基于体绘制的空间标量场可视化

发布时间：2022-01-17 07:07

　　在当前信息数据迅速增长的时代,如何在海量数据中提取和呈现其内在的有效信息,是一个广大研究者持续关注的课题,现有的数据分析方法大多数停留在二维分析层面,难以满足量和维度不断提升的海量数据分析需求。随着科学数据可视化技术的不断发展,多维场数据的可视化方法层出不穷,并且在各个领域广泛应用。本文主要研究气象数据的三维标量场可视化方法,利用改进体绘制算法构造可视化系统。重点在体绘制核函数的研究上,提出从效率和效果上对绘制结果改进的方法理论。对体绘制的原始数据处理、数据分类、数据采样过程、采样数据合成过程这四个阶段进行解析,提取每个阶段的最优方法,并结合现有的数学模型优化各个阶段。（1）数据预处理:气象源数据存在异构性、多样性特征,要统一接入当前绘制方法,必须进行数据标准化。结合当前数据存储特性,采用自定义的二进制数据存储方式。根据当前各个数据的解析方式将数据解析并放入缓存空间中,自定义数据结构,存放当前数据信息和数据体,通过二进制流的形式将当前数据序列化到文件中,统一格式和存储。（2）Ray-AABB自适应采样:在传统体绘制算法射线采样过程中,射线采样点坐标计算是射线和包围盒交叉计算过程,分为盒... 

【文章来源】：成都信息工程大学四川省

【文章页数】：54 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

屏幕空间体绘制流程图

晕?鼻捌聊幌嗔谙袼叵嗨菩院芨撸?裳??程中可减少均匀空间区域采样次数；体素邻域相关性为相邻体素属性相似度很高，采样过程中对均匀空间采样次数减少；射线相关性为射线进入体数据场空间中入射点各不相同，射线方向大致相同，记录穿越体数据场的相似模式，减少其中的三维离散化过程；采样过程中会进行颜色合成和阻光度累积计算，剔除当前数据场空间空体素，空间跳跃时，不进行空体素采样。2.1.2基于物体空间的体绘制按照物体空间扫描[37]方式，它不是从屏幕像素逐点计算的，而是根据物体空间体数据点逐点计算，步骤如图2.2所示如下：图2.2物体空间体绘制流程图（1）分类颜色值和不透明度，应用到每个数据点，并且定义观察平面和观察方向。

成都信息工程大学硕士学位论文第8页共46页2.1.3纹理映射体绘制算法对于体绘制算法中的数据都是从外部解析而来，传入体绘制核函数中进行采样处理并合成最终图像。在体数据采样过程中为了简化这种采样方式和获取更高的采样效率，提出了基于纹理映射的体绘制算法[39]，它基于硬件的像素融合功能和体素的绘制过程能得到更高的绘制效率。纹理分为二维和三维纹理，在体绘制中一般采用3D纹理，也叫体纹理，它主要改变的是体绘制算法中的采样过程和数据预处理过程。它的算法流程图如图2.3所示：图2.3纹理映射的体绘制算法流程图一共有四个步骤：3D纹理合成、光线投射采样、体数据分类函数、光照模型积分、图像合成。（1）3D纹理合成：读取外部三维数据场文件，通过在CPU环境中将数据存储为纹理格式的数据缓存，通过将此缓存数据放入GPU的3D纹理存储器中。它的映射方式是通过将每一个数据点与单位体数据空间中的单个体素进行绑定，所以，在GPU中通过纹理坐标进行体素顶点采样。（2）光线投射采样：在体绘制的采样过程中，通过视点方向与屏幕像素形成的射线对三维数据场空间进行交叉运算，通过射线的等距离采样点对当前体数据进行采样，它的采样点一般不存在原始数据点上，会经过相应的插值计算获取当前采样值。（3）体数据分类函数：在采样过程完成后，会进行基于当前物质属性设计的一个分类计算，来进行数据剔除，一般有阈值法和概率分类法两种分类函数，以下章节会有讲解。通过分类法函数过滤过后，赋值颜色值和不透明度，将结果作为当前光照模型的参数输入并进行相应的合成。（4）光照模型积分：对应当前的光照模型建立对应的采样点合成过程，在这个算法中采用由前向后的颜色值、不透明度的合成方法，通过基于屏幕空间的体

【参考文献】：
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博士论文
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硕士论文
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[4]三维数字流域平台的开发与应用[D]. 张天翔.华北电力大学(北京) 2017
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[7]基于GPU和非真实感渲染的三维可视化研究[D]. 曾励冰.哈尔滨工业大学 2014



本文编号：3594278