基于GPU的烟雾数据体面混合绘制技术研究

研究烟雾等大规模体数据在虚拟场景中实时可视化的技术是一种新的体面混合绘制技术,在灾害现象仿真中有着重要的应用。在处理体面混合绘制时,已有的绘制算法难以实时地处理体数据的遮挡和裁剪,并在内窥绘制中出现片元空洞。针对以上问题,提出一种基于GPU的体面混合绘制算法,将体数据视为参与介质,同时将面绘制的结果作为体绘制的积分域约束条件,从而把面绘制中的裁减算法推广到体数据的绘制中,实现了体面混合绘制的无缝融合。仿真结果表明算法能够实时地绘制虚拟场景中的大规模体数据,并且能够处理复杂的内窥效果。     

基于纹理映射与Phong光照模型的体绘制加速算法

为了提高体绘制速度，提出了一种基于纹理映射、具有Phong光照效果的体绘制加速算法．该算法是根据Phong光照模型，利用一单位球面体来仿真相同光照绘制条件下的每一个体素的反射光强，首先形成一个以法线矢量为索引值的反射光强查寻表，再应用窗值变换的加速算法来计算体素的不透明度；然后采用纹理映射的方法将体素光强值与由不透明度组成的3D数据集从物体空间投射到观察空间，再沿视方向融合为3D图象．实验表明，这种3D旋转的明暗修正保证了体绘制中3D旋转几何变换的多视角观察的交互速度．由于该算法综合了体绘制软件算法数据处理与纹理映射硬件加速的优点，并用2D纹理映射与融合的方法实现了体数据的3D重建，因而不仅降低了对计算机硬件与软件环境的要求，而且在目前通用个人计算机上即可获得近似实时的交互绘制速度和良好的3D图象品质．据研究，该算法同样适用于3D纹理映射的体绘制方法．     

在流水线结构上的基于Shear-Wrap的并行体数据绘制算法

在以前的基于目标空间划分的并行体数据绘制算法中，局部绘制和图象融合是两个串行的过程，在节点机的局部绘制阶段几乎没有数据通讯，但在数据融合阶段数据通讯量非常大，出现总线争用甚至通讯阻塞，而且在这个阶段有非常大的同步开销。本文利用流水线结构，让局部体数据绘制和图象融合并行执行，很好地解决了上述缺点。并在一个基于微机的流水线结构上实现了一个新的基于目标空间划分的并行体数据绘制算法。     

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。     

基于片段的光线投射算法

光线投射算法是最常使用的体绘制算法之一,它能够产生高质量的结果图形,但是绘制的时间复杂度高。提出了一种基于片段的光线投射算法(segment-based ray casting,SRC),以实现加速。同许多加速技术一样,SRC利用体数据的数据一致性,但是却将优化重点放在融合阶段而不是传统的数据预处理阶段。SRC将连续的具有相似属性的重采样点合并成一个片段,然后对片段进行融合而不是对重采样点进行融合,从而减少了融合操作的次数和时间。对SRC从理论和实验两个方面进行验证。实验结果表明,软件实现的光线投射算法使用SRC后性能提高约30%,而基于GPU的光线投射算法使用SRC后性能提升的倍数与片段长度几乎相同,SRC易于与其他体绘制优化算法结合,具有较强的适用性。     

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。     

基于人脑部体数据的任意切面研究

本文结合表面绘制方法和体绘制方法,采用以三维矩阵数值运算与逻辑运算为基础的体数据面绘制算法,实现了医学断层图像序列的三维重建及任意切面显示.通过对子矩阵分解的分析,解决实时性要求与存储空间和运行时间的矛盾.实验结果表明,该算法既克服了表明绘制不能体现内部数据的缺点,又从一定程度上解决了体绘制的速度问题,可以从任意角度和位置来观察剖面的形状、大小、灰度分布等各种病理特征.     

具有剪切的矢量压缩立体绘制算法

利用矢量压缩的方法进行立体绘制,一个不足是根据码本生成的Pixmap图无法应用于立体投影中的每一点,为了克服这些缺点,提出了具有Shear Warp的矢量化算法,它充分发挥了矢量量化的压缩比,以及不需要解压即可直接进行体绘制的优点,有效地利用了具有Shear Warp的体绘制方法的快速和适合立体投影的优点,克服了基于矢量量化的绘制方法的不足,几乎能够达到实时的交互绘制,是一种基于网络的绘制模式。     

利用反向光线弯曲实现体数据模型的自由变形模拟*

提出了一种用反向光线弯曲绘制体数据自由变形的方法,并将经典的体绘制优化技术引入到基于反向光线弯曲的变形体数据绘制算法中,避免了变形绘制过程中大量对绘制结果没有贡献的无效运算.实验结果表明体数据变形绘制方法可明显加快变形绘制模拟速度.     

三维地形高质量实时矢量叠加绘制

在高低起伏的三维地形上无缝叠加二维矢量数据是三维地理信息系统可视化的必须功能.为了进一步提高矢量纹理的像素有效利用率,减轻走样,提出一种采用多级联的绘制方法来改进传统基于纹理的矢量叠加绘制过程的算法.该算法采用深度剖分和屏幕空间分块2种策略对视域四棱锥进行分割,对子四棱锥内矢量进行级联绘制,并对绘制范围进行调整优化,整个算法过程完整地利用了现代GPU可编程硬件来实现.实验结果表明,文中算法适用于大范围多分辨率地形上的矢量绘制,绘制过程达到了实时,绘制效果令人满意.     

基于光线投射算法的混合场景可视化

体绘制技术常用于3维体数据场的可视化,其虽然可以生成高质量的投影图像,但通常不能绘制由体数据与点、线、面图形组成的混合场景。在现有的混合场景可视化方法中,有些只能绘制由体数据与面图形组成的复杂混合场景,而不能处理存在点和线的混合场景;有的则成像速度慢、成像质量差。为了能够正确地绘制复杂混合场景,采用SIMD和软件加速等技术,提出了一种速度快、成像质量高的基于光线投射算法的混合场景可视化方法,并分析了该算法所具有的3种绘制次序,以便满足不同应用的要求。该算法既可用于不同场景的绘制,又可用于平行和透视投影中。实验结果表明,该算法能够正确地绘制体数据与点、线、面图形组成的混合场景,且成像速度快,图像质量高。     

Particle-based multiple irregular volume rendering on CUDA

In this paper, we describe an improved particle-based volume rendering (PBVR) technique for previewing a large irregular volume dataset using the CUDA architecture. This technique allows for opaque and emissive particles to render translucent volumes without visibility sorting. Our GPU acceleration of PBVR provides the multi-volume rendering feature while remaining compatible with both regular and irregular volumes. We also reduce the memory cost required for storing all sub-pixel values by proposing a pixel repetition technique for a large sub-pixel level. By adjusting the repetition level, we achieved a very smooth level of detail (LOD) control for trading quality for speed. Our work demonstrates a full-detail rendering rate from 5 to 10 fps for irregular volume data with mega-scale cell numbers on an NVIDIA GeForce 8800GTS.     

虚拟手术中的模型实时绘制

实时的视觉反馈在虚拟手术中可以加强操作者的沉浸感。该文分析了体绘制和面绘制的优缺点,在系统实时性的要求下,实现了基于立体纹理映射的三维体模型的面绘制。算法在容许实时交互的同时,为操作者提供了真实感较强的视觉反馈。由于文中立体纹理生成及纹理坐标计算的特殊性,对虚拟手术中的拉压变形和切割等操作也能很好地处理。     

动态非均质半透明物体的实时绘制算法

现有的对半透明物体的绘制算法中大部分都是为均质材质设计的,虽然有少数算法可以绘制非均质材质,但效率不高,为此提出一种图形硬件加速的动态非均质半透明物体的实时绘制算法.首先将模型的采样点组织成八叉树的形式,将双向次表面散射反射函数(BSSRDF)表达绑定为顶点属性,同时充分利用图形硬件的并行性来实现八叉树的快速建立和遍历;然后以树的结点之间的空间距离和材质的相似度为准则提出一种新的采样方法来提高表面积分的效率.由于整个过程不需要任何预计算,因此该算法可以很容易地扩展到动画场景或者变化的材质,并且还可以灵活地选择BSSRDF的表达方式.实验结果表明,文中算法可以达到实时的绘制帧率和良好的视觉效果.     

基于可见性选择体元的投影成像体绘制方法

基于可见性避免了对不可见体元的合成操作,是提高体绘制速度的有效方法.为此提出了一种方法,根据体元基于体元面的相邻性及累积非透明度没有饱和的像素来挑选体元进行处理.这使得投影成像方法能有效地避免处理不可见体元.该方法不仅适用于平行投影和透视投影的成像运算,而且能处理各种规则场和非规则场.     

数字人切片数据的硬件加速体绘制

实现了一个PC平台下的体绘制硬件加速算法,并对中国数字人、美国可视化人数据集进行可视化．预处理去除图像背景时,将图像从RGB颜色空间转换到YCbCr颜色空间,然后对Cb分量进行Otsu阈值化处理,用生成的二值图像作为掩码图像去除背景．为支持任意大小的体数据,采取了分块策略,并使用BSP树组织数据块,以生成正确的绘制顺序．此外还设计了一种基于图像的CIELUV颜色空间L分量的梯度向量场的传输函数,并取得了良好的绘制效果．     

非规则数据场并行体绘制算法

并行算法是实现体绘制加速的重要途径，然而现有的并行体制绘制算法大部分是针对规则数据场的。     

基于有效裁剪被遮挡单元的非规则数据场体绘制算法

提出了一种被遮挡单元的裁剪算法,以加速非规则数据场的体绘制过程。在基于一组平行切割平面的体绘制方法上,新算法通过对图像不透明度缓冲区中的值进行求平均操作,并将所计算的结果存储在一个与不透明度缓冲区间同样大小的平均不透明度缓冲区中,使得只需根据每一数据单元重心投影点在平均不透明度缓冲区中的值,就可得到此数据单元的可见性,从而有效裁剪掉被遮挡单元,降低需处理的数据量,加速体绘制过程。     

一种用于半透明体绘制的光学模型

为了高效率地重建3维医学图像,并能充分显示内部隐含分界面及内部细节的详细信息,提出了一种能在普通硬件条件下实现的用于半透明体绘制的光学模型IVROM(improved volume rendering optical model)。该模型在光线吸收与发射模型的基础上,考虑了阴影、直接散射与间接散射等因素。此外,还详细介绍了结合该模型与Shear-Warp算法的半透明体绘制方法的实现。实验结果表明,采用该模型的半透明体绘制方法不仅效率高,而且显示效果好。