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基于图形处理器的近似等值面提取算法

计算机工程 2007年第20期33卷 222-224页

作者：郭勇顾力栩上海交通大学电子信息与电气工程学院计算机科学与工程系上海交通大学电子信息与电气工程学院计算机科学与工程系上海200240

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... 详细信息

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。

关键词：图形处理器等值面提取帧率

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用鞍点保证拓扑正确的快速等值面提取技术

计算机工程与应用 2011年第26期47卷 196-199,206页

作者：黄连杰李纳烟台大学工程实训中心山东烟台264005 烟台大学计算机学院山东烟台264005

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... 详细信息

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。

关键词：二义性鞍点等值面提取立方体剖分四面体插值

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三维标量场等值面提取关键技术研究

三维标量场等值面提取关键技术研究

作者：张伟国防科技大学

学位级别：硕士

等值面绘制是三维标量场可视化最重要且最基本的方法之一,能支持用户直观方便地理解三维空间场内部感兴趣的区域和信息。随着计算机软硬件技术不断发展,求解问题的规模不断扩大,复杂度不断提高,传统的等值面提取方法面临着时空复杂度过... 详细信息

等值面绘制是三维标量场可视化最重要且最基本的方法之一,能支持用户直观方便地理解三维空间场内部感兴趣的区域和信息。随着计算机软硬件技术不断发展,求解问题的规模不断扩大,复杂度不断提高,传统的等值面提取方法面临着时空复杂度过高等问题,严重影响了数据可视分析的效率。针对等值面提取算法时空复杂度过高的问题,面向不同应用,本文提出了一系列改进算法,其主要工作可总结如下:1.现有的多等值面提取需求,面临着时间复杂度较高的问题。针对该问题,本文提出了一种基于多活跃点查找的多等值面加速提取算法。该算法利用多个待提取等值面之间的关系,一次性查找出同时包含多个等值面的活跃体素,解决了传统方法只能针对单一等值面提取进行加速的问题。实验结果表明,针对多等值面提取,本文算法相对已有算法有显著的加速效果。2.为降低等值面提取的时空复杂度,提出了一种基于稀疏划分的等值面时空优化算法。通过利用网格单元之间信息共享的特性和等值面的连续性,本文在经典BONO算法的基础上提出了基于稀疏划分的BONOparse算法,能有效降低算法的空间复杂性,并通过避免重复计算降低时间复杂度。理论分析和实验结果表明,BONOparse算法相对于BONO算法具有更优的时空复杂度。3.为进一步优化等值面提取的时间复杂度,本文提出了一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取算法。针对区域树算法具有较优时间复杂度和较差空间复杂度的特点,通过将区域树算法与之前提出的稀疏划分思想相结合,降低了其空间复杂度,同时保留了区域树较优的时间复杂度。理论分析和实验结果表明,稀疏划分-区域树算法的时间复杂度优于BONOparse算法,对于中小规模数据具有更好的加速效果。

关键词：等值面提取三维标量场多等值面稀疏划分区域树

基于SpanSpace划分的海量数据等值面提取算法关键技术研究

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基于SpanSpace划分的海量数据等值面提取算法关键技术研究

作者：刘强国防科学技术大学

学位级别：硕士

科学计算可视化技术是分析处理海量科学数据的重要手段,目前针对海量数据的可视化仍然面临诸多难题,如需要更长的预处理时间、难于实施交互绘制等问题,因此目前对海量数据的可视化依然是国际上的研究难点与热点。本文针对目前海量数据... 详细信息

科学计算可视化技术是分析处理海量科学数据的重要手段,目前针对海量数据的可视化仍然面临诸多难题,如需要更长的预处理时间、难于实施交互绘制等问题,因此目前对海量数据的可视化依然是国际上的研究难点与热点。本文针对目前海量数据处理过程中区间二叉树与BBIO树存在的问题,采用自适应构建四叉树以及构建区间包围盒的方式对两种树形结构进行了改进,进一步完成了相关理论分析与实验,同时完成了海量数据处理相关算法的系统框架实现。本文的主要工作及取得的主要研究成果包括: (1)提出了四叉树自适应划分的区间二叉树节点构造算法。实践发现,对于海量数据集的meta-cell构建区间二叉树时,往往出现胖节点的情况。胖节点将严重影响海量数据预处理效率,使得预处理时间无法控制。针对胖节点问题,提出使用四叉树自适应划分的方法取代原有两次全局排序的方法,在降低了预处理时间开销的同时,保持原有最优搜索活动单元效率。通过实验证明,采用自适应划分算法构造四叉树较传统方法构造时间缩短50%左右,在搜索活动meta-cell方面与最优方法相比相差不到0.2s。 (2)提出了基于节点包围盒的BBIO树构造算法。针对传统BBIO树搜索效率低的问题,采用节点内区间分组做包围盒的方式对BBIO树节点进行了重新构建,有效提高了BBIO树节点内搜索活动meta-cell的效率,实验表明改进后的节点包围盒算法比传统BBIO树算法搜索效率提升近20%。 (3)设计实现了集成自适应划分区间二叉树和节点包围盒BBIO树的海量数据可视化框架。整合本文所提出的两种海量数据组织改进方法,合并相同的数据读取、meta-cell划分以及等值面提取阶段,将海量数据组织阶段抽象为对象接口,在更高抽象层次上实现了完整的海量数据可视化流程。设计依照现代面向对象软件工程原则,综合考虑系统框架的功能可扩展性、有效性和模块可重用性,设计实现了优秀的易于扩展、易于维护的海量数据可视化框架。

关键词：科学计算可视化区间二叉树 BBIO树等值面提取

基于等值面提取的医学数据三维重建系统的设计与实现

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基于等值面提取的医学数据三维重建系统的设计与实现

作者：万里涛华中科技大学

学位级别：硕士

随着电子计算机断层扫描、磁共振成像、正电子发射计算机断层扫描等医学成像技术的产生与发展,医学成像领域的科研工作者和医务人员可以通过医疗设备获取连续的二维切片断层数据。但是根据这些二维的图像数据,科研工作者和医务人员很难... 详细信息

随着电子计算机断层扫描、磁共振成像、正电子发射计算机断层扫描等医学成像技术的产生与发展,医学成像领域的科研工作者和医务人员可以通过医疗设备获取连续的二维切片断层数据。但是根据这些二维的图像数据,科研工作者和医务人员很难建立生物及其内部器官的三维立体结构,不利于科研工作者进行科学研究、医务人员进行医学诊断。对二维的医学数据进行三维重建,重建出生物及其内部器官对应的三维表面轮廓,并将三维的轮廓模型进行可视化渲染,可以为科研工作者和医务人员提供具有较强立体感的三维医学图像,便于对生物及其内部器官进行观察和分析,这在辅助科研工作者进行研究、辅助医务人员进行医学诊断等方面有重要的意义,这也是当今医学数据三维可视化领域的研究热点。文章结合QT、Open GL等相关开发工具,实现了基于等值面提取的医学数据三维重建系统。系统的主要功能包括:对医学数据进行读取、展示和分析;等值面提取算法重建医学数据对应的三维表面模型;利用现代可编程渲染管线绘制三维表面模型;重建出的三维表面模型导出成模型文件保存在磁盘中;加载磁盘中的模型文件;对复杂的三维表面模型进行模型简化。最后三维重建系统成功在目标设备和平台上运行,满足了用户的功能需求和非功能需求,达到了系统的设计目标。目前该系统已经投入使用,获得了用户的认同。

关键词：三维重建医学可视化等值面提取网格简化

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三维可视化中等值面提取的关键技术研究

三维可视化中等值面提取的关键技术研究

作者：李纳烟台大学

学位级别：硕士

等值面提取是三维可视化中常用的一种关键技术,已被广泛应用于医学成像、曲面重构和地质数据三维建模等领域。但是,随着科学的进一步发展,对等值面提取技术的要求也越来越高。目前,实时、交互地显示三维数据场的等值面仍十分困难。因此... 详细信息

等值面提取是三维可视化中常用的一种关键技术,已被广泛应用于医学成像、曲面重构和地质数据三维建模等领域。但是,随着科学的进一步发展,对等值面提取技术的要求也越来越高。目前,实时、交互地显示三维数据场的等值面仍十分困难。因此,等值面提取技术的研究颇具实际意义。本文以钻孔数据为实验基础,对等值面提取方法中的数据预处理、三角剖分等技术进行了深入分析和研究。具体工作如下：(1)在数据预处理过程中,本文充分利用K-Means方法对孤立点敏感的特性,对钻孔数据中的噪声数据进行过滤,以达到去噪预处理的目的。实验结果表明,这种方法能够有效过滤偏远的孤立点,减小噪声数据产生的影响。(2)现有的三角剖分方法算法大多基于Delaunay准则,然而为满足Delaunay准则,这些算法在实现上都受到了一定的限制。鉴于此,本文以过滤后的钻孔数据为实验基础提出两个三角剖分法：近似凸包三角剖分法和约束近似凸包三角剖分法。近似凸包三角剖分法通过在数据点上寻找近似凸包,扫描近似凸包内的数据点,将近似凸包划分成若干边上带有数据点的三角形或梯形,最后将这些三角形或梯形剖分成简单三角形。该方法思路简单、易于实现且代码量较小,但它不能被应用于含有约束条件的数据集上。因此,在改进近似凸包三角剖分法的基础上,设计了一个约束近似凸包三角剖分法。该方法通过对数据集的扫描,将其分成被约束条件影响的数据和不被约束条件影响的数据两部分,然后利用近似凸包三角剖分法对这两部分进行剖分。(3)通过对比算法的时间复杂度,得出本文提出的方法比传统方法时间复杂度低。同时,文章还指出了本文算法中的不足,为进一步研究提供依据。

关键词：三维可视化等值面提取三角剖分 Delaunay准则近似凸包

面向三维点云隐式曲面重建的法向量估计和等值面提取方法研究

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面向三维点云隐式曲面重建的法向量估计和等值面提取方法研究

作者：柏春西南交通大学

学位级别：硕士

随着科学技术的快速发展,三维扫描技术及其处理技术已经取得了巨大的突破。尤其在最近几年,由于低消费级三维扫描设备的可获得性,采样于真实世界的三维点云数据随处可见,同时,大部分数据获取的最终目的仍然是重建出相似于真实对象的表面... 详细信息

随着科学技术的快速发展,三维扫描技术及其处理技术已经取得了巨大的突破。尤其在最近几年,由于低消费级三维扫描设备的可获得性,采样于真实世界的三维点云数据随处可见,同时,大部分数据获取的最终目的仍然是重建出相似于真实对象的表面,而在众多类型的重建方法中,隐式曲面重建由于其对噪声、数据缺失和不均匀采样的有效处理而得以广泛应用。但在实际应用中,随着所处理对象复杂性的提高,如何精确且快速的重建表面已经成为一大挑战,因此,本文针对隐式曲面重建进程中的法向量估计、一致性定向和等值面提取方面展开了深入研究:针对点云的法向量估计,提出了一种基于熵的鲁棒和精确的局部平面投票方法。该方法假设一个点的法线存在于由该点邻域三元组所构成的平面法线集中,其核心思想在于局部平面投票的策略,每次投票都将考虑当前平面的熵值和平面可信度,此外,设计了平面的平均拟合残差和平面密度权重参与局部平面投票,进一步有效地处理了噪声和非均匀采样情况。通过对大量合成和真实扫描点云的测试表明,该方法能够生成较高质量的法线,且对噪声和非均匀采样具有较强的鲁棒性。针对点云的法向量一致性定向,提出了一种基于双边权重的最小生成树构建方法,并通过自适应的翻转准则,进一步确保把每个点的法向量方向的传播定向失误降到最低。该方法聚焦于具有复杂曲面,特别是薄曲面和尖锐曲面的离散点云的一致定向问题,着重于增强同一区域的关联和不同区域之间的稳定传播,主要包括:一方面,引入了一种改进的优先级驱动的法线传播策略,降低了跨越不同区域的可能性;另一方面,采用了一种自适应的翻转准则,确保了翻转时可靠的法线方向。大量实验表明,该方法即使在各类复杂情形下也能产生一致的方向,为高质量的隐式曲面重建提供了先决条件。针对点云隐式曲面重建中等值面提取的效率问题,提出了一种基于体素顶点状态的自动等值面生长方法。该方法避免了扫描整个体素空间,无需附加条件即可自动搜索边界体素,从而加快了等值面提取过程。此外,该方法允许从任意的或者指定的体素位置来执行,并且其框架能够应用于其它相关的等值面提取方法中。实验表明,该方法能够显著提高隐式曲面重构的提取效率。

关键词：点云法向量估计平面投票一致性定向等值面提取隐式曲面重建

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栅格划分的二叉区间树节点构造算法

计算机辅助设计与图形学学报 2011年第7期23卷 1115-1122页

作者：王攀李思昆蔡勋曾亮国防科学技术大学计算机学院长沙410073

针对海量数据可视化过程中预处理时间长的问题,提出一种加速构造等值面提取索引结构的栅格构造算法.该算法以二叉区间树的span space划分为基础,利用栅格化方法对二叉区间树节点进行重构,降低了区间排序预处理计算规模,可将预处理效率提... 详细信息

针对海量数据可视化过程中预处理时间长的问题,提出一种加速构造等值面提取索引结构的栅格构造算法.该算法以二叉区间树的span space划分为基础,利用栅格化方法对二叉区间树节点进行重构,降低了区间排序预处理计算规模,可将预处理效率提高50%左右.理论分析与实验证明,文中算法与传统最优算法有相近的活动单元搜索效率,能够大大缩短整个海量数据可视化过程,对实时性要求较高的可视化应用具有实际应用价值.

关键词：可视化海量数据二叉区间树栅格等值面提取

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移动立方体算法的地质体三维空间形态模拟

测绘学报 2012年第6期41卷 910-917页

作者：邹艳红何建春中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室湖南长沙410083 中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083

针对地质勘察中地质体采样数据离散且不完备,难于构建地质体三维模型的问题,提出一种基于移动立方体算法的地质体三维空间形态隐式模拟方法。首先运用空间插值方法,推断和预测地质体的分布趋势,构建了地质体三维空间规则数据场;在此基础... 详细信息

针对地质勘察中地质体采样数据离散且不完备,难于构建地质体三维模型的问题,提出一种基于移动立方体算法的地质体三维空间形态隐式模拟方法。首先运用空间插值方法,推断和预测地质体的分布趋势,构建了地质体三维空间规则数据场;在此基础上,采用移动立方体算法实现了由网格离散点到三维等值面的模拟,提取出三维地质体的光滑等值曲面;最后结合OpenGL三维可视化技术,通过计算机图形学中的微小三角面逼近实现了地质体三维空间形态的可视化。通过实例,将这种方法应用于基于钻孔勘探数据的矿体三维空间形态模拟,快速构建了矿体三维模型,模拟结果接近于传统的手工圈定边界和进行矿体推断而建立的三维模型,证实了该方法的可行性和高效性。

关键词：移动立方体算法隐式模拟三维空间形态等值面提取