论文摘要
三维数据场可视化尤其是其中的体绘制是科学计算可视化领域最重要、近年来发展最迅速的一项技术，它是在吸收计算机图形学、计算机视觉和计算机图像处理等学科有关知识的基础上发展起来的，在医学三维重建、计算流体力学、有限元后处理、地震地质勘探等众多领域得到了广泛应用。体绘制技术无需构造中间几何图元，直接将三维体数据映射到二维的投影平面上产生最终绘制结果，具有能够半透明显示数据场的不同区域和内部细节的优势。但由于体绘制需要处理的数据量十分庞大，生成图像的算法又比较复杂，相比其他算法如面绘制其具有处理时间长，计算量大的固有缺陷。常常需要使用高端图形工作站和特殊硬件来实现，在普通PC机上对于一般大小的体数据也很难达到实时交互处理。计算机硬件的飞速发展，特别是可编程图形硬件的顶点和片段处理器，为实现实时体绘制技术提供了硬件加速的支持。本文首先介绍了科学计算可视化和可编程图形处理器的概况；分析了可视化的主要流程，对二维数据切片进行了相关的预处理，得到符合本文绘制算法要求的体数据集；第三章讲述了体绘制的关键技术，比较了各种典型的体绘制算法，实现了三维纹理映射的体绘制，讨论其实现上的难点，三维纹理映射方法相当于同时处理所有光线的光线投射体绘制算法，为简化计算，采用了固定的视线方向和框架立方体，代理几何体使用一系列垂直于视线方向与框架立方体相交的矩形切片，通过旋转纹理坐标系来达到变换视角的目的，利用over算子进行最终的图像合成；第四章介绍了图形硬件流水线，利用GPU的可编程顶点和片段着色器，将三维纹理体绘制的部分绘制计算如顶点变换、纹理映射、色彩转换等从CPU转移到GPU的顶点和片段着色器上进行处理。最后，使用VC++作为开发平台，OpenGL1.5作为3D开发库，并用Nvidia公司的高级渲染语言Cg，实现了基于GPU的三维纹理的加速算法。实验结果表明，在不损失图像绘制质量的情况下，加快了体绘制的速度。