精细三维空间数据交互可视化研究

发布时间：2017-09-06 09:20

  本文关键词：精细三维空间数据交互可视化研究

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【摘要】：无论是三维激光扫描仪采集的点云数据，还是点云数据经过处理获取的深度图像、三角网模型等空间数据均具有数据量巨大的特点，面对这些海量数据，普通的渲染方法遇到瓶颈。针对这个问题，本文采用DirectX11作为图形渲染引擎，对GPU进行高级编程开发，利用GPU的强大的图形渲染能力和并行计算能力，实现点、线、球、圆柱、梯形体、点云、深度图像和三角网模型等几种空间数据的浏览和交互拾取。 本文首先研究了利用HLSL和Shader Model5.0开发GPU着色程序，实现大规模点云、深度图像和三角网模型等空间数据的渲染；在几何着色器中实现billboard算法，绘制始终面向用户的十字丝；利用DirectX11新添加的曲面细分技术，在硬件上将立方体细分成球和圆柱，利用Instancing技术实现“一次数据提交，多次渲染”，节省了计算机的存储空间，提高了渲染质量和效率。 然后设计了一个相机，实现对空间数据的交互浏览。根据模型的外包围盒，计算外包围球，设置相机位置，，开发了模型的基于Arcball旋转、定点缩放、平移以及视图变换、投影变换和重置旋转中心等交互浏览功能。 其次对基本几何实体、点云和三角网模型等空间数据的交互拾取技术进行了深层次地探究。本文提出一种基于屏幕空间的拾取算法，进行点云的点选，并将该算法移植到Direct3D11新引入的计算着色器中，利用GPU的强大并行计算能力加速点云的点选，速度提升2~3倍；采用Win32的GDI绘制二维的选择框，依据基于屏幕空间的拾取算法，实现点云和三角网模型的框选功能；采用经典的射线拾取算法，实现三角网模型单个面片的选择和实体的选择。 最后将C++/CLI的WindowsForm和DXUT渲染架构相结合，开发出一个交互可视化平台，WindowFrom的优势在于能够快速简单地设计出华丽的界面，而DXUT已经实现窗口创建、设备创建、窗口事件处理和设备事件控制等工作，利用DXUT架构能提高开发的效率。并将开发的交互可视化平台与两个商业软件：Cyclone v6.0.3和GeomagicStudio12，在点云和三角网模型渲染效果、支持渲染的最大数据量和交互拾取的速度三个方面进行对比，分析平台的优越性和存在的缺陷。
【关键词】：空间数据 DirectX11 GPU 可视化 拾取
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P208
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 论文研究的背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 可视化研究进程10-11
• 1.2.2 可视化渲染管线11-13
• 1.2.3 DXUT 可视化架构13-14
• 1.3 论文的研究内容和组织结构14-16
• 第2章 精细三维空间数据的渲染原理16-31
• 2.1 点标记的渲染16-18
• 2.1.1 Billboard 技术16-17
• 2.1.2 十字丝绘制的 Shader 实现17-18
• 2.2 包围盒的渲染18-19
• 2.3 基本几何体的渲染19-26
• 2.3.1 光照19-20
• 2.3.2 梯形体的渲染20-21
• 2.3.3 球和圆柱的渲染21-23
• 2.3.4 球和圆柱曲面细分的 Shader 实现23-25
• 2.3.5 球和圆柱 Instancing 技术的 Shader 实现25-26
• 2.4 点云模型的渲染26-28
• 2.4.1 点云模型渲染的流程27-28
• 2.4.2 点云模型渲染的 GPU 编程28
• 2.5 深度图像、三角网模型的渲染28-30
• 2.5.1 深度图像和三角网模型的渲染28-29
• 2.5.2 DirectX 模型读取29-30
• 2.6 文字渲染30-31
• 2.6.1 DXUT 架构的字体30
• 2.6.2 Direct2D 字体30-31
• 第3章 相机类设计31-39
• 3.1 坐标系转换31-32
• 3.2 相机设计32-33
• 3.3 图形变换33-35
• 3.3.1 基于 Arcball 的旋转33-34
• 3.3.2 定点缩放34-35
• 3.3.3 平移变换35
• 3.4 投影变换35-36
• 3.5 视图变换36-38
• 3.6 重置旋转中心38-39
• 第4章 精细三维空间数据的交互拾取39-52
• 4.1 点云拾取39-42
• 4.1.1 点云点选的原理39-40
• 4.1.2 选择框绘制40-42
• 4.1.3 点云框选的原理42
• 4.2 基于 GPU 的点云的点选42-48
• 4.2.1 计算着色器简介43
• 4.2.2 计算着色器的线程组和线程模型43-45
• 4.2.3 基于 GPU 点云拾取算法流程45-46
• 4.2.4 基于 GPU 点云拾取算法具体实现46-48
• 4.3 三角网的拾取48-51
• 4.3.1 三角面片的点选49
• 4.3.2 三角面片的框选49-51
• 4.4 实体的拾取51-52
• 第5章 交互可视化的实现与应用52-64
• 5.1 交互可视化平台的实现52-53
• 5.2 交互可视化的应用53-61
• 5.2.1 点云的渲染和交互拾取53-58
• 5.2.2 网格模型的渲染和交互拾取58-59
• 5.2.3 其他应用59-61
• 5.3 交互可视化平台运行结果对比分析61-64
• 第6章 总结与展望64-68
• 6.1 论文工作总结64-65
• 6.2 未来工作展望65-68
• 参考文献68-71
• 附录71-72
• 致谢72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 毛华庆;基于GPU优化的三维实时渲染技术的研究[D];武汉大学;2010年

本文编号：802284