设计转换函数实现保留上下文环境体绘制

摘要为了帮助医生对医学图像进行准确的定位和诊断,在显示感兴趣区域的同时保留其上下文信息,提出一种保留上下文环境体绘制方法.首先记录沿光线方向的首个等值面的空间位置;然后根据采样点到等值面的距离和采样点处的梯度构造衰减函数,将衰减函数作用于不透明度转换函数,以控制光线合成.对头、腹和脚部等CT数据的实验结果表明,该方法可以在保留组织轮廓清晰的前提下增强感兴趣区域显示.     

散乱点云数据的高阶平滑隐式曲面重建

针对三维扫描或三维重建获取的散乱点云数据曲面重建问题, 提出基于拉普拉斯规则化的高阶平滑算法。首先, 计算点云数据的包围盒并离散化得到体素空间; 其次, 在体素空间根据隐式曲面的梯度和点云位置、法向信息建立目标函数, 并通过对目标函数的拉普拉斯规则化达到控制重建曲面光顺效果的目的; 再次, 根据最优化原理将重建问题转换为一个稀疏线性方程组求解问题; 最后, 通过步进立方体算法得到重建曲面的三角网格表示。定性和定量的实验结果表明, 该方法重建曲面绘制效果和精确度优于常用的Poisson方法。     

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。     

适用于GPU的四面体体数据规则化与可视化

为实现三维不规则体数据场的高效绘制,提出一种适用于GPU的四面体体数据规则化和可视化算法.将以四面体为基本单元的稀疏体数据用一个有限深度的八叉树结构逼近,并将逼近误差表达为一个离散的完全空间哈希结构;然后将半规则的八叉树转换为规则的八叉树纹理(三维),并将完全空间哈希表转换为三维查找表,两者均可在绘制时快速随机取值,故可直接作为三维纹理在GPU中访问.通过这种双规则化的表示方法,可将四面体体数据的可视化转化为在GPU中并行地绘制2种三维纹理.实验结果表明,该算法在处理空间稀疏体数据时保证了较高的精度,同时减少了数据存储量.     

转换函数和视点选择的智能体视化

在体绘制中引入人工智能技术,实现了转换函数的智能设计和视点的自动选择．该方法把寻找最佳转换函数和视点问题转化为全局优化问题,由初始样本集开始,经过多次迭代和评价逐步得到理想的结果．最后,结合实例给出了转换函数设计的中间图像和视点选择的效果图,显示用户感兴趣的重点部分,并确定对象的最佳观察位置．     

面向台风数据体绘制的传输函数研究

在直接体绘制中,传输函数定义了从数据属性到光学属性的映射关系,直接决定了绘制的效果,是体绘制研究的关键技术之一。为了使体绘制技术在气象领域真正发挥作用,必须结合气象规律研究和设计面向气象数据体绘制的传输函数。研究台风数据的特点以及针对台风数据体绘制的传输函数的设计流程,在数据值梯度直方图基础上结合光照参数设计了台风标量场数据的传输函数,采用台风的温度、湿度以及云量等数据进行体绘制,更好地显示了台风的内部结构,对于认识台风起到了促进作用。     

利用空间信息实现保留上下文体绘制

直接体绘制中,为了去除非感兴趣组织对感兴趣区的遮挡,增强感兴趣区域的显示效果,提出利用空间信息的保留上下文体绘制方法。通过人机交互设定焦点,快速定位感兴趣区;提取光线上每个采样点与焦点的空间位置以及夹角信息;根据这些信息构建高斯衰减函数,作用于当前采样点的不透明度,控制光线合成,以突出显示感兴趣区。对CT头部数据的实验结果表明,该方法可以去除非感兴趣组织对感兴趣组织的遮挡,突出显示感兴趣区,且具有良好的人机交互性。     

基于成员体关系的医学数据剥离绘制算法

针对修改传输函数或者使用特殊的光照效果时不能完全解决直接体绘制医学数据人体组织间的遮挡问题,提出一种基于成员体关系的分层剥离体绘制算法.利用梯度阈值函数判断采样点的类型,通过采样光线获得同种组织的标量值范围;用由移动最小二乘法按照拟合出的不同组织的分界标量值和空间位置来建立每个体素的成员体关系;将成员体关系用于分层剥离体绘制,以解决同类组织的遮挡问题,并采用自适应的光线投射算法提高图像的绘制效果和速度.实验结果表明,文中算法可以根据医学数据来确定相应的成员体关系,使被遮挡部分绘制效果清晰.     

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．     

基于预计算切片序列的动态体绘制技术

为进一步提高基于硬件加速的体绘制技术的渲染性能,解决海量体绘制应用中体数据可视化环节的性能瓶颈,文中提出了一种基于硬件加速的实时切片体绘制技术的优化模型。相对于完全基于实时切片的体绘制系统,应用该技术在保证最终图像渲染质量的同时可节省动态判断切片方程的计算开销并大幅降低运行时的数据带宽需求。基于预计算的动态体绘制在切片方向选择空间中选取一组彼此正交的切片方案,并在预处理阶段生成切片几何数据,运行时根据视点位置通过特定判断算法进行方案选择。对基于分块的海量数据体绘制系统,该技术可有效降低海量体绘制的总体带宽消耗,从而进一步拓展系统的渲染规模。     

基于Slicing的快速有限元网格体绘制算法

在Incremental Slicing算法的基础上,针对有限元网格的特点,提出了一种适合于多种有限元单元类型的快速体绘制方法,由于采用硬件加速的多边形ＲＧＢＡ填充方法混合显示数据场与几何体的外表面,优化了切面多边形的形成算法,并对于小单元进行了特殊处理,大大提高了有限元网格体绘制的速度与质量。     

大坝地震反应数据场快速体绘制算法

为了弥补传统体绘制静止画面时，不能明确判断场值集中部位的不足，提出了一种快速体绘制算法，针对大坝地震反应有限元计算数据场，根据每个单元法线与视线夹角最小的表面来选择剖切方向，将单元剖切成多个四边形面后进行颜色融合和叠加，大大提高了体绘制速度，实现了动态观察体绘制图，从而清楚地分析场值集中部位。     

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。     

基于WebGL技术的某升船机塔柱结构仿真可视化平台研究

在数字化技术应用于水利水电工程的大背景下,为在某升船机塔柱结构某升船机数字化升级项目中实现智慧化模拟,完善可视化和数据交互能力,研发一个结构仿真可视化平台。平台采用WebGL技术,在网页端对有限元网格模型进行重绘;提供云图及变形动画渲染功能用于展示前、后处理数据;研究有限元数据处理、模型面片和云图渲染优化技术,用于高效渲染。平台在某升船机数字化项目中得到了良好应用,可视化功能可用于常用结构分析,并基于平台接口开发监测对比功能,提高运行管理单位对结构安全的分析水平。相关技术可用于其他水利水电工程结构的仿真可视化平台当中。     

Composed Scattering Model for Direct Volume Rendering

Based on the equation of transfer in transport theory of optical physics,a new volume rendering model,called composed scattering model(CSM),is presented.In calculating the scattering term of the equation,it is decomposed into volume scattering intensity and surface scattering intensity,and they are composed with the boundary detection operator as the weight function.This proposed model differs from the most current volume rendering models in the aspect that in CSM segmentation and illumination intensity calculation are taken as two coherent parts while in existing models they are regarded as two separate ones.This model has been applied to the direct volume rendering of 3D data sets obtained by CT and MRI.The resultant images show not only rich details but also clear boundary surfaces.CSM is demonstrated to be an accurate volume rendering model suitable for CT and MRI data sets.     

Topology-controlled volume rendering

Topology provides a foundation for the development of mathematically sound tools for processing and exploration of scalar fields. Existing topology-based methods can be used to identify interesting features in volumetric data sets, to find seed sets for accelerated isosurface extraction, or to treat individual connected components as distinct entities for isosurfacing or interval volume rendering. We describe a framework for direct volume rendering based on segmenting a volume into regions of equivalent contour topology and applying separate transfer functions to each region. Each region corresponds to a branch of a hierarchical contour tree decomposition, and a separate transfer function can be defined for it. The novel contributions of our work are: 1) a volume rendering framework and interface where a unique transfer function can be assigned to each subvolume corresponding to a branch of the contour tree, 2) a runtime method for adjusting data values to reflect contour tree simplifications, 3) an efficient way of mapping a spatial location into the contour tree to determine the applicable transfer function, and 4) an algorithm for hardware-accelerated direct volume rendering that visualizes the contour tree-based segmentation at interactive frame rates using graphics processing units (GPUs) that support loops and conditional branches in fragment programs     

Real-time Biomechanically-based Muscle Volume Deformation using FEM

This paper presents a voxel-based biomechanical model for muscle deformation using finite element method (FEM) and volume graphics. Hierarchical voxel meshes are reconstructed from filtered segmented muscle images followed by FEM simulation and volume rendering. Physiological muscle force is considered and linear elastic muscle models for both static and dynamic cases are simulated by FEM. Voxel-based wireframe, polygon surface rendering, and volume rendering techniques are applied to show real-time muscle deformation processes as well as realistic animations.     

VCMM: A visual tool for continuum molecular modeling

This paper describes the design and function of a visualization tool, VCMM, for visualizing and analyzing data, and interfacing solvers for generic continuum molecular modeling. In particular, an emphasis of the program is to treat the data set based on unstructured mesh as used in finite/boundary element simulations, which largely enhances the capabilities of current visualization tools in this area that only support structured mesh. VCMM is segmented into molecular, meshing and numerical modules. The capabilities of molecular module include molecular visualization and force field assignment. Meshing module contains mesh generation, analysis and visualization tools. Numerical module currently provides a few finite/boundary element solvers of continuum molecular modeling, and contains several common visualization tools for the numerical result such as line and plane interpolations, surface probing, volume rendering and stream rendering. Three modules can exchange data with each other and carry out a complete process of modeling. Interfaces are also designed in order to facilitate usage of other mesh generation tools and numerical solvers. We develop a technique to accelerate data retrieval and have combined many graphical techniques in visualization. VCMM is highly extensible, and users can obtain more powerful functions by introducing relevant plug-ins. VCMM can also be useful in other fields such as computational quantum chemistry, image processing, and material science.     

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。