基于VTK的可视化算法实现研究

论文摘要

可视化是在信息化进程中发展起来的一个全新领域,它运用计算机图形学和图像处理技术,将计算过程中产生的数据及结果转化为图形图像,在屏幕上显示出来并进行交互处理。VTK是一个基于面向对象方法设计的、功能强大的可视化和图形图像处理的工具包,它将我们在可视化开发过程中会经常遇到的细节屏蔽起来,并将一些常用的算法进行封装。VTK凭借其开源灵活等特点在可视化开发中得到广泛应用。本论文简要介绍了VTK的功能和应用,并对几种常用的可视化算法进行了描述,详细介绍了各算法原理、思想和实现流程。文中利用VTK和Tcl&Tk搭建的开发平台,对可视化中的MC算法、DC算法、光线投射算法和二维、三维纹理映射算法进行了实现,并对实现结果进行了分析与比较,总结出各种算法的优缺点和应用条件。文章中还重点介绍了光线投射算法的实现过程,并针对其计算量大、绘制速度慢的缺点,根据现有的加速技术,结合实现过程中的不同环节给出了光线投射算法加速的一般思路,为以后算法的改进和完善提供了理论参考。论文最后在现有研究的基础上设计实现了一个简单的可视化系统,该系统集成了可视化中五种不同的绘制算法,并对各类控制参数进行了设计。通过改变参数,可以更好的调节绘制结果,实现人机交互。在本论文中,针对各类算法的实现和可视化系统的开发给出了具体的实现过程和核心代码,由此来表明VTK在可视化开发中的特点和优势,并为VTK工具包更好的应用于可视化开发领域提供了实践基础。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 科学计算可视化

1.1.1 科学计算可视化的含义

1.1.2 科学计算可视化的研究内容

1.1.3 科学计算可视化的应用和发展动向

1.2 国内外研究现状及水平

1.3 论文的目的及主要工作

1.4 论文各章内容提要

2 可视化算法

2.1 三维数据场的可视化

2.1.1 三维数据场的基本类型

2.1.2 三维数据场可视化的基本流程

2.1.3 三维数据场可视化的两类基本算法

2.2 面绘制算法介绍

2.2.1 移动立方体（Marching Cubes）算法

2.2.2 剖分立方体（Diving Cubes）算法

2.3 直接体绘制常用算法

2.3.1 光线投射算法

2.3.2 抛雪球算法

2.3.3 错切变形算法

2.3.4 二维、三维纹理映射算法

2.4 小结

3 可视化开发工具VTK

3.1 可视化中相关软件工具介绍

3.1.1 IDL

3.1.2 OpenGL

3.1.3 Analyze

3.1.4 ITK

3.1.5 3DMED

3.2 可视化开发工具VTK

3.2.1 VTK概述

3.2.2 VTK的绘图模式

3.2.3 VTK的可视化模式

3.3 VTK的绘制过程

3.4 VTK中的主要功能

3.4.1 VTK中的人机交互

3.4.2 多边形削减

3.4.3 平滑网格（Smooth Mesh）

3.4.4 VTK中的并行技术

3.5 小结

4 基于VTK的可视化算法实现

4.1 脚本语言Tcl

4.2 开发平台的搭建与介绍

4.3 MC算法的实现

4.4 DC算法的实现

4.5 基于VTK的体绘制

4.5.1 VTK中的转换函数

4.5.2 VTK中的阴影功能

4.5.3 VTK中的插值功能

4.6 光线投射算法的实现

4.6.1 合成体绘制法

4.6.2 最大密度投影法

4.6.3 等值面提取法

4.7 纹理映射算法的实现

4.7.1 二维纹理映射

4.7.2 三维纹理映射

4.8 实现结果比较与分析

4.9 小结

5 光线投射算法的加速技术研究

5.1 光线投射算法中的主要问题

5.2 体绘制算法中常用的加速技术

5.2.1 软件加速算法

5.2.2 硬件加速技术

5.2.3 并行体绘制

5.2.4 漫游体绘制

5.3 光线投射算法的原理及过程

5.3.1 数据预处理

5.3.2 数据的分类

5.3.3 加载颜色及不透明度值

5.3.4 重采样

5.3.5 图像合成

5.4 光线投射算法的加速

5.4.1 数据预处理与分类阶段

5.4.2 优化求交

5.4.3 重采样阶段

5.4.4 图像合成阶段

5.5 小结

6 一个简单可视化系统的设计与实现

6.1 系统概述

6.2 系统功能模块介绍

6.2.1 系统界面模块

6.2.2 控制参数模块

6.2.3 算法显示模块

6.3 运行结果显示

6.4 小结

7 结论

7.1 论文工作总结

7.2 未来与展望

致谢

参考文献

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