基于体素可见度的高效直观传递函数设计算法

针对体绘制中传递函数设计问题,提出基于直观体素可见度设计传递函数的高效方法。用高斯混合模型（GMM）对体数据自动建模,提取体数据的聚类信息;根据高斯混合模型设计体素可见度模型。将传递函数设计转化为真实体素可见度与目标体素可见度距离最小化问题,使用最速下降法求解,得到最优传递函数。同时设计一套方便、灵活的交互工具,用来调节体素可见度模型。实验结果表明了该算法的高效性和直观性。     

应用RBF神经网络的体绘制传递函数设计方法

提出一种基于RBF神经网络的体绘制多维传递函数设计方法,利用直观的交互界面,通过画笔获得感兴趣体素的特征信息作为训练样本对RBF神经网络进行训练,使用训练后的RBF神经网络实现全部体素的分类识别,对不同的分类结果赋予不同的光学参数进行显示,自动完成传递函数的设计。实验结果表明,所设计的交互界面能直观方便地定义感兴趣的对象,大幅提高人机交互的效率;RBF神经网络的自主学习能力能够避免传递函数设计的盲目性,增强感兴趣区域的绘制效果,实现传递函数设计的自动化和智能化。     

基于表层剥离原理的传递函数设计

针对体绘制领域目前存在的计算开销、经验提取和复杂人工干预等几个重要的应用问题,提出了传递函数设定的表层剥离算法。表层剥离算法通过单程交越检测和高梯度比例边缘检测,解决了表层起伏现象导致的分类误差较大,需要复杂的人工干预调整的问题;避免引入高阶偏导等复杂的计算,保持了较低的计算开销;而且形成了一种简单且能发挥用户直觉,具有较高自动化成分的传递函数设定方式,取得了较好的效果。据此开发的普及型医学图像分析系统验证了算法的有效性。     

一种基于交互式多维传递函数的纹理映射体绘制算法

本文设计了一种基于空间信息的交互式多维传递函数的纹理映射体绘制算法。该算法不仅可以根据体数据的强度而且还利用体素的空间位置来设定绘制的颜色和阻光度。通过采用一种独特的空间投影变换,根据用户需求,将体数据划分为不同区域,并分别定义各自的传递函数。该特点使得本文的算法可以有效地对体数据进行交互式分析。在算法实现中,利用了通用图形硬件的可编程特性,在普通PC上可以达到理想的绘制质量和交互速度。     

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。     

基于图形处理器加速光线投射算法的多功能体绘制技术

为克服传统算法中体绘制交互速度不流畅、重建耗时长、绘制效果单一的不足,实现了基于图形处理器(GPU)的光线投射算法用于医学层析图像实时体绘制,并能快速切换不同组织器官的绘制效果。首先,读入医学层析图像到计算机内存,构造体素;然后,设置相应体素属性(如插值方式、着色处理、光照参数)等,设计显示不同组织器官的颜色及不透明度传输函数;最后,GPU加载体素据并进行光线投射算法的计算。实验结果表明,在绘制速度上,GPU加速光线投射算法实现的多功能体绘制技术的绘制速度能达到每秒40帧以上,完全满足临床应用需求。在绘制质量上,用户交互中由于重采样而产生的锯齿现象明显低于CPU端实现的光线投射算法,GPU端与CPU端绘制时间的加速比在9倍左右。     

基于图形处理器加速光线投射算法的多功能体绘制技术

为克服传统算法中体绘制交互速度不流畅、重建耗时长、绘制效果单一的不足,实现了基于图形处理器(GPU)的光线投射算法用于医学层析图像实时体绘制,并能快速切换不同组织器官的绘制效果。首先,读入医学层析图像到计算机内存,构造体素;然后,设置相应体素属性(如插值方式、着色处理、光照参数)等,设计显示不同组织器官的颜色及不透明度传输函数;最后,GPU加载体素据并进行光线投射算法的计算。实验结果表明,在绘制速度上,GPU加速光线投射算法实现的多功能体绘制技术的绘制速度能达到每秒40帧以上,完全满足临床应用需求。在绘制质量上,用户交互中由于重采样而产生的锯齿现象明显低于CPU端实现的光线投射算法,GPU端与CPU端绘制时间的加速比在9倍左右。     

针对全空子数据体的GPU体绘制方法

体绘制是三维数据可视化的主要方法之一。用于体绘制的数据体中包含有大量的空体素,导致光线投射算法进行没有意义的重采样计算,必然降低绘制算法效率。针对全空子数据体体绘制低效问题,本文提出基于GPU体高效绘制方法。利用八叉树数据结构组织数据,有效管理包含许多空体素的子数据体。通过绘制八叉树非全空叶子结点子数据体表面,使光线投射算法中起始和终止重采样位置更接近数据体中的可视部分,同时根据八叉树全空结点子数据体判定纹理查询结果,计算合适的跳跃步长,快速跳过八叉树中全空结点子数据体,减少无效重采样点。当数据体中空体素较多时,实现对原基于体包围盒表面绘制的GPU光线投射算法的加速。设计不透明度函数,凸显数据体中层位面,并将算法成功应用于地震数据可视化,取得很好应用效果。     

基于线性八叉树的快速直接体绘制算法

提出了基于线性八叉树的加速体绘制算法.利用线性八叉树对物体进行空间剖分,光线投射法跨越体数据集中的空体素,以提高绘制的速度.针对光线穿越体数据时的特殊情况,改进线性八叉树邻域查找的方法,特别是不同尺寸的邻域查找方法,克服了层次八叉树邻域查找的低效率,同时提出了光线离开平面的简洁判定方法,方便光线下一个采样点的计算.实验结果表明,该算法能够有效地提高绘制的速度.     

针对全空子数据体的GPU体绘制

目的 体绘制是3维数据可视化的主要方法之一。用于体绘制的数据体中包含有大量的空体素,导致光线投射算法进行没有意义的重采样计算,必然降低绘制算法效率。针对全空子数据体体绘制低效问题,提出基于GPU体高效绘制方法。方法 利用八叉树数据结构组织数据,有效管理包含许多空体素的子数据体。通过绘制八叉树非全空叶子节点子数据体表面,使光线投射算法中起始和终止重采样位置更接近数据体中的可视部分,同时根据八叉树全空节点子数据体判定纹理查询结果,计算合适的跳跃步长,快速跳过八叉树中全空节点子数据体。结果 当数据体中空体素较多时,确定合适的八叉树深度,有效地跳过数据体中的空体素,减少体绘制运算量,实现对原基于体包围盒表面绘制的GPU光线投射算法的加速。结论 设计不透明度函数,凸显数据体中层位面,并将算法成功应用于地震数据可视化,取得很好应用效果。     

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     

基于自适应带宽均值漂移聚类算法设计传递函数

本文采用均值漂移聚类算法为三维数据场设计传递函数.首先根据采样点的分布提出了两种自适应的带宽计算方法;然后利用梯度幅值对采样点加权,实现数据场的物质分类;最后对分类的结果设计高斯型的映射函数.实验表明,与固定带宽均值漂移算法相比,该方法提高了算法的速度和分类的准确性,并获得了高质量的绘制效果.     

基于二值体金字塔数据结构的自适应快速体绘制方法

直接体绘制技术无需拟合中间几何图元直接绘制体数据,由于绘制图像质量高,该技术倍受青睐。但是,因为直接体绘制需要遍历整个数据场,绘制速度慢,在绘制大规模数据场时,速度已经成为应用该项技术的一大瓶颈。为此,提出一种基于二值体金字塔数据结构的自适应快速体绘制方法,该方法可以在不降低图像质量的情况下,加快图像绘制速度。     

加速体绘制技术

根据体绘制成像的各个操作环节，对体绘制的加速技术进行了较全面且系统的介绍，包括色彩合成、光线与数据的求交、插值计算、排序及视见变换、对体绘制的基于硬件及系统方面的加速技术（如并行体绘制和漫游体绘制）也进行了一些讨论，在实际应用中，只有将各种加速技术进行有机地结合才能充分发挥体绘制的可视化作用。     

Error-controlled real-time cut updates for multi-resolution volume rendering

Multi-resolution techniques are required for rendering large volumetric datasets exceeding the size of the graphics card's memory or even the main memory. The cut through the multi-resolution volume representation is defined by selection criteria based on error metrics. For GPU-based volume rendering, this cut has to fit into the graphics card's memory and needs to be continuously updated due to the interaction with the volume such as changing the area of interest, the transfer function or the viewpoint. We introduce a greedy cut update algorithm based on split-and-collapse operations for updating the cut on a frame-to-frame basis. This approach is guided by a global data-based metric based on the distortion of classified voxel data, and it takes into account a limited download budget for transferring data from main memory into the graphics card to avoid large frame rate variations. Our out-of-core support for handling very large volumes also makes use of split-and-collapse operations to generate an extended cut in the main memory. Finally, we introduce an optimal polynomial-time cut update algorithm, which maximizes the error reduction between consecutive frames. This algorithm is used to verify how close to the optimum our greedy split-and-collapse algorithm performs.     

基于多尺度等值面设计传递函数

在体绘制中传递函数将体数据转换成光学参数,因此体绘制的效果直接由传递函数决定.本文提出了基于多尺度等值面设计传递函数的高效方法.该方法通过梯度阈值提取边界体元来简化数据场,然后将提取等值面的目标函数的计算化简为累加的拉普拉斯加权的直方图极值的计算.最后对直方图进行多尺度平滑,利用提取出的多尺度等值面来设计高斯型传递函数,提高了等值面的准确度和传递函数的设计效率.     

应用混合蛙跳算法的体绘制最佳视点选择

提出一种基于混合蛙跳算法的体绘制最佳视点选择方法。利用体数据投影图像的不透明度和亮度以及提取的结构信息特征,建立反映体素重要性和体数据内部结构信息的视点评价函数;将视点评价函数作为混合蛙跳算法的适应度函数,用混合蛙跳算法来指导和优化体绘制最佳视点的选择过程,以得到全局最优视点或一组被优化的视点集。实验表明,该方法能够快速有效地聚焦和显示体数据中的重要结构信息或感兴趣区域,算法的收敛速度和收敛精度高,具有良好的全局最佳视点选择性能,能够用来指导大规模体数据场的体绘制过程。     

Projected slabs: approximation of perspective projection and error analysis

Virtual endoscopy is a promising medical application for volume‐rendering techniques where perspective projection is mandatory. Most of the acceleration techniques for direct volume rendering use parallel projection. This paper presents an algorithm to approximate perspective volume rendering using parallel projected slabs. The introduced error due to the approximation is investigated. An analytical study of the maximum and average error is made. This method is applied to VolumePro 500. Based on the error analysis, the basic algorithm is improved. This improvement increases the frame rate, keeping the global maximum error bounded. The usability of the algorithm is shown through the virtual endoscopic investigation of various types of medical data sets. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.