支持体三维显示的体素化算法研究与可视化平台开发

论文摘要

体三维显示技术是目前计算机图形图像领域的前沿研究方向之一。与传统二维平面显示器不同,体三维显示器是一种真正具有立体效应的显示器,它利用体视化技术能够在真实的立体空间提供具有实际三维物理深度的图像显示。本文旨在研究支持体三维显示系统的三维体数据的获取及显示问题。体视化利用离散体素形式来描述物体,但目前专门的体素模型造型工具还没有投入使用,大多数三维模型采用面图形的造型方法。本文从实际需求出发,提出将现有三维物体的表面表示形式转换成最接近该物体的体素表示形式,获取支持体三维显示的体数据。这个过程称为体素化。体素化通过对连续模型进行空间采样获得体数据。目前的体素化大多利用传统的笛卡尔栅格进行离散采样,存在采样效率低、采样数据量庞大的问题。本文通过采样效率分析得出结论:在三维空间中,体心立方(BCC)栅格是一种效率最优的采样栅格。受基于欧氏距离判断的体素化算法启发,本文设计了一种适用于包括BCC采样栅格和笛卡尔采样栅格在内的体素化算法,推广了原算法的应用范围。分别利用两种采样栅格实现了对3DS模型的体素化,构建了体三维显示的可视化仿真平台,并在体三维显示器中得到了验证。实验表明,在不损失模型精度的情况下,BCC栅格比笛卡尔栅格节省约30%的采样数量,而体素模型的实际体素量则降低40%～50%,这对于降低体数据的存储空间和传输带宽十分有利。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 三维图形的面图形学表示
• 1.3 三维图形的体图形学表示
• 1.4 三维面图形的体素化
• 1.5 主要研究内容及章节安排
• 第二章 多维信号采样分析
• 2.1 引言
• 2.2 多维信号采样
• 2.2.1 体数据与采样矩阵
• 2.2.2 多维信号的傅立叶分析
• 2.3 采样效率分析与比较
• 2.3.1 采样效率问题
• 2.3.2 二维信号采样效率
• 2.3.3 三维信号采样效率
• 2.4 本章小结
• 第三章 体素化算法
• 3.1 引言
• 3.2 离散拓扑学基础
• 3.2.1 体素的概念
• 3.2.2 邻接的概念及相关定义
• 3.2.3 连通性的概念及相关定义
• 3.3 体素化算法原理
• 3.4 二维直线的体素化
• 3.4.1 定理1 的证明
• 3.4.2 对笛卡尔采样栅格的讨论
• 3.5 三维平面的体素化
• 3.5.1 三维体素化定理
• 3.5.2 对三维笛卡尔采样栅格的讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 算法设计与分析
• 4.1 引言
• 4.2 3DS 文件简介与数据结构设计
• 4.2.1 3DS 文件格式
• 4.2.2 3D 编辑程序块
• 4.3 3DS 模型的读取
• 4.3.1 定义三维模型处理类
• 4.3.2 块的读取
• 4.3.3 点、面数据的读取
• 4.4 模型的归一化
• 4.5 笛卡尔采样方式下的体素化
• 4.5.1 体素类的定义
• 4.5.2 采样空间的初始化
• 4.5.3 体素化算法的执行
• 4.6 BCC 采样方式下的体素化
• 4.7 实验与分析
• 4.7.1 实验设计
• 4.7.2 结果与分析
• 4.7.3 体三维显示器中的验证
• 4.8 本章小结
• 第五章 可视化仿真平台的开发
• 5.1 引言
• 5.2 OpenGL 概述
• 5.2.1 OpenGL 的发展
• 5.2.2 OpenGL 体系结构
• 5.3 基于Windows 的OpenGL 绘图
• 5.3.1 渲染上下文（RC）
• 5.3.2 像素格式设置
• 5.3.3 调色板的使用
• 5.4 可视化系统程序框架的创建
• 5.4.1 概述
• 5.4.2 创建工程和设置编译环境
• 5.4.3 添加变量和函数
• 5.4.4 添加消息响应函数
• 5.4.5 设置窗口风格
• 5.5 创建视场和场景设置
• 5.5.1 图形显示流程
• 5.5.2 视点变换和模型变换
• 5.5.3 投影变换
• 5.5.4 视区变换
• 5.5.5 场景初始化
• 5.6 形体建模与绘制
• 5.6.1 3DS 模型的绘制
• 5.6.2 体素化模型的绘制
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要研究工作与贡献
• 6.2 进一步的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文
• 附录1 部分3DS 模型的体素化效果图