基于多绘制管线的大规模并行体绘制性能优化技术

针对数值模拟输出的大规模科学数据,体绘制方法为了刻画复杂物理特征,会进行高密度光线采样,但由此带来了极大的计算开销和数据增量。在国产自主CPU高性能计算机上,由于处理器单核的计算能力低于商业CPU,只能使用更多的处理器核来分担体绘制任务,从而引起了采样数据并行通信的可扩展性瓶颈。为充分利用国产自主CPU高性能计算机来高效完成体绘制任务,针对大规模并行体绘制提出一种基于多绘制管线的性能优化技术,通过多管线、多进程的两级并行模式来降低单条管线的并行规模。在大规模并行体绘制中,该技术将绘制目标图像划分成多个子区域,绘制进程则相应分组,每个进程组独立执行一条绘制管线,以完成图像相应子区域的绘制,最后再收集所有的图像子区域,形成完整图像并输出。实验结果表明,优化后的体绘制算法在国产自主CPU高性能计算机上可以扩展到万核规模,并能有效完成体绘制任务。

基于无符号距离场的空白空间跳跃体绘制加速

随着采集技术的不断发展,各个领域都产生了大量体数据,这些数据通常具有复杂且分布不均的特征,给体绘制的实时性带来了巨大挑战。体绘制的计算复杂性非常高,如何更有效地跳过空白空间,减少无效采样次数尤为重要。为此,提出一种高效的空间跳跃体绘制加速方法,根据体数据的空间分布特征,利用计算着色器预计算得到一张三维无符号距离纹理图,该图显示了当前体素到最近一个非空体素的欧氏距离。在像素着色器中执行光线投射,每次采样前通过一次查询即可跳过连续多个空白空间,有效减少了大量无效采样次数。多种不同数据集的渲染对比实验表明,所提方法的渲染速度比传统光线投射体绘制方法提升了345%,比Occupancy Map方法提升了52%,比Chebyshev Distance Map提升了33%。

面向爆炸压力场的体绘制自动传输函数设计

直接体绘制广泛应用于可视化领域,其中传输函数决定了最终绘制的效果。大规模爆炸数据属于复杂的时变数据,其压力场的取值范围和分布会随时间剧烈变化。为了实现对冲击波传播特征的连续跟踪,提出了一种基于标量-时间梯度(scalar-temporal gradient,STG)二维空间的自动传输函数设计方法。结合爆炸过程中的物理规律,将STG空间划分为多种状态并总结了状态之间的转移规律。将冲击波的传播特征编码为一段一定长度的状态转移链(state transitions chain,STC),称为时变特征。传输函数中的颜色以时变特征为单位,基于完全状态转移链自动分配。传输函数中的不透明度采用基于压强变化速率的分段非线性曲线,凸显压强变化剧烈的特征。选取了两类典型的大规模爆炸场景对方法进行了验证,绘制结果中都包含了丰富的明显可区分的冲击波传播特征。结果表明,生成的传输函数在整个时间维度上都能稳定、准确地捕捉冲击波的传播特征。

工程地质三维岩性网格模型体绘制的边界平滑方法

目的为了解决工程地质三维岩性网格模型体绘制过程中岩性属性在岩层分界处非连续过渡而产生锯齿的问题,方法提出一种三维岩性网格模型细分的边界线性平滑方法。基于岩层水平连续和纵向上空间叠置关系下老上新的特点,借鉴相邻钻孔岩层连接地质界面的思路,将岩性网格组织为横向上规则划分、纵向上记录岩层段顶底高程值的形式,类似规则分布的虚拟孔(称为垂直柱Pillar),并基于此种形式在光线投射过程中利用采样点周围4个岩层段形成属性计算单元,再定义相邻柱Pillar上岩层连接规则和16种空间单元细分模板,实现模型空间内任意点的岩性属性线性计算。结果通过WebGL2.0在GPU中实现与验证,得出可以明显平滑纵向上的岩层分界,解决了体绘制岩性边界的锯齿问题,最终实现采样点岩性属性的计算并得到平滑后的效果。结论结果表明,将岩层特点与体绘制光线投射算法空间采样过程结合,针对水平连续假设的工程地质岩层具有较好的平滑效果,可为工程地质岩性网格可视化的抗锯齿处理提供一种新思路。但是,因岩层间没有明确清晰的层序关系,因此不能处理含断层的模型,也不能处理大倾角岩层横向不连通的情况。

基于物质分类的频域体绘制算法

本文提出了一种新的频域体绘制算法．与以前的频域体绘制（ＦＶＲ—ＦｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎＶｏｌｕｍｅＲｅｎｄｅｒｉｎｓ）算法不同的是，该算法借鉴并引入了传统空域绘制算法中普遍采用的分类过程，从而使得生成的图象更加接近于空域方法的结果．在此算法的基础上，文中又提出了一种在图象效果上类似于传统空域面绘制（ＳｕｒｆａｃｅＲｅｎｄｅｒｉｎｇ）算法的方法．该方法通过在频域重采样过程中运用Ｌａｐｌａｃｅ算子，使得数据场的三维物质边界面得到突出．为了减少传统的二维、三维快速傅里叶变换（ＦＦＴ）的空间代价，引入了多维快速哈特利变换（ＦＨＴ）．最后在时间效果上与空域方法做了对比，并给出了几个生成图象的实例，对应地与空域绘制算法的结果进行了比较．

用Shear-warp算法实现超声心脏图像的快速体绘制

Shear- warp是基于物体空间扫描的一种体绘制技术 ,与传统的体绘制法相比 ,具有速度快、图像质量高的特点。本文介绍了 Shear- warp算法的原理 ,并将该算法应用到旋转扫描超声心脏图像插值结果的可视化 ,实现了心脏三维解剖结构的快速、准确重建。

有限元网格体绘制中的剖切算法

为了解决体绘制中的遮挡问题和加快复杂剖切体的剖切操作 ,在 MS体绘制算法的基础上 ,研究和提出了一种体绘制中任意封闭多面体的剖切和多种变换函数 ,并进一步展现了数据场内部的数据分布情况 .另外 ,由于通过二叉树对多剖切体情况下 Stencil参照值的合并 ,使得算法在每一切层上的绘制次数达到最少 ,同时还统一了剖切体前后表面 Stencil操作 ,并减少了不必要的法线运算 。

大坝地震反应数据场快速体绘制算法

为了弥补传统体绘制静止画面时 ,不能明确判断场值集中部位的不足 ,提出了一种快速体绘制算法 ,针对大坝地震反应有限元计算数据场 ,根据每个单元法线与视线夹角最小的表面来选择剖切方向 ,将单元剖切成多个四边形面后进行颜色融合和叠加 ,大大提高了体绘制速度 ,实现了动态观察体绘制图 ,从而清楚地分析场值集中部位 .

基于相关性的快速体绘制研究

光线投射法是三维直接体绘制算法中的一种最基本方法,但简单的光线投射算法存在采样效率低和绘制速度 慢的缺点。本文充分利用对象空间与图像空间的各种相关性,利用对象空间中数据场的相关性,对采样点处的均匀性区域 采用正方体进行度量,并以此来确定采样步长,在射线方向上采用自适应的采样方式,避免在采样点周围均匀性区域中重 复地进行采样,大大地提高了三维数据场的绘制速度。

基于线性八叉树的光线投射体绘制算法改进研究

体视化是地学信息三维可视化研究的前沿技术之一 ,体绘制算法的效率直接关系到体视化的效果。本文在研究已有光线投射体绘制改进算法的基础上 ,提出利用线性八叉树数据结构对光线投射体绘制算法进行改进研究 ,不仅实现了体数据的压缩 ,而且能对压缩体数据进行直接体视化。在PC机上的实验表明 ,该方法具有时间复杂度与数据复杂度基本无关的特点 ,加速效果明显。最后 ,文章指出了该方法的适用范围。

三维数据场体绘制中的预积分分类技术

随着三维数据场可视化精度要求的不断提高,直接体绘制方法已经成为该领域的研究热点。然而,提高数据场采样率以获得高质量的图像与绘制速度的降低这一矛盾,很大程度上限制了体绘制方法的研究进展。论文阐述了体绘制方法的关键技术——分类和体绘制积分,并在此基础上介绍了预积分分类技术。该方法能够同时提高体绘制方法的执行效率与图像质量,并给出了实例说明。最后,提出了预积分分类技术中存在的一些问题。

一种高效的光线投射体绘制优化算法

目的针对传统光线投射体绘制算法绘制速度慢,绘制图像有木纹效应的问题,提出一种高效的光线投射体绘制优化算法,消除绘制图像的木纹效应,同时提高体绘制的速度。方法采用预积分分类方法避免采样频率对传递函数的依赖,消除光线投射体绘制产生的木纹效应,利用平行线切割投射光线的数学特性实现高效的插值方法,提高体绘制的速度。利用图像的均方误差MSE和峰值信噪比PSNR评价图像的质量。结果本文的优化算法不但能够消除图像的木纹效应,而且使体绘制速度提高2.4倍以上。结论本文的光线投射体绘制优化算法能抑制图像的木纹效应,得到高质量图像,并且提高体绘制的速度。

八叉树编码体数据的快速体绘制算法

提出一种基于并行投影ShearWarp分解的射线模板快速RayCasting体绘制算法.体数据采用有效的八叉树存储和表达方案.八叉树的适应性均一化分级策略使得算法在简化了不必要的处理过程的同时,为构建用于RayCasting算法的射线模板和后续的交叉计算提供了有力的应用基础.针对体绘制中八叉树编码体数据构造基本的交叉运算如节点单元定位、区域定位和邻接节点单元搜索的需要,相应地提出了简单而且有效的方法.这些方法是非递归的,在减少比较运算的同时不需要构建中间结果列表,进而减少了对内存的占用和避免了繁重的交叉计算.所提出的体绘制算法能在标准PC平台下快速实现超大型数据集的处理和高质量的人体内部结构图像的绘制.

基于GPU的四维医学图像动态快速体绘制

传统的三维医学图像重建技术无法满足四维医学图像动态重建的需求,而四维医学图像庞大的数据量使传统重建技术很难实现高性能实时绘制.基于以上需求,提出了一种四维医学图像动态快速体绘制方法.首先采用GPU强大的并行计算能力,提出一种基于GPU、利用CUDA技术实现的光线投射算法;然后分析了算法框架、体数据及计算结果的存储策略、线程分配和寻址策略,并给出了四维动态绘制的流程.该算法将每一条投射光线的计算分派到GPU的每一个线程中并行执行,在保证绘制质量不下降的情况下,相比传统的光线投射算法其性能得到较大程度的提高.实验结果表明,该算法可以实现较高的绘制性能和流畅的动态显示效果.

使用GPU编程的光线投射体绘制算法

将传统的光线投射体绘制算法在具有可编程管线的图形处理器(GPU)上重新实现.首先将体数据作为三维纹理保存在显存中,然后通过编写顶点程序和片段程序将光线进入点/离开点计算和光线遍历的计算移入GPU中执行,最后根据不同的采样点颜色混合公式实现不同的绘制效果.文中算法仅需绘制一个四边形即可完成三维重建.实验结果表明:在进行光照效果的重建时,该算法能够达到实时交互的绘制要求,并能实现半透明等复杂绘制效果.

体绘制技术

可视化技术是继计算、实验两大科学研究方法之后的第三种研究方法,体绘制技术作为可视化技术的一个重要分支,已经取得长足发展。对常用体绘制技术进行了分类,并且指出、分析了各自特点及适用场合,为进一步应用、改进这些技术提供参考。

四种体绘制算法的分析与评价

体绘制技术是科学计算可视化的重要组成部分,具有较大的研究价值和广阔的应用前景。体绘制有两种方法即间接体绘制和直接体绘制,直接体绘制(简称体绘制)以其在体数据处理及特征信息表现方面的优势,已经得到了研究者越来越多的重视。文章对四种典型的体绘制算法进行了描述,并概述了它们的改进之处,同时对它们各自的性能进行了分析和评价。

基于模块化设计的三维医学图像体绘制方法

为了提高三维图像的视觉效果和重建效率,提出一种基于模块化设计的三维医学图像体绘制方法.该方法将图像分割模块与体绘制有机地结合起来,并基于混合型链结区域增长与聚类分析的分割方式,来解决在实际应用中旋转观察时存在的障碍物体干扰问题.同时,基于Raycasting算法,对重构核进行改进设计:用包围盒选择与动态调整采样步长的重采样方法来提高重建效率;通过旋转光源和视角,对感兴趣的区域进行采样重建.实验证明该方法不仅效率高,而且显示效果好.

CFD非结构化网格格心格式数据高质量体绘制方法

3D非结构化网格格心格式数据是近年流场数值模拟结果的常见形式,目前的可视化方法无法直接绘制此类数据,通常采用外推技术将其转换为格点格式数据后再进行绘制,导致数据精度损失,严重影响绘制质量.在多遍光线投射算法框架下,设计一种非结构化网格格心格式数据直接采样计算方法(避免外推),使采样过程中的所有计算任务基于原始数据完成,以提高采样计算精度.具体为:设计了基于胞心值和单元梯度的采样点流场数据重构方法;采用基于面通量的格林公式计算单元梯度;考虑流场中物理量的相互关联,首次在流场可视化中引入Roe平均方法,用相邻单元胞心值构造面通量.分析和实验表明,该方法能明显提高采样计算精度,产生高质量的体绘制图像,使用户更准确地洞察和分析流场特性.

基于GPU的体绘制算法研究

本文给出了基于GPU的体绘制算法的流程，针对医学影像多组织标定问题，提出了基于二维表的纹理传输函数方法.针对CPU与GPU的资源分配与任务协同问题，提出了基于CPU的代理几何体生成算法，并利用该算法生成纹理坐标与GPU共同完成体绘制.最后对大量的医学影像数据进行了实验，实验证明本文提出的算法可以很好解决多组织标定与重建速度优化问题，使重建速度达到了毫秒级，完全满足临床需要.