光线投射体绘制传递函数的设计与实现

论文摘要

科学计算可视化是最近发展起来的新兴研究领域,其中体绘制方法是迅速发展起来的三维数据场可视化的重要技术手段,它被广泛的应用于地质,气象及医学影像等多个领域。传递函数设计是体绘制的关键步骤,它负责将数据集的数据属性转换成一定的光学属性,如颜色值和不透明度值,从而直接影响最终可视化效果。然而由于数据集的复杂性和传递函数设计方法的多样性,寻找通用的,直观的传递函数仍然是一项具有挑战性的课题。传统体绘制中对已分类数据,只采用一维传递函数进行设置,即根据体素的灰度值来设置颜色和不透明度,其缺点在于不能根据用户需要对感兴趣的区域进行有效的可视化。针对该问题,本文提出了简化的LH直方图方法,突破了传统对已分类数据进行传递函数设计的局限,能够方便地对数据集中感兴趣的区域进行定位和设置。由于LH直方图方法不能准确区分边界中的不同组织,本文又进一步提出f-LH直方图方法,能够更准确的对边界和不同组织进行定位。使用已分类人体心脏数据集验证了上述两种方法的有效性。未分类三维体数据由于受到噪声等因素影响,图像质量较差,本文在进行体绘制之前首先采用非线性增强预处理,有效提高了图像质量,便于实现基于LH直方图的传递函数的设计。由于位置信息是数据场中特征的重要属性,本文在原始LH直方图的基础上,进一步加入位置信息,形成位置信息增强的LH直方图,通过区域增长法进一步增强传递函数设置的自动化。由于体绘制算法计算量大,测试传递函数效果比较耗时,本文又实现了基于GPU的光线投射算法,大大提高了绘制速度,可以得到传递函数设计效果的实时反馈。传递函数设计的灵活性和复杂性,要求将手动和自动设计方法有机结合来进行传递函数半自动化设计。本文设计实现了交互界面,提供了有效的交互手段,用户通过LH直方图和交互工具可以有效的选择感兴趣的区域,并可以根据需要方便的进行传递函数设计,实时调整可视化结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.1.1 课题来源与背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 可视化算法研究现状
• 1.2.2 可视化平台构建概况
• 1.2.3 体绘制传递函数研究现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第2章 传递函数设计方法概述
• 2.1 传递函数基本概念
• 2.2 传递函数设计方法
• 2.3 传递函数的发展
• 2.3.1 一维传递函数
• 2.3.2 二维传递函数
• 2.3.3 多维传递函数
• 2.4 传递函数的困难和发展趋势
• 2.4.1 传递函数面临的困难
• 2.4.2 传递函数的发展趋势
• 2.5 本章小节
• 第3章 简化LH直方图传递函数设计及在分类心脏数据中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 LH直方图方法概述
• 3.3 简化LH直方图方法
• 3.4 交互传递函数设计
• 3.5 实验结果
• 3.6 f-LH直方图传递函数设计
• 3.7 本章小节
• 第4章 基于LH直方图传递函数的未分类三维体数据可视化方法研究
• 4.1 未分类数据预处理
• 4.1.1 切片数据预处理
• 4.1.2 LH直方图算法预处理
• 4.2 LH直方图方法实现
• 4.3 LH直方图传递函数设计
• 4.4 位置信息增强的LH直方图
• 4.5 基于GPU的光线投射算法
• 4.6 本章小结
• 第5章 交互式可视化系统设计与实现
• 5.1 系统概述
• 5.2 光线投射算法实现
• 5.2.1 算法原理介绍
• 5.2.2 基于VTK的GPU光线投射算法实现
• 5.3 系统框架设计与分析
• 5.4 交互界面设计和实现
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢