基于图形硬件加速的体绘制关键技术综述

随着近年来计算机图形硬件性能的不断提高,利用硬件来实现体绘制过程中的某些环节以获取交互的绘制速率变为可能,并逐渐成为目前的研究热点。从体绘制的分类、明暗处理、重构、体积裁剪等4个角度对基于图形硬件加速的体绘制方法进行了分类综述,介绍了各种关键技术的研究进展和典型算法,并讨论了各自特点及其相互联系。     

基于PC图形硬件的直接体绘制技术综述

对基于PC图形硬件的直接体绘制技术进行了介绍、归类和总结，力求为本领域的的研究提供一个较为详实的背景资料。     

基于样图的木材体纹理绘制方法

传统的体纹理绘制方法采用函数模型定义体纹理空间的颜色,模拟不同的纹理特征需要反复调整与测试相关参数,且在多数情况下不能获得令人满意的结果.以木材体纹理绘制为例,提出了一种基于样图的体纹理绘制新方法.该方法针对木材纹理的结构特点构造样图空间与体纹理空间的几何映射关系,采用木纹样图的像素纹理值定义体纹理空间的颜色.实验结果表明,绘制的纹理不仅较好地模拟了木纹样图中的纹理特征,而且在物体各表面交界处保持连续.由于纹理样图可根据用户需要任意选取,基于样图的体纹理绘制方法显著提高了计算机生成木纹的真实感与多样性.     

基于标准PC机的大数据实时体绘制算法研究究

为了解决在标准PC机上对大数据进行实时体绘制的问题，提出了一种基于图形处理器的大数据高质量体绘制算法。该算法采用三维纹理映射作为核心的绘制算法，结合可见性测试、遮挡测试和模板测试来加快绘制速度。实验结果表明，对虚拟人体数据，可以在不损失图像质量的前提下，以可交互的速度进行绘制。     

基于硬件加速的纹理映射体绘制

介绍了体绘制的概念及其在计算机绘图中的重要性。提出了利用图形显示卡的相关性纹理和多重纹理映射功能对三维纹理进行有效改进的新算法,研究了该算法在体绘制中的应用,结果表明,它在快速、准确重建和交互性方面具有优势,对于提高体绘制的效率具有重要的意义。     

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。     

用于体绘制的可变模板法

作为投影成象的的一种重要方法，模板法在规则场的体绘制中取得了好的效果，然而，传统模板法要求样点的大小和形状一致，限制了其在曲线结构数据场和非规则数据场体绘制中的应用，因为这类场中样点的大小和形状变化很大。当前非规则场或曲线结构数据场中的体绘制计算复杂、成象速度很慢，严重影响了可视化的效率，本文提出了一种可变模板法，不受样点大小必须一致的限制，使得模板法能在曲线结构数据场和非规则场的体绘制中发挥充分     

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。     

利用Master-Slave-Collector模式的大规模数据集的并行体绘制

以内部网络和普通配置计算机为实验平台,研究大规模数据集的并行体绘制的实现方法,以提高绘制速度和算法效率。分别介绍并行可视化、Master-Slave-Collector模式、负载平衡、任务池和结果池等关键技术。在传统的Master-Slave模式基础上的改进模式Master-Slave-Collector,具有减少计算时间、实现负载平衡、提高绘制效率等优点。实验结果表明,该方法较好地解决了运算速度和内存空间这两大难题,效果良好,实时性强,在临床诊断和科学研究中发挥重要作用。     

基于实时梯度计算的快速纹理映射体绘制

本文分析讨论了一种基于实时梯度计算的纹理映射体绘制算法。在绘制过程中实时计算每个体素上的梯度,有效地减少了在传统基于纹理映射的体绘制中,对梯度预先计算的耗时操作,也降低了内存的消耗,加快了整个绘制过程。同时,采用三维Sobel算子对梯度进行计算,并进行归一化处理,有效地提高了绘制图像的质量。在实现中充分利用了目前PC图形硬件成熟的可编程特性,特别是fragment program,来完成梯度的实时计算。最后对医学体数据进行绘制,得到了理想的结果。     

Stochastic Volume Rendering of Multi‐Phase SPH Data

In this paper, we present a novel method for the direct volume rendering of large smoothed‐particle hydrodynamics (SPH) simulation data without transforming the unstructured data to an intermediate representation. By directly visualizing the unstructured particle data, we avoid long preprocessing times and large storage requirements. This enables the visualization of large, time‐dependent, and multivariate data both as a post‐process and in situ. To address the computational complexity, we introduce stochastic volume rendering that considers only a subset of particles at each step during ray marching. The sample probabilities for selecting this subset at each step are thereby determined both in a view‐dependent manner and based on the spatial complexity of the data. Our stochastic volume rendering enables us to scale continuously from a fast, interactive preview to a more accurate volume rendering at higher cost. Lastly, we discuss the visualization of free‐surface and multi‐phase flows by including a multi‐material model with volumetric and surface shading into the stochastic volume rendering.     

一个交互实时的多分辨率地形绘制系统

本文设计并实现了一个交互实时的多分辨率地形绘制系统，介绍了系统的组成、实时优化方法的以及地形几何和纹理数据表示和管理方法，并通过一实例对地形绘制系统的性能进行了评价。从绘制结果看，系统对地形进行实时优化时折衷考虑了国象绘制质量和绘制速率，在图象质量没有有明显退化的情况下极大地改善了地形绘制的性能。     

Adaptable Splatting for Irregular Volume Rendering

By employment of a footprint table in conducting intensity integration, splatting method has been very successful in rendering regular data volumes. Recently, the method has also been extended to render irregular data volumes. However, since samples in irregular volumes vary greatly in size and shape, the footprint table is unable to be employed in an efficient manner. This hinders the application of splatting approach from being used in the irregular volume case. In this paper, an adaptable splatting method is proposed, which provides an efficient way to integrate color intensity in terms of footprint table for the samples in various sizes. Experiments show that the new method may be used to produce better images without extra expense.     

Three Architectures for Volume Rendering

Volume rendering is a key technique in scientific visualization that lends itself to significant exploitable parallelism. The high computational demands of real-time volume rendering and continued technological advances in the area of VLSl give impetus to the development of special-purpose volume rendering architectures. This paper presents and characterizes three recently developed volume rendering engines which are based on the ray-casting method. A taxonomy of the algorithmic variants of ray-casting and details of each ray-casting architecture are discussed. The paper then compares the machinefeatures and provides an outlook onfuture developments in the area of volume rendering hardware.     

协同分布式图形硬件的混合并行体绘制

由于一般的共享存储并行机缺乏图形硬件,其上产生的3维科学计算数据,无法采用硬件加速的并行体绘制来就地进行数据可视化。为此基于本地并行机和分布式图形工作站,给出了一种混合并行绘制模型。该模型的工作原理是先将源数据存留在并行机,然后通过并行机的多处理器发布远程绘制命令流,进而通过操控工作站的图形硬件完成绘制;后期图像合成在并行机上执行,以发挥共享存储通信优势。通过负载平衡优化,并行绘制流水线有效实现了绘制、合成与显示的重叠。实验结果显示,该方法能以1024×1024图像分辨率,交互绘制并行机上的大规模数据场。     

虚拟环境中基于视觉心理学原理的预见性纹理绘制算法

本文首先阐述了视觉心理学原理 ,然后对基于视觉心理学原理的预见性纹理绘制算法进行了详细的研究。采用本算法可以生成符合人眼视觉感知的虚拟场景。     

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。     

基于打包索引纹理的大规模数据体绘制算法

针对大规模数据体绘制效率低下的问题,提出一种算法：对体数据进行纹理分块打包,移除空数据块,并创建数据块的索引数据,绘制时通过索引访问打包后的纹理实现大规模数据完全载入显存,同时在索引中标记空数据及高密度数据块的位置,绘制前生成其有效的立方体数据表达,结合早期光线终止与空域跳过等加速技术,有效地实现了大规模的体数据的实时绘制,同时保证了结果图像的质量。     

基于动态纹理载入的大规模数据场体绘制

为克服图形硬件对传统纹理映射体绘制的限制,提出了一种在普通PC上进行大规模数据场体绘制的有效方法。该方法中,体数据被划分为合适大小的数据块,这些数据块被动态的载入图形硬件,并利用3维纹理映射进行绘制。在整个绘制过程中,仅有一个数据块存储在图形硬件上,有效地提高了对大规模体数据的绘制能力。同时,充分利用目前PC图形硬件成熟的可编程特性,通过对梯度的实时计算来减少在传统纹理映射体绘制中巨大的内存消耗。实验结果表明,该方法在普通PC上可以对超过纹理内存容量的大规模体数据进行交互式体绘制。