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.     

一种高效的光线投射体绘制算法

作为体绘制中的一个经典绘制算法,光线投射算法理论简单同时能产生高质量的图像,被广泛应用于医学图像可视化领域。但在绘制过程中有大量的投射光线和体素的重采样,导致绘制速度较为缓慢。为提高绘制的速度,文中提出一种高效的光线投射体绘制算法,通过引入碰撞检测技术减少投射光线的数目,避免冗余光线的采样计算,同时采用光线跳跃方法在碰撞检测包围盒内跳过对空体素的重采样,加快了光线合成的过程。实验结果表明,改进后的算法不仅能保证所需要的图像质量,还能大幅度地减少采样计算的时间,高效地提高绘制速度。     

一种改进的Curvelet变换算法

提出一种Curvelet变换的改进方法.该方法对经典算法进行了两方面改进:保持较大尺度下高频子带各子块的投影轴数不变,在较细尺度下减少投影方向数,使计算量下降;为保持原信号分辨率,对图像平滑块和边缘块分别进行插值和边缘主方向投影补偿.子块类别和边缘子块主方向用8区域方向滤波器来确定.实验结果表明,与降采样下的8方向经典算法相比,改进算法的PSNR值提高约0.8 dB;实现变换的平均耗时比16方向非降采样经典算法减少约9%.在主观视觉效果上,改进算法的重建图像和16方向经典算法结果接近,但系数冗余更小.当折衷考虑变换的耗时、重建质量和系数表达的紧凑性时,改进算法占有明显优势.     

多通道快速GPU光线投射算法

现有基于GPU加速的光线投射算法为满足实时交互的需求,通常在用户交互过程中,采用降低采样频率的方法来提高重建速度,却丢失了三维数据场的信息,极大降低了重建图像的质量.针对这一问题,在分析GPU渲染管道线和图像插值重建技术的基础上,提出多通道快速GPU光线投射算法.利用离屏渲染技术,设置比显示分辨率低4～16倍的渲染分辨率,在此渲染分辨率下进行正常采样的光线投射算法,将渲染分辨率下重建结果重新作为输入,进行高分辨率重建,并显示结果.实验结果表明,该方法可以在满足重建图像质量的前提下,有效提高重建速度.     

一种基于POCS约束的图像代数重建算法

不完全投影数据的代数重建问题一直是CT应用中的热点问题.通过对相互垂直角度投影图像之间的关系分析,文中提出一种改进的代数重建(ART)算法.该算法采用记录射线穿过网格编号和射线与网格相交长度的方法计算投影系数矩阵,并在反投影过程中对不完全投影数据采用凸集投影约束的方法进行重建.实验表明该算法与ART算法相比,图像重建的速度与图像重建的质量都得到较大提高.     

基于像素模型的CT仿真投影快速计算

提高仿真投影的计算速度一直是CT仿真技术的重要研究内容。针对像素模型的投影计算,提出了一种快速仿真投影生成算法。首先确定射线与像素模型边界相交的起始像素索引及纵向距离,然后通过该纵向距离依次计算射线穿过的像素索引及相交长度,同时累加出投影数据。实验结果表明,该算法大大提高了投影计算速度,与Siddon算法相比取得了约7倍的加速比;图像重建结果也证明了该算法的正确性。     

基于梯度模分布的视点选择

在三维体数据的可视化中,信息的获取不仅与传输函数的设置有关,而且与用户观察的视点有关.提出一种新的应用直接体绘制来可视化体数据时最佳视点的选择算法,通过计算梯度模在图像上的分布,寻找梯度模分布最为均匀且投影面积最大的视点方向,同时,在视域球上离散采样得到初始视点墒分布后,使用自适应步长的梯度下降法来优化全局最佳视点方向.实验结果证实了所提出方法能够有效地找到最佳视点.     

基于合成数据的水下机器人视觉定位方法

针对水下场景水下机器人(AUV)位姿数据集难以获取、现有的基于深度学习的位姿估计方法无法应用的问题,提出了一种基于合成数据的AUV视觉定位方法。首先基于Unity3D仿真搭建虚拟水下场景,通过虚拟相机获取仿真环境下已知的渲染位姿数据。其次,通过非配对图像转换工作实现渲染图片到真实水下场景下的风格迁移,结合已知渲染图片的位姿信息得到了合成的水下位姿数据集。最后,提出一种基于局部区域关键点投影的卷积神经网络(CNN)位姿估计方法,并基于合成数据训练网络,预测已知参考角点的2维投影,产生2D-3D点对,基于随机一致性采样的Perspective-n-Point(PnP)算法获得相对位置和姿态。本文在渲染数据集以及合成数据集上进行了定量实验,并在真实水下场景进行了定性实验,论证了所提出方法的有效性。实验结果表明,非配对图像转换能够有效消除渲染图像与真实水下图像之间的差距,所提出的局部区域关键点投影方法可以进行更有效的6D位姿估计。     

基于BTF的草地实时绘制与ROAM实现

在计算机图形学领域,传统的草建模研究多基于几何学,这种方式对于大规模草地而言,要产生大量数据,场景绘制时计算复杂度较高.针对此问题,采用一种基于GPU的双向纹理函数BTF方法,压缩处理采样数据,GPU完成双向纹理重构与映射,在场景质量和速度上得到了较好效果,在实现上采用ROAM算法,实现多分辨率渲染,对距离视点较远或粗糙的地方采取粗略绘制,进一步提高了渲染速度.     

基于逆向光线跟踪与图像绘制的运动水面反射场景绘制

提出了一种结合图像绘制和逆向光线跟踪的绘制算法来生成水面反射场景。首先,采用逆向光线跟踪方法获得视点所见水面反射场景点;然后在反射光线与场景相交点求解时,采用场景图像平面搜索,并将搜索到的图像平面象素点反向投影到观察坐标系求取光线与场景物体相交点以获取反射物颜色;最后按照Fresnel公式计算获得视点所见的水面上某点的颜色,通过对整个图像平面进行遍历,获得水面反射场景。使用该方法绘制的水面反射场景能够物理真实地模拟水面反射效果。对于波动水面附近或漂浮于水面上物体的反射场景,该方法较其它方法能够更好地获得物理真实的绘制结果。     

基于光线相关性的快速光线投射算法

光线投射算法是一种应用广泛的体绘制技术的基本算法，其存在的主要问题是绘制速度较慢。为了提高光线投射算法的绘制速度，以满足医学图像三维重建的应用需求，在深入研究和比较各种光线投射加速算法的基础上，提出了以接近云算法为核心的、适用于医学图像三维重建的综合性加速算法，并在PC机平台上实现了该算法，在保证图像质量的同时绘制速度提高了一个数量级左右，为医学图像三维重建的实用化提供了有效的手段。     

针对类球形对象的改进光线投射算法

为提高光线投射算法的绘制速度和图像绘制质量,提出了一种针对类球形对象的改进光线投射算法。该算法首先设置球形包围盒的方法剔除对最后绘图结果没有影响的光线投射,用快速求交的方法来提高获取采样点的速度,通过自适应采样的方法加入新的采样点来提高绘制图像的质量。实验结果表明该算法不仅比传统方法绘制出的图像质量清晰,并且提高了算法的执行速度。     

基于改进光线投射算法的体数据显示

光线投射算法属于直接体绘制（DVR）中应用比较广泛的算法,其优点是绘制质量高,但是存在采样点计算量大,绘制速度慢的问题.针对这一问题,本文利用投射光线在物空间的传递性质,提出了一种改进的计算采样点位置的算法,加快采样点的获取速度,提高图像三维重建的效率.该算法在PC机平台上得到了实现,不仅在图像质量上得到保证而且绘制速度又有很大提高,为图像的三维重建提供了有效的手段.     

基于八叉树邻域分析的光线跟踪加速算法

八叉树是加速光线跟踪常用的层次划分结构,为加快八叉树跟踪光线的过程,论文 研究了运用八叉树邻域分析提高光线与八叉树节点之间的碰撞检测速度的方法,提出了一种结构 简单、计算效率更高的八叉树节点的邻域分析算法。运用该算法可由现碰撞节点快速计算出下一 碰撞节点,避免了采用大量递归搜索计算,从而提高了图像的渲染速度。实验结果表明,使用论 文提出的邻域分析进行碰撞检测,效率比传统算法提高了3 倍以上,大大提高了光线跟踪的速度。     

一种射束与像素的快速遍历和求交算法

针对ART(algebraic reconstruction technique)算法重建速度慢的问题,提出了一种射束与像素的快速遍历和求交算法.该算法通过一个距离参数来确定射束穿过的像素索引并计算出射束覆盖像素的面积,距离参数采用增量计算,因而运算效率很高.利用该算法在图像重建过程中实时计算权因子,不但节省了大量的内存空间,而且大大提高了图像重建的速度.实验结果表明,提出的算法非常有效,与传统方法相比取得了17倍以上的重建加速比.     

一种基于八叉树空间剖分技术的光线跟踪算法

光线跟踪算法是生成真实感图形的主要算法之一。为了提高光线追踪速度,在研究和比较各种光线跟踪算法的基础上,提出了一种基于八叉树数据结构的光线追踪算法。并结合基于重心坐标系的快速求交算法来提高光线跟踪的求交效率,使用重心坐标来表示包含三角形面片的参数平面,不用像三角形顶点一样需要长期存储,能够快速判定光线与三角形是否相交并计算出交点。实验结果表明,该算法能够在保证图像质量的同时提高绘制速度。     

生成距离图的同心圆窗口矩匹配快速算法

针对半导体封装等工业应用对图像模板匹配的速度要求很高的特点,进行了快速模板匹配算法的研究.同心圆窗口矩匹配是一种速度较快的算法,是将模板分成一系列的同心圆环,然后通过比较模板和待检测图像上对应圆环的零阶矩确定可能匹配点.但由于确定各像素点属于哪一个圆环需要进行复杂的乘积运算,耗费了大量时间.为此,提出了一种生成距离图的改进算法,即匹配前对模板进行预处理,生成距离图,即各像元存储的是距离图像中心（圆心）的半径值.这样,确定像素属于哪一个圆环,只需要经过对各像素的索引值的简单比较,就可以确定.经过实验验证,改进算法可以大大提高模板匹配的速度,满足半导体封装等自动化作业的需求.     

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。     

基于相邻层间相似性和空体素跳跃的体绘制加速算法研究

Splatting是经典的基于物序的直接体绘制方法,运算数据量的多少制约着算法绘制图像的速度。为了进一步提升绘制速度,采用基于相邻层间相似性和空体素跳跃相结合的方法进行加速,在读取数据过程中对图片中的三维纹理数据进行筛选,并使用足迹表对筛选后的三维纹理数据进行二维投影,利用相邻层间相似性计算每一个点的灰度值,并根据灰度值将数据分类,算出对成像没有影响的空体素,跳过其绘制过程从而加速算法。实验结果显示,该算法能够在保证绘制图像质量的基础上,在一定程度上解决和改善Splatting算法数据的空间相关性和运算效率的问题。