用鞍点保证拓扑正确的快速等值面提取技术

等值面提取是研究三维数据场可视化的有效方法。针对已有的一些等值面提取算法存在的二义性问题,提出了用鞍点保证拓扑正确的快速等值面提取算法。用二线性插值和三线性插值函数来近似计算立方体表面和内部点的值,根据立方体中面鞍点和体鞍点个数的不同,将立方体剖分成不同数目的四面体。这种剖分只和原始数据的属性有关,与给定的等值无关,因此在数据不变的情况下只需要剖分一次。最后,用分层分组的方法将四面体分类到不同组中,避免在等值面提取过程中访问那些不含有等值面的四面体,从而提高了算法的速度。该算法在等值平滑变化或是随机变化时都能保持良好的特性。     

一种改进的MC算法

为了对等值面与子等值面进行提取和分组,在MC算法原理的基础上,提出了一种改进的等值面提取与子等值面分组算法。该算法首先将数据场分解为点、棱边、面与体元的拓扑结构;然后在整个数据场范围内求所有棱边与等值面的交点,并在面内连接交点形成面与等值面的交线,交线在体元内连接生成空间多边形;接着通过三角化各个体元内的空间多边形得到由顶点表与三角形表组成的等值面数据;最后根据三角形在顶点处的连接关系,采用种子算法对属于同一子等值面的三角形与顶点进行标记,属于同一子等值面的顶点与三角形将被存放在独立的顶点表与三角形表中。实验结果表明,该算法可以高效地实现等值面提取与子等值面的分组。     

基于间隔树的等值面提取加速算法的改进

等值面提取是体绘制算法的一个重要方面。该文对一种等值面提取加速算法的数据结构和搜索算法提出改进的方法，并用 ＭＡＴＬＡＢ语言在微机上加以实现，获得了预期的效果。     

三维标量场并行等值面提取与绘制技术

通过研究并行等值面提取与绘制的各项关键技术要点,面向三维标量场的特点,在sort-last并行绘制模式的基础上提出一个三维标量场并行等值面提取与绘制框架.该框架在任务分配时采用静态分配的模式,在等值面提取时采用Marching Tetrahedra等值面提取算法,在并行绘制与场景合成时采用预先构建绘制节点控制模型的混合场景并行绘制合成算法.实验结果表明,该框架能够有效地提高大规模时变三维标量场的等值面提取与绘制效率,满足实际应用的需要.     

基于GPU的等值面提取与绘制*

利用图形硬件的并行性将六面体网格数据映射为纹理,从每个六面体中提取等值面片,并将其绘制到纹理而得到最终等值面。基于Cg着色器编程语言实现三维电磁环境表现的实验结果表明,该方法有效地减轻了CPU负担,提高了等值面提取速度,适合实时应用。     

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.     

移动立方体算法与移动四面体算法的对比与评估

等值面提取在标量场体数据可视化和隐函数曲面显示中具有重要应用,经典算法包括移动立方体算法和移动四面体算法,其核心是在立方体或四面体体素单元中用线性的三角面片逼近原始曲面.文中以可计算的代数曲面为例,对上述2种等值面提取算法的逼近精度、时间和空间效率等方面进行了详细的对比,为各种应用中等值面提取算法的选取提供了参考依据.     

硬件加速的等值面提取与绘制

图形硬件的发展为通用计算提供了新的平台.利用图形硬件的高密集和并行运算能力,将非规则四面体网格数据映射为纹理,在GPU中从每个四面体提取等值面片,并将其绘制到纹理而得到最终等值面.基于Cg着色器编程语言实现三维雷达作用范围表现的实验结果表明:该方法有效的减轻了CPU负担,提高了等值面提取速度,适于实时应用.     

直接体绘制中交互显示控制技术研究

针对直接体绘制中的交互显示控制问题,在深入分析交互显示控制中的颜色控制、Alpha控制和区域控制方法的基础上,结合等值面提取与绘制方法的特点,提出了一种基于直方控制的类等值面交互显示控制方法,该方法通过用类似窄直方图的Alpha折线控制体数据的透明度从而实现类似等值面的显示。试验表明该方法不仅能够有效模拟等值面绘制效果,而且在等值面值变化时效率较等值面算法大大提高,能够有效满足实时性要求。     

基于图形处理器的近似等值面提取算法

提出了一种新颖的等值面提取算法，该算法基于Ray-Isosurface intersection方法，通过模拟三维扫描仪的工作过程来提取等值面。算法应用GPU的并行计算能力来完成主要的计算密度大的计算过程，计算结果存储为点的形式，并通过iso-splatting的技术绘制出来。算法通过控制GPU所使用的缓冲区大小和通过模拟三维扫描仪工作原理进而避免不可见部分的等值面提取，来达到一个高质量的绘制效果和高FPS的交互环境。通过该算法和传统算法在几组数据上面的绘制质量，FPS的比较证明了算法的优越性。     

基于标签化医学图像的多阈值三维重建算法

针对传统面绘制重建方法 MC无法一次性提取多个阈值器官的问题,提出一种将MRI图像中靶区及其周边组织进行标签化分割的多阈值三维重建算法。该算法通过将二维图像中的多阈值器官标签化为简单的整数,降低提取等值面时的数据存储量,进而提高等值面的绘制速度。同时,定义了多阈值三维重建时体素顶点索引方式和等值面相交形态,减少了传统MC算法提取多个阈值器官时存在三角面片与顶点复用的情况,且仅需一次性扫描即可重建多个器官等值面。实验结果表明,本文算法较传统MC算法,重建器官数量越多,器官彼此结构越紧密,三角面片与顶点复用情况减少越明显,在保证重建效果的同时,绘制速度可提高30%。     

拓扑结构正确的三线性插值曲面的三角片逼近

在等值面的三角片逼近问题中，采样点的选择对于逼近等值面拓扑结构的正确性和逼近的精确性都非常关键．现有的Marching Cubes以及对其进行改进的方法缺乏对原始曲面拓扑结构的考虑，通常选择同类采样点，无法保证逼近等值面具有正确的拓扑结构．为解决上述问题，将Morse理论的基本思想引入到等值面逼近问题中，提出基于拓扑复杂度的等值面逼近的新方法，该方法根据体元内部曲面拓扑复杂度不同，自适应地提取两类等值点作为采样点：临界点和边界等值点．由于临界点是反映曲面拓扑结构的关键点，因此，无论原始曲面的拓扑结构复杂与否，新方法都能保证逼近等值面具有正确的拓扑结构、较高的逼近精度且基本不增加计算量和数据量．用实例对新方法和已有方法的逼近结果做了比较．     

基于Fork/Join框架的等值面快速生成并行算法

针对传统串行等值面提取算法在处理离散点数量多、网格点密度大的数据时生成效率差的问题,提出一种新的基于Fork/Join框架下的等值面快速生成并行算法。通过对传统串行算法中的关键步骤进行并行计算可行性分析,提出可以实施并行计算的四个单独步骤:离散点数据网格化处理、等值点计算、等值线追踪与光滑、等值面标记识别。通过将并行计算作用于等值面生成的这四个步骤中,减少了等值面计算的执行时间,加快了等值面的生成速度。实验结果表明,在数据计算量较大时,与传统串行算法相比,并行算法能在2秒内快速生成等值面,最大加速比高于5.0,提高了等值面的生成效率并取得了良好的绘制效果,满足了高实时性的业务需求。     

一种医学图像三维表面重建的快速算法

阐述了医学图像三维重建的方法和过程,提出了一种基于跨距空间的快速种子体素搜索算法,利用等值面繁衍算法快速提取三角形等值面,并对由中点近似产生的共面三角形等值面进行合并。实验结果显示,本文提出的算法加快了重建的速度,有利于实现对基于医学图像的大规模数据三维重建的实时绘制和交互。     

基于多尺度的Marching Cube改进算法

在医学图像三维重建中,经典的等值面重建算法Marching Cube是一种比较常用的算法。该算法具有可以在给定阈值的情况下提取任意三维数据场的等值面的优点,但因需计算大量的数据和三角面片而使得该算法速度较慢。提出了使用不同尺度的等值面重建理论,实现了一个多尺度的Marching Cube算法,经过实验对比,该算法比原Marching Cube算法具有效率高、速度快的优点。     

基于医学体数据生成四面体网格的方法

为了从医学体数据直接构造四面体网格,提出一种基于栅格的网格生成算法.该算法的主要思想是从背景栅格中提取并填充代表区域边界的等值面.首先,对医学体数据进行预处理与采样,构建一个背景栅格.其次,用对偶方法从栅格提取三角表面网格,用于分段线性逼近等值面.然后,对栅格中所有位于等值面之内或与等值面相交的立方体,用预定义的模板分解成四面体单元.最后,用Laplacian平滑技术优化四面体网格.在均匀网格的基础上,研究了自适应网格生成算法,在保持网格几何精度的同时精简单元数量,以提高有限元计算效率.给出了从CT数据生成人体股骨远端四面体网格的实例,该网格模型被用于虚拟膝关节镜手术.     

基于三维栅格模型的最短距离等值面提取

通过研究三维最短距离分析及MC算法,提出基于三维栅格模型的最短距离等值面提取算法,通过导入费用数据和源点数据,即可自动输出到达源点任意有效取值的最短距离等值面。该算法允许输入多个源点,并可应用于非均质三维空间中。实验结果表明,该算法设计合理、可行。     

电磁环境多层等值面融合绘制研究

针对电磁环境三维体数据中提取出的多层等值面,根据交互绘制速率与绘制质量的不同要求,提出分层伪排序融合绘制方法和改进Depth Peeling融合绘制方法。前者实现了多层等值面的近似排序,采用逐像素着色增强边界轮廓,绘制速率快,适合需要快速绘制而质量要求不高的场合;后者通过引入Slicemap技术,解决了多层等值面片元分布不均匀的问题,并利用多遍绘制融合方法,提高了绘制复杂等值面的能力,从可视化效果看,提高了绘制质量,绘制效率也得到了保证。     

一种姿态无关的人体模型骨骼提取方法

随着三维扫描技术的逐渐成熟,三维人体扫描模型的骨骼提取逐渐成为虚拟人建模研究领域的热点之一,现有的三维人体模型骨骼提取方法,存在手工标注任务繁重、对模型姿态过于敏感、计算结果不准确等问题,提出了一种新的三维人体模型的骨骼提取算法:首先,根据Morse原理,将测地距离作为Morse函数的要素,实现姿态无关的人体模型特征点以及拓扑结构的提取;其次,将测地距离等值面作为基础数据,采用截面似圆性判别准则提取模型关节中心所在等值面,从而获得关节中心的准确结果,实验结果表明,与已有算法相比,该方法具有模型姿态无关、计算结果准确等特性,并且能够完全自动地提取三维人体扫描模型的骨骼.     

MC 算法在 CT 医学图像三维重建中的应用*

MC 算法是三维重建面绘制的经典方法,采用等值面提取的方式把所需的数据分离出来进行重建。通过对 MC 算法的原理进行分析,结合 VTK 类库编程,研究基于 MC 算法提取CT 图像病灶的方法,并通过坐标平滑的方法对算法进行改进,提高三维重建的平滑显示效果和重建速度。