图形硬件加速的实时体绘制关键技术研究

论文摘要

三维体数据的体绘制是科学计算可视化领域最重要、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成像平面上产生最终绘制结果,具有能够半透明显示体数据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计算量大、处理时间长的固有缺陷,在普通PC机上对于中等大小的体数据也很难达到实时交互绘制的效果,因而常常需要使用价格昂贵的高端图形工作站或专用硬件来实现。近年来,计算机硬件的飞速发展,特别是图形硬件的计算性能和可编程性的不断提高,为实现实时体绘制技术提供了硬件上的支持。本文主要研究的内容是开发能够利用最新GPU的高速并行计算能力的体绘制快速算法,最终目标是在价格低廉的PC机平台上实现高质量实时体绘制系统。本文分为如下三个部分:第一部分首先介绍了体绘制的数据模型和光照模型,分析了体绘制流程中各个步骤可能给GPU实现带来的影响,为后续GPU体绘制算法和优化算法的实现奠定了基础。接下来介绍了体绘制技术的几种常见算法,阐述了其算法原理和计算复杂度,分析了它们在绘制质量和性能上的差异,并确定光线投射加速算法为最终的研究方向。第二部分研究了GPU在硬件结构上的特点,重点说明了可编程渲染管线的结构和工作模式,对在GPU上完成通用计算的方法进行了全面的介绍。第三部分研究了在GPU上实现的体绘制快速算法。首先分析了早期使用的纹理切片体绘制的不足之处,然后实现了一种单遍绘制的GPU光线投射算法。接下来在这个算法的基础上引入八叉树包围盒技术,使得绘制性能大大提高。此外,还研究了GPU着色语言代码优化和使用高精度深度值提高绘制精度问题,进一步改善了GPU体绘制的性能和质量。实验表明本文提出并实现的体绘制快速算法能够在普通PC机上对中等规模体数据进行高质量实时体绘制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 科学可视化的背景和意义
• 1.2 科学计算可视化算法分类
• 1.3 本文的研究对象
• 1.4 本文的研究成果和创新点
• 1.5 本文的组织结构
• 第二章 体绘制技术研究基础
• 2.1 体数据
• 2.1.1 体素与体元的概念
• 2.1.2 体数据的来源
• 2.1.3 体数据的分类
• 2.1.4 本文主要研究的体数据
• 2.2 体绘制基本光学模型
• 2.2.1 光线传播的一般公式
• 2.2.2 常用的简化光学模型
• 2.3 体绘制系统的流程
• 2.3.1 分割
• 2.3.2 梯度估计
• 2.3.3 重构与重采样
• 2.3.4 分类和着色
• 2.3.5 明暗计算
• 2.3.6 图像合成
• 2.4 体绘制技术中常见的实现算法
• 2.4.1 光线投射算法
• 2.4.2 抛雪球法
• 2.4.3 错切-变形法
• 2.5 本章小结
• 第三章 GPU体系结构和编程特点
• 3.1 GPU的巨大性能优势
• 3.2 图形渲染管线
• 3.3 可编程GPU硬件体系
• 3.4 GPU编程接口和着色语言
• 3.5 GPU实现算法编程
• 3.5.1 对算法可移植性的考虑
• 3.5.2 GPU与CPU在算法编程上的关键区别
• 3.6 本章小结
• 第四章 GPU加速的体绘制算法
• 4.1 基于纹理切片的体绘制
• 4.1.1 纹理简介
• 4.1.2 基于纹理切片的体绘制实现流程
• 4.1.3 优势和不足
• 4.2 GPU加速的光线投射法
• 4.2.1 光线投射算法的基本结构
• 4.2.2 体数据预处理
• 4.2.3 光线投射法中光线累加初始位置的计算
• 4.2.4 利用可编程片元处理器完成光线累加计算
• 4.3 GPU光线投射算法实现结果和讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 GPU光线投射算法性能和绘制质量的改进
• 5.1 使用八叉树包围盒的GPU光线投射算法
• 5.1.1 八叉树的建立
• 5.1.2 利用八叉树包围盒实现进行空体素跳过的加速技术
• 5.1.3 结果和讨论
• 5.2 可编程着色器代码优化
• 5.2.1 使用CPU完成尽量多的计算
• 5.2.2 使用纹理编写复杂的函数
• 5.2.3 对循环和动态分支代码的优化
• 5.3 利用高精度深度值代替颜色值计算光线起止点采样位置
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来展望
• 参考文献
• 在读期间的研究成果
• 致谢