorial data model (CDM), representing a connectivity relationship among 3-D objects using a dual graph. For the transformation, this paper presents (1) an O(n ²) algorithm for computing a straight medial axis transformation (MAT), (2) the processes for transforming phenomena from 3-D CDM to 3-D GNM, and (3) spatial access algorithms for the 3-D geometric network based upon the Dijkstra algorithm. Using the reconstructed geometric network generated from the transformations, spatial queries based upon the complex connectivity relationships between 3-D urban entities are implemented using Dijkstra algorithm. Finally, the paper presents the results of an experimental implementation of a 3-D network data model (GNM) using GIS data of an area in downtown Columbus, Ohio.     

Estimation of 3-D human body posture via co-registration of 3-D human model and sequential stereo information

In this paper, we present a technique for estimating three-dimensional (3-D) human body posture from a set of sequential stereo images. We estimated the pixel displacements of stereo image pairs to reconstruct 3-D information. We modeled the human body with a set of ellipsoids connected by kinematic chains and parameterized with rotational angles at each body joint. To estimate human posture from the 3-D data, we developed a new algorithm based on expectation maximization (EM) with two-step iterations, assigning the 3-D data to different body parts and refining the kinematic parameters to fit the 3-D model to the data. The algorithm is iterated until it converges on the correct posture. Experimental results with synthetic and real data demonstrate that our method is capable of reconstructing 3-D human posture from stereo images. Our method is robust and generic; any useful information for locating the body parts can be integrated into our framework to improve the outcomes.     

复杂三维曲面覆盖算法研究

针对无线传感器网络中三维空间曲面覆盖问题进行研究,建立传感器节点的三维感知模型,考虑到曲面的不规则性,曲面凸点会成为节点感知过程中的障碍物,形成三维空间中特有的三维感知盲区。首先从理论上对简单曲面进行分析,计算出实现有限曲面全覆盖所需的最少节点数,在对三维曲面进行网格划分以及根据三维感知盲区改进适应度函数后,引入差分进化（DE）算法对随机部署在三维空间中的传感器节点的位置坐标进行优化,通过大量仿真实验得出实现目标曲面全覆盖所需的最少的节点数,引入误差率,通过提出的测试准则验证了引用DE算法解决简单三维曲面覆盖问题的有效性。最后将DE算法运用到解决复杂三维曲面覆盖问题中,取得了良好的效果。     

基于小区域增长的MDCT图像分割*

提出了一种基于小区域增长的分割算法对人体肝脏的MDCT医学图像进行分割。先把三维人体肝脏的MDCT图像变成一系列二维图像;再对每个二维图像分配多个种子点,从每个种子点出发进行小区域增长;最后,把每个二维图像分割的结果整合成三维肝脏图像。实验结果表明了该算法的准确性和可行性。     

基于退化多边形求交的多面体虚拟壳模型重构

三维模型的重建和表示是计算机图形和计算机视觉中一个重要的领域,其广泛应用于自动识别,工业自动化设计以及虚拟场景的重建。文中实现一个从照片序列重建三维物体多面体模型的系统,使用由轮廓恢复形体(SFS),通过经由轮廓光锥相交得到包围物体的虚拟壳。在系统中采用的共极线几何和增量运算把所有的三维的相交计算投射到二维平面的退化多边形求交来降低相交计算的复杂度。与传统多面体虚拟壳重构相比,算法有以下几点改进:在图像平面以退化多边形组织投影锥体和物体轮廓的交集,把任意锥面与物体轮廓的交集归一到一个退化多边形;基于退化多边形的二维平面上多边形快速相交算法。通过这些改进可以减少虚拟壳的生成时间并有助于实时绘制的实现。     

基于体绘制技术的层状地层三维建模平台的设计和实现

随着地学研究的不断深入,层状地层三维建模已成为研究的重点。基于格式化存储的多层DEM数据文件,将直接体绘制的思想融入到基于图像空间体绘制的经典算法—光线投射算法之中,提出基于多层DEM数据的光线投射算法。基于IDL和.NET的混合环境设计并实现了层状地层的三维可视化的平台。在该平台上,使用改进后的光线投射算法实现了层状地层的三维建模,以及对三维层状地质体的基本操作和基本地质信息的提取。     

3D模型LOD算法的研究及其OpenGL实现

3D模型LOD技术是计算机图形学的一个重要研究课题，简述了3D模型LOD技术的基本原理并分析和探讨了各类LOD算法。为了克服LOD算法在使用中的局限性，提出了一种3D模型LOD算法，并通过OpenGL编程进行了实现，运行的结果表明此3D模型LOD算法是可行和高效的。     

从表面重构的体数据实现三维网格剖分

针对有限元分析中网格最优化问题,本文提出一种改进的生成四面体网格的自组织算法。该算法首先应用几何方法将三角形表面模型重新构造成规定大小的分类体数据,同时由该表面模型建立平衡八叉树,计算用以控制网格尺寸的三维数组;然后将体数据转换成邻域内不同等值面的形态一致的边界指示数组;结合改进的自组织算法和相关三维数据的插值函数,达到生成四面体网格的目的。实验对比表明,该方法能够生成更高比例的优质四面体,同时很好地保证了边界的一致。在对封闭的三维表面网格进行有限元建模时,本文算法为其提供了一种有效、可靠的途径。     

Reconstruction of curved solids from engineering drawings

This paper presents a new approach for reconstructing solids with planar, quadric and toroidal surfaces from three-view engineering drawings. By applying geometric theory to 3-D reconstruction, our method is able to remove restrictions placed on the axes of curved surfaces by existing methods. The main feature of our algorithm is that it combines the geometric properties of conics with affine properties to recover a wider range of 3-D edges. First, the algorithm determines the type of each 3-D candidate conic edge based on its projections in three orthographic views, and then generates that candidate edge using the conjugate diameter method. This step produces a wire-frame model that contains all candidate vertices and candidate edges. Next, a maximum turning angle method is developed to find all the candidate faces in the wire-frame model. Finally, a general and efficient searching technique is proposed for finding valid solids from the candidate faces; the technique greatly reduces the searching space and the backtracking incidents. Several examples are given to demonstrate the efficiency and capability of the proposed algorithm.     

基于ICP算法的医学图像几何配准技术

几何配准是医学图像领域研究的重要内容，医学图像几何配准的目标就是建立术前和术中两组点的变换关系。该文利用股骨为模型，讨论了基于轮廓特征的ICP医学图像几何配准算法，从技术上实现了术前建模和术中取点，并编制相应的ICP算法程序。