基于等值面体的三维涡旋数量与形状特征研究

涡旋是湍流的基本结构,被誉为流体运动的肌腱,涡旋研究对自然探索和工程应用有重要的意义.基于直接数值模拟的槽道湍流数据与旋转强度涡旋识别方法,以涡旋三维结构等值面体(以三角网格为单位)为研究对象,通过设置三角形切面,利用两三角形相交快速检测算法提取涡旋多边形,研究不同等值面体阈值及壁面距离条件下,涡旋数量与形状特征(圆度、半径、凸状及纵横比因子)的变化规律.以对数区内涡旋为例:随着阈值的增加,涡旋密度呈对数律快速递减,圆度和半径因子概率密度函数(PDF)变高耸,圆度均值快速递增后保持不变而半径均值不断递减,纵横比因子PDF未显著改变且均值基本不变,凸状因子PDF向脉冲函数靠近,说明阈值增大导致涡旋逐渐变少、变圆、变小并更饱满.在同一阈值下,随着壁面距离的增加,涡旋密度在外区(除靠近水面区域外)也呈对数律递减,圆度、纵横比及凸状因子先快速增加随后不变或缓慢增长,半径因子快速递减后保持不变,说明涡旋在远离壁面的过程中在不断破灭但形态却较为稳定.

基于细化等值面拓扑的病灶切片三维重建方法

脑组织病灶切片的三维重构对于了解神经胶质神经瘤状态具有重要意义,可用于鉴别诊断、手术模拟等。移动立方体(MC)算法是经典的多边形曲面重建算法,具有简单易实现的优点,但其存在低效且梯级现象明显的情况。针对该问题,本研究提出一种细化等值面拓扑的病灶切片空间堆叠重建方法(SSR-RI),旨在实现拓扑构形与运行效率的优化。SSR-RI通过构建空间坐标系对磁共振图像(MRI)切片邻近图进行处理,为了改善双线性插值法中图像分量易受损的问题,提出一种自适应空间插值法,根据灰度值变化自适应选择插值点,对周围进行扩充。在结合等法线顶点的基础上,设计了一种细化等值面提取方式的堆叠重建方法,以提高堆叠速度,并减少梯级问题。为了进一步优化SSR-RI的三维重建效果,提出一种改进的局部反射光照法(PR)以绘制三维病变,利用镜面颜色反射(SCR)与镜面指数(SE)对重建体进行渲染优化。使用公开脑肿瘤分割数据集BraTS的618例病例开展三维重建实验,以验证所提出方法性能。实验结果显示,所提算法的重建时间只需2.124 s,F-score值达到0.845,SSIM值达到0.81,相较于MC算法减少了38%的重建时间,F-score值和SSIM值分别提高了30.89%和38.4%。重构体序列间结构紧密,视觉效果更富立体感和纹理感,有效地提高了三维重建的绘制效率。

等值面的高质量显示方法

等值面是描述体数据中所含特定器官表面的有效方式，因此对等值面进行快速高质量的显示就显得非常重要。与以往的等值面显示算法不同，本文提出的方法不需要用三角形网格去逼近等值面然后再对三角形网格进行显示，而是直接对原始等值面进行显示，从而避免了三角化过程中的计算损耗和精度损失等问题，保证了等值面轮廓不会出现锯齿状现象，使等值面的显示既快速又准确。

基于流动等值面的新的单纯形算法研究

从分析线性规划问题目标函数的增量出发,提出了一种流动等值面技术。利用这一技术,重新构 造了单纯形算法,给出了算法原理及算法的实现步骤,并深入分析了该算法所蕴涵的对偶性质,提出了 改变搜索方向的一种新的代数途径,为构造更加快速的单纯形方法提供了可靠的理论依据,并为寻找多 项式单纯形算法开辟了一条有效途径。

基于多层等值面的电磁环境三维可视化研究

电磁环境三维可视化是目前虚拟战场环境中亟待解决的问题之一,提出多层等值面的方法来表现三维电磁环境。数据生成采用了Longley-Rice电波传播模型,该模型考虑地形遮挡以及大气影响,计算生成了用频设备的三维空间电磁波强度值。为了直观表现电磁波强度在空间中的分布范围,采用多层Marching Tetrahedra(MT)等值面的方法,表现了多个不同强度大小的电磁环境分布,解决了面绘制方法在对体数据内部数据细节表现不够的缺陷。为了提高电磁环境的可视化性能,充分利用现在图形处理器(graphic processing unit,GPU)的通用计算能力,实现了硬件加速多层等值面一起提取输出的方法,降低CPU计算负荷,加快了等值面提取速度。最后实现了一个可实时交互的电磁环境三维可视化系统,实验结果表明该方法表现了用频设备在虚拟战场环境中的三维电磁态势,对于用频设备选址和无线通信规划都有一定的辅助作用。

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.

Marching Boxes:一个多精度等值面抽取算法

ＭａｒｃｈｉｎｇＣｕｂｅｓ（ＭＣ）算法是生成三维数据场等值面的经典算法，适用于数据场密度较高的体数据．结合显示所需精度提出的ＭａｒｃｈｉｎｇＢｏｘｅｓ（ＭＢ）算法，对ＭＣ算法作了优化，减少了由ＭＣ算法生成的三角面片数，使实时观察体数据成为可能．在保留图象细节的前提下，ＭＢ算法输出的三角面片数比ＭＣ算法减少了一半以上，从而加快了体数据的面绘制速度．

基于MC的医学三维等值面的平滑与归并

为了提高医学三维图象的重建效果和速度 ,在对用于构造等值面的 MC( Marching Cubes)算法进行分析的基础上 ,提出了对等值面进行三维空间方向平滑和多边形法向归并的方法 .等值面方向平滑的方法就是将等值面分解为一个三维坐标场和一个法向矢量场 ,然后对其法向矢量场作矢量平滑处理 ;而等值面的多边形法向归并则是根据适当的门限值 ,将原来由大量小三角面片构成的等值面归并成由较少的多边形面片构成的等值面 .实验结果表明 ,该方法能显著改善三维重建的效果 ,并能提高三维绘制的速度 .

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。

基于等值面(Level Set)函数方法的复杂装药燃面算法研究

通过使用等值面(LevelSet)函数界面追踪方法,将固体火箭发动机燃面看作不同物质界面,建立了新的燃面算法,通过追踪固体装药燃烧界面计算出燃面变化规律。采用高精度Weighted-ENO和TVDRunge-Kutta进行数值求解,该方法可以计算复杂几何构形的发动机装药、含缺陷装药和变燃速装药的构型变化和燃烧面积,具有良好的通用性和准确性。新的燃面算法具有了界面追踪的能力,为固体火箭发动机内弹道计算以及装药燃烧与发动机内流场数值模拟耦合计算提供了良好的接口条件。

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.

保证拓扑正确的高精度等值面提取技术

基于体数据的等值面提取是反求工程的重要组成部分。针对传统移动立方体算法存在二义性和提取精度较低等缺陷,新算法首先在立方体内采用三线性方法构造出精确等值面,然后引入面肩点、体肩点和变形点作为等值面的关键点,并对其几何属性进行分析,提出了一种自动保持拓扑正确的高精度等值面三角化算法。不同于以往的移动立方体算法,新算法无需事先生成多边形的基本构形列表,也不必进行旋转和互补等操作。对于任一给定的立方体配置,一旦计算出相应的变形点,新算法自动地对等值面进行三角化。最后给出的实例显示了新算法的有效性。

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.

基于MC重建算法等值面的优化

利用二维切片数据重建三维结构,在医学领域有着重要作用。为了提高医学三维图像的重建速度和效果,在对用于构造等值面的MC(Marching Cubes)算法进行分析的基础上,提出了两种方法来提高重建速度和可视化效果。用两相邻样本点的中点代替多边形顶点的位置,并对等值面法向矢量场进行平滑,从而达到加快三维重建速度以及得到更好的平滑效果的目的。

医学图像表面重建中等值面的快速定位

提出一种基于Shear- Warp投影原理快速定位等值面的直接体绘制算法。它通过生成有序医学图像体数据,并对选定区间中的体素进行定位,来减少遍历的体数据和提高等值面的定位速度。算法还能通过调整数值区间,按应用需要来灵活调整图像质量和重建速度。此外,在生成有序体数据后,算法在重建过程中不必生成中间数据。因此,在无任何硬件加速的条件下。

用自适应的三线性逼近方法构造等值面

在三维空间数据场中构造等值面是科学计算可视化的有效方法．本文提出了一个新的等值面构造方法．新算法建立在对立方体面上的边有效连结的基础上，本文给出了由边连结成多边形的快速方法，详细讨论了多边形的三角化过程．然后，提出了一个自适应的三角形剖分方法，使产生的子三角形网格能满足用户规定的容差．成为等值面的更为精确的多边形逼近．最后给出了用新的算法生成的等值面图形。

边坡稳定性广角度分析的等值面法

基于边坡稳定性广角度分析的理论、准则和方法 ,提出了以干扰能量为判据的边坡稳定性分析等值面法 .该方法不仅从能量的观点给出了基于增稳内能与失稳外能比值的稳定安全系数 ,还将干扰能量法与等值面法结合起来 ,建立了用最小干扰能量等值面来确定潜在滑动面的方法 .完善和改进了边坡稳定分析的理论和计算方法 ,为系统解决工程稳定性问题中的潜在滑面。

基于OpenGL的等值面绘制软件的开发

以VC ++应用软件的开发为背景 ,系统地总结了用OpenGL图形库绘制三维数据场可视化等值面的方法和流程 。

一种新的抽取等值面的四面体分解方法

MarchingCubes算法是一种从三维数据场中抽取等值面的简单有效的算法。然而 ,该算法并不能保证抽取出的等值面的拓扑同三维数据场的数据保持一致 ,即等值面的拓扑存在二义性。解决这个问题的方法是 ,将三维数据场中每一个立方体网格单元分解为五个四面体单元 ,从每一个四面体单元中抽取等值面。但是 ,在分解过程中由于分解二义性的存在 ,等值面的拓扑仍然存在二义性。本文采用 2 4 分解方法解决了这个问题 。