欢迎来到论文网! 识人者智,自知者明,通过生日认识自己! 生日公历:
网站地图 | Tags标签 | RSS
论文网 论文网8200余万篇毕业论文、各种论文格式和论文范文以及9千多种期刊杂志的论文征稿及论文投稿信息,是论文写作、论文投稿和论文发表的论文参考网站,也是科研人员论文检测和发表论文的理想平台。lunwenf@yeah.net。
您当前的位置:首页 > 科技论文 > 计算机论文

三维规则数据场交互式可视化系统的研究与实现

时间:2011-04-24  作者:秩名

论文导读:科学计算可视化是当前计算机学科的一个重要的研究方向。
关键词:规则数据体,移动立方体,剖分,可视化
 

1. 前言[1]

科学计算可视化是当前计算机学科的一个重要的研究方向。它的出现有效地解决了目前海量数据的高效处理和直观解释的难题。科学计算可视化具有多方面的重要意义。它可以广泛应用于气象学、石油勘探、计算流体力学、分子生物学、医学教育与医疗、有限元分析等领域。它是发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具。科学计算可视化的实质是,运用计算机图形学和图象处理技术将科学计算过程中的数据以及计算结果的数据转换为图象,在屏幕上显示出来并进行交互处理。其核心是三维数据场的可视化。在三维数据场的可视化处理中,首先要解决的是寻找一种合适的数据结构和数学模型。当前主要有两种数学模型建模方法:采用格网或三角网的基于面片的建模方法;基于体元或体素的模型建模方法。

本文根据石油勘探和矿产资源勘探过程中所生成的体数据,研究并实现了基于三维空间数据场的交互式可视化系统。该系统的基本思路是:通过体数据的显示及体数据切片和体等值面的生成与显示,帮助专业人员研究地下地质状况,并进行地下矿产方位和储量的预测。

2. 三维数据场交互式可视化系统的构成

本软件系统包括三个方面的内容,分别是:

(1)体数据的处理;

(2)体数据的可视化

(3)体数据的交互式操作,生成数据体切片和数据体等值面。

3.体数据的处理[3]

体数据可以看作是一个三维空间网格上的采样点集,每个采样点包含向量、标量或者张量值。其主要来源有:

①. 测量数据,比如医学数据(计算机断层扫描(CT)、超声、X射线等),地震地质勘探数据、气象监测数据、天文学射电望远镜获取的星云数据等。

②. 科学计算或者仿真数据,如计算流体力学、有限元分析等,这是当前体数据的主要来源之一。

③. 几何实体的体素化数据,如工业造型设计、游戏、大规模地形可视化等领域中将几何实体体素化所获取的数据。

体数据通常定义在空间网格上,网格结构决定体元的基本形状,也决定体元之间的相邻关系。网格结构取决于应用,对绘制有很大的影响。

①. 结构化网格数据。这类网格中的数据可看作在空间上三组相互垂直的平面公共交点的集合。论文发表。逻辑上,结构化网格数据可以组织成三维数组。各个元素具有三维数组各元素之间的逻辑关系,每个元素有它的层号、行号和列号。结构化网格数据分为规则和非规则两种类型。其中规则结构化网格数据又分为均匀网格、等距网格和矩形网格。

均匀网格的特点是:每个体元大小相同,各维比例也完全相同,按照坐标轴方向均匀排列成正方体形状。每个体元的空间位置及体属性数据可以通过其层号和行、列号计算出来。论文发表。来自医学的体数据大多属于这种类型。

等距网格的特点是:所有体元大小相同,按坐标轴方向排列成长方体。体元坐标可以表示成(i×dx, j×dy, k×dz ),其中dx,dy,dz为在三个坐标轴上相邻体元点的距离。

矩形网格的特点是:沿每一坐标轴,体元间距各不相同,但体元仍是沿坐标轴排列的长方体,该类型体数据中必须记录体元坐标,体元坐标可以表示为(x[i],y[j],z[k]),其中x,y,z分别为坐标数组。

另外一类非规则结构化网格数据,也称曲线型网格数据,这类体数据中,每个体元是逻辑上的六面体,相对的面并不要求平行,且每一面的四个顶点可以不共面。这种结构化的网格数据也必须记录体元坐标,体元坐标表示为(x[i,j,k],y[i,j,k],z[i,j,k])。

②. 非结构化网格数据。这类数据中网格间的空间邻接关系需另外提供,体数据中除了必须存储体元的坐标信息外,还要存储网格间的连接信息。

③. 混合网格数据。混合网格数据是以上类型的组合。

由于非结构化网格数据可以通过计算几何方法转化成结构化网格数据,所以本系统实现的是结构化网格数据。

4.体数据的交互式操作

4.1 空间坐标的获取

在许多情况下,不仅需要绘制数据的三维真实感图形,而且要能够通过输入设备如鼠标来操纵屏幕上显示的物体,从不同角度了解数据场的细节、获取物体的空间坐标。屏幕坐标是二维坐标,体数据坐标是三维坐标,在交互式操作中,必须要实现两坐标系的相互转变。本系统采用OpenGL中的gluUnProject( GLdouble winX, GLdouble winY, GLdoublewinZ,constGLdouble modelMatrix[16], const GLdouble projMatrix[16],const GLint viewport[4], GLdouble *objX, GLdouble *objY, GLdouble *objZ ) 函数来实现屏幕坐标到空间三维坐标的转换。

转换过程如图3示。

其中winX,winY是以屏幕左下角为原点的屏幕坐标,modelMatrix[16]为模型视图矩阵,可以通过GetDoublev(GL_MODELVIEW_MATRIX,modelMatrix)得到,projMatrix[16]投影视图矩阵,可以通过glGetDoublev(GL_PROJECTION_MATIRX,projMatrix)得到,viewport为视口,可以通过glGetIntergerv(GL_VIEWPORT,viewport)得到,objX,objY,objZ为相应于屏幕坐标的世界坐标,当winZ=0,返回的是近剪切面上的世界坐标,当winZ=1.0时返回的是远剪切面的坐标。由近剪切面上的坐标和远切面上的坐标可以确定一条射线方程,该该射线方程与视图中体数据求出的交点,就是体数据对应于屏幕坐标的物体坐标值。

4.2 体数据切片求取

通过体数据切片的求取和显示,有助于分析体数据内部细节,获得地下各种属性地质体的总体变化和趋势。为了生成体数据切片,需要给出切片的位置,切片的切割方向。本系统根据实际需求只获取垂直方向的切片。为便于通过鼠标点所在屏幕坐标,获取切片的空间位置,本系统提供了一个体数据参考面。论文发表。通过射线方程与该参考面求得的交点坐标,即为体中切片所经过位置的空间坐标。垂直切片空间位置确定以后,对体数据中每个体元素进行切割计算得到整个体数据的切割结果。

4.3 移动立方体切割

在体数据显示的基础上,研究体数据中值大于某个给定数值的数据所构成形体的外观,方位和进行体积估算,需要在三维规则数据场中构造等值面。在三维空间规则数据场中构造等值面有多种不同的方法,其中最有代表性的是Lorenson和Cline于1987年提出来的一种移动立方体(Marching cubes)算法。采用MC算法可以在给定阀值的情况下较好地提取任意三维规则体数据场的等值面。移动立方体算法的基本原理是根据三维规则数据场中每个体元的8个角点与等值面的值的关系,确定0,1两种状态,体元的8个角点共有256种不同的状态,这样就可以用一个字节的空间构造每个体元的状态表,然后根据状态对称和旋转对称两种不同的对称性将256种不同情况简化为14种基本组合。根据这14种基本组合求出体数据中的等值面。其求等值面的算法流程如下:

(1) 将体数据场中每个体元的每个角点的属性值与给定等值面值比较,根据比较结果,构造体元的状态表;

(2)根据状态表,得出与等值面有交点的体元边界;

(3)通过线性插值,计算出体元边界与等值面的交点坐标;

(4)根据各三角面片顶点的坐标值绘制等值面图形。

移动立方体算法虽然计算简单、可实现性好,但也有不足之处,当在体元的一个面上,大于或小于等值面值的角点分别位于对角线的两端时,就有两种可能的连接方式,因此存在二义性。如果二义性问题不能解决,将造成等值面连接上的错误,尤其是当二义性出现在相邻体元的公共面上时,可能形成空洞。为解决二义性问题, 本系统中采用基于双线性插值的渐近线判定法来解决。如图5所示是公共面与该双曲线以及渐近线的关系,左上角的情况即产生多义性公共面。将较渐近线的交点位置的值与等值面的值进行比较,就可以确定四个交点的连接方式,如图6所示。

5. 系统运行结果

本文介绍了根据石油勘探和矿产资源勘探过程中所生成的体数据,实现体数据的交互式可视化的相关实现技术。并采用上述技术设计实现了体数据的交互式可视化系统,为了提高体数据的显示速度,在体数据的显示过程中采用面绘制方法,并通过对体数据的切割生成数据切片并显示,体现体数据的内部特征,这样既提高了显示速度又不丢失体数据的内部细节。本系统已成功应用于物化遥地理信息软件系统中,实践证明,本文介绍的相关技术切实可行,有较大的实用价值。

 

 
 

 


参考文献
[1] 唐泽圣,三维数据场可视化[M],北京:清华大学出版社,1999.1
[2] 孙家广,杨长贵,计算机图形学,北京:清华大学出版社,1995
[3] 张加万,交互体绘制关键技术及其应用研究,天津大学博士论文,2004
[4] 陈少强.一个以_移动立方体法_为关键技术的人机交互三维地质建模系统,中国地质大学博士论文,2002。
[5] E.Puppo . Variable resolutiontriangulations. Technical report, IMA-CNR, 1996。
 

 

查看相关论文专题
加入收藏  打印本文
上一篇论文:三极管无稳态多谐振荡器的计算机仿真
下一篇论文:设备维修管理系统的设计与实现(图文)
科技论文分类
科技小论文 数学建模论文
数学论文 节能减排论文
数学小论文 低碳生活论文
物理论文 建筑工程论文
网站设计论文 农业论文
图书情报 环境保护论文
计算机论文 化学论文
机电一体化论文 生物论文
网络安全论文 机械论文
水利论文 地质论文
交通论文
相关计算机论文
最新计算机论文
读者推荐的计算机论文