三维数据场可视化PDF电子书下载

1．1 科学计算可视化概述 1

1．1．1 科学计算可视化的含义 1

1．1．1 What is Scientific Visualization? 1

1．1 Introduction of Scientific Visualization 1

第1章 绪论 1

Chapter 1. Introduction 1

1．1．2 The Significance for Implementing Scientific Visualization 2

1．1．2 实现科学计算可视化的重要意义 2

1．1．3 The Application of Scientific Visualization 3

1．1．3 科学计算可视化的应用领域 3

1．1．4 Research Issues in Scientific Visualization 5

1．1．4 科学计算可视化的研究内容 5

1．1．5 Current Status of Scientific Visualization 6

1．1．5 国内外科学计算可视化现状 6

1．2 Visualization of 3D Spatial Data Sets 8

1．2 三维空间数据场可视化 8

1．2．1 数据类型 9

1．2．1 Data Types 9

1．2．2 Basic Pipeline for Visualizing 3D Data Sets 12

1．2．2 三维空间数据场可视化的基本流程 12

1．2．3 两类不同的三维空间数据场可视化算法 14

1．2．3 Two Different Visualization Approaches of 3D Data Sets 14

第2章 三维空间规则数据场的直接体绘制 15

Chapter 2. Direct Volume Rendering of 3D Regular Data Sets 15

2．1 Resampling in Volume Rendering 16

2．1．1 几个基本概念 16

2．1 体绘制技术中的重采样 16

2．1．1 Some Basic Concepts 16

2．1．2 Image Representations in Spatial Domain and Frequency Domain 17

2．1．2 图象信号的空域和频域表示 17

2．1．3 滤波 18

2．1．3 Filtering 18

2．1．4 Reconstruction and Resampling 23

2．1．4 重构与重采样 23

2．2 体绘制中的光学模型 24

2．2 Optical. Models for Direct Volume Rendering 24

2．2．1 光线吸收模型 25

2．2．1 Absorption Model 25

2．2．3 Absorption Plus Emission Model 26

2．2．2 光线发射模型 26

2．2．2 Emission Model 26

2．2．3 光线吸收与发射模型 26

2．3．1 光线投射算法的基本原理 28

2．3 Image Order Volume Rendering—Ray-casting Algorithm 28

2．3．1 Basic Principles of Ray-casting Algorithm 28

2．3 图象空间扫描的体绘制技术——光线投射体绘制算法 28

2．3．2 三维数据场的分类问题 29

2．3．2 Classification of 3D Data Sets 29

2．3．3 颜色赋值 32

2．3．3 Color Assignment 32

2．3．4 图象合成 33

2．3．4 Image Composition 33

2．3．6 Improvement of Ray-casting Algorithm for Volume Rendering 34

2．3．6 改进的光线投射体绘制算法 34

2．3．5 明暗计算 34

2．3．5 Shading Calculation 34

2．3．7 用光线投射算法显示多等值面 35

2．3．7 Rendering Multi-isosurfaces Using Ray-casting Algorithm 35

2．4．1 足迹表法 38

2．4．1 Footprint Methods 38

2．4 Object Order Volume Rendering 38

2．4 物体空间扫描的体绘制技术 38

2．4．2 Volume Rendering Based on Shear-Warp Techniques 45

2．4．2 基于错切-变形技术的体绘制算法 45

2．4．3 Cells Projection Methods 47

2．4．3 体元投射法 47

2．4．4 Sub-volume Projection Methods 51

2．4．4 子区域投射法 51

2．5．1 Principles of Frequency Domain Volume Rendering 58

2．5 Frequency Domain Volume Rendering 58

2．5．1 频域体绘制技术的原理 58

2．5 频域体绘制技术 58

2．5．2 Frequency Domain Volume Rendering Based on Data Classification and Color Assignment 60

2．5．2 基于物质分类和颜色赋值的频域体绘制算法 60

2．5．3 Adaptive Selection for the Order of Reconstruction Kernel 62

2．5．3 重构核阶次的自适应选择 62

2．5．4 Reducing Calculation Time and Memory Space 66

2．5．4 进一步减少计算量和存储空间 66

2．5．5 Frequency Domain Volume Rendering with Exponential Depth Effects 71

2．5．5 频域体绘制中的指数深度补偿 71

2．5．6 Boundary Sharpening Algorithm in Frequency Domain Volume Rendering 74

2．5．6 频域体绘制中的边界面动态突出算法 74

2．6．2 3D Texture Mapping and Its Implementation with Hardware 76

2．6．2 三维纹理映射及其硬件实现 76

2．6 Volume Rendering Based on 3D Texture Mapping Hardware 76

2．6．1 Texture Mapping 76

2．6．1 纹理映射 76

2．6 由三维纹理映射硬件支持的直接体绘制 76

2．6．3 Volume Rendering Algorithms Based on 3D Texture Mapping Hardware 78

2．6．3 由三维纹理映射硬件支持的直接体绘制算法 78

3．1．1 MC方法的基本原理 89

Chapter 3. Creating Iso-surfaces in 3D Regular Data Sets 89

3．1．1 Basic Principles 89

3．1 Marching Cubes Methods 89

3．1 Marching Cubes(MC)方法 89

第3章 构造三维空间规则数据场中的等值面 89

3．1．2 MC方法存在的问题 92

3．1．2 Problems in Original Marching Cubes Methods 92

3．1．3 Using Asymptote Method to Detect and Eliminate Ambiguity 94

3．1．3 用渐近线方法判别和消除二义性 94

3．1．4 多边形的连接及三角化 95

3．1．4 Polygon Connection and Triangulation 95

3．1．5 等值面的成组连接 97

3．1．5 Grouping Iso-surfaces 97

3．2 Marching Tetrahedral(MT)方法 98

3．2 Marching Tetrahedral Methods 98

3．2．1 MT方法的基本原理及存在的问题 99

3．2．1 Basic Principles 99

3．2．2 MT方法中的二义性判别和消除 100

3．2．2 Ambiguity Detection and Elimination 100

3．2．3 连接等值点构造多边形 101

3．2．3 Creating Polygons 101

3．2．4 Triangulation Polygons 104

3．2．4 多边形的三角化 104

3．2．5 Comparison among Different Methods 105

3．2．5 几种方法的比较 105

3．3 Dividing Cubes Methods 106

3．3 剖分立方体方法 106

3．3．1 Basic Principle 107

3．3．2 Some Improvements 107

3．3．1 剖分立方体方法的基本原理 107

3．3．2 剖分立方体方法的两点改进 107

4．1．1 Converting 3D Irregular Data Sets to 3D Regular Data Sets 110

Chapter 4. Visualization of 3D Irregular Data Sets 110

4．1 Ray-casting Methods in Visualization of 3D Irregular Data Sets 110

4．1．2 Applying Ray-casting Methods on 3D Irregular Data Sets Directly 110

4．1．2 将光线投射算法直接应用于不规则数据场 110

4．1．1 将三维空间不规则数据场转换为规则数据场 110

4．1 三维空间不规则数据场可视化的光线投射算法 110

第4章 三维空间不规则数据场的可视化 110

4．2 Cell Projection Methods in 3D Irregular Data Sets 112

4．2 三维空间不规则数据场的体元投影方法 112

4．2．1凸多面体网格的深度排序 113

4．2．1 Depth Sorting in Convex Polyhedral Meshes 113

4．2．2 非凸多面体网格的深度排序 118

4．2．2 Depth Sorting in Non-Convex Polyhedral Meshes 118

4．2．3 Implementation of Cell Projection Methods in 3D Irregular Data Sets 122

4．2．3 三维空间不规则数据场体元投影方法的实现 122

4．3 体元投影与光线投射相结合的方法 124

4．3 Combination of Cell Projection Methods and Ray-casting Methods 124

4．4 Creating Iso-surfaces in 3D Irregular Data Sets 125

4．4 构造三维空间不规则数据场中的等值面 125

4．4．2 Geometric Representation of Iso-surfaces in Elements 126

4．4．2 单元内等值面的几何表示 126

4．4．1 Gradients Calculation on Nodes in Irregular Meshes 126

4．4．1 不规则网格中各角点梯度值的计算 126

4．4．3 等值面边界法向的连续性 129

4．4．3 Normal Continuity on the Boundary of Iso-surfaces 129

Chapter 5. Visualization of Scattered Data 130

5．1 Interpolation of Medium and Small Scale Scattered Data 130

第5章 散乱数据的可视化 130

5．1 中、小规模散乱数据的插值 130

5．1．1 与距离成反比的加权法 130

5．1．1 Inverse Distance Weighted Methods 130

5．1．2 径向基函数插值法 133

5．1．2 Radial Basis Function Methods 133

5．1．3 有限元方法 136

5．1．3 Finite Element Methods 136

5．1．4 实例与讨论 143

5．1．4 Examples and Discussion 143

5．2．1 基于多层B样条的散乱数据插值方法 144

5．2 大规模散乱数据的插值 144

5．2．1 Scattered Data Interpolation Based on Multilevel B-spline Surfaces 144

5．2 Interpolation of Large Scale Scattered Data 144

5．2．2 自适应的层次B样条散乱数据插值方法 148

5．2．2 Scattered Data Interpolation Based on Adaptive Hierarchical B-spline Surfaces 148

6．1．1 三种实验型矢量场可视化方法 153

第6章 三维矢量场的可视化 153

6．1．1 Three Experimental Methods 153

6．1 Introduction for Visualization of 3D Vector Data Sets 153

Chapter 6. Visualization of 3D Vector Data Sets 153

6．1 三维矢量场可视化概述 153

6．1．2 用计算机实现三维矢量场的可视化 155

6．1．2 Using Computer to Visualiza 3D Vector Data Sets 155

6．1．3 Flowchart for Visualization of 3D Vector Data Sets 156

6．1．3 矢量场可视化的基本流程 156

6．2．1 基于六面体单元的矢量场数据组织 157

6．2 Organization of Vector Data and Preprocessing 157

6．2．1 Organization of Vector Data Based on Hexahedral Elements 157

6．2 矢量场数据的组织及预处理 157

6．2．2 Organization of Vector Data Based on Tetrahedral Elements 159

6．2．2 基于四面体单元的矢量场数据组织 159

6．3 基于几何形状的矢量场映射方法 163

6．3．1 点图标方法 163

6．3．1 Pointer Methods 163

6．3 Vector Data Mapping Based on Geometric Shapes 163

6．3．2 Vector Lines Methods 164

6．3．2 矢量线方法 164

6．3．3 Vector Surfaces and Vector Tubes Methods 166

6．3．3 矢量面、矢量管方法 166

6．4 Vector Data Mapping Based on Colors and Optical Feature 168

6．4．1 体绘制技术的扩展——动态体绘制技术 168

6．4 基于颜色、光学特性的矢量场映射方法 168

6．4．1 Dynamic Volume Rendering 168

6．4．2 Particle Methods 169

6．4．2 粒子方法 169

6．5．1 点噪声方法 170

6．5．1 Spot Noise Method 170

6．5 基于纹理的矢量场映射方法 170

6．5 Vector Data Mapping Based on Texture 170

6．5．2 Linear Integration Convolution Methods 171

6．5．2 线积分卷积法 171

6．5．3 Convolution Methods Using Parametric Region with Changeable Shape 172

6．5．3 可变形参数域卷积法 172

6．6 特征可视化 174

6．6．1 矢量场拓扑结构分析法 174

6．6 Feature Visualization 174

6．6．1 Topological Structure Analysis in Vector Data Sets 174

6．6．2 流场中特征结构的可视化 175

6．6．2 Visualization of Feature Structure in Flow Field 175

6．6．3 Feature Visualization Based on Selection 176

6．6．3 基于选择的特征可视化 176

第7章 由二维轮廓线重构三维形体 177

Chapter 7. Construction of 3D Objects from Serial 2D Contours 177

7．1 Construction of 3D Objects from Single Branching 2D Contours 178

7．1．1 凸轮廓线之间的三维形体重构 178

7．1 单轮廓线之间的三维形体重构 178

7．1．1 Construction of 3D Objects from Single Branching Convex 2D Contours 178

7．1．2 非凸轮廓线之间的三维形体重构 183

7．1．2 Construction of 3D Objects from Single Branching Non-Convex 2D Contours 183

7．2 Construction of 3D Objects from Multiple Branching 2D Contours 186

7．2 多轮廓线之间的三维形体重构 186

7．2．1 Minimum Spanning Tree for Correspondence Problem 187

7．2．1 轮廓线对应问题的最小生成树方法 187

7．2．2 分支问题的中间轮廓线方法 188

7．2．2 Intermediary Contour Methods for Branching Problem 188

7．2．3 将多轮廓线之间的形体重构问题转化为体数据中的等值面构造问题 190

7．2．3 Using Marching Cubes Methods to Construct 3D Object from Multiple Branching Contours 190

8．1．1 Significance of Model Simplification 196

8．1 Introduction 196

Chapter 8. Simplification of Complex Models and Multi-resolution Representation in Scientific Visual 196

8．1．1 模型简化技术的重要性 196

8．1 复杂模型简化技术概述 196

第8章 科学计算可视化中复杂模型的简化及多分辨率表示 196

8．1．2 Taxonomy for Model Simplification Methods 197

8．1．2 模型简化方法的分类 197

8．2 Super-surface Methods in Model Simplification 199

8．2．1 超面算法 199

8．2 复杂模型简化的超面方法 199

8．2．1 Super-surface Methods 199

8．2．2 超面算法的结果举例 201

8．2．2 Examples of Super-surface Methods 201

8．2．3 超面算法的几点改进 202

8．2．3 Improvements of Super-surface Methods 202

8．3 三角形网格的实时、连续多分辨率表示 205

8．3 Continuous, Real-time Multi-resolution Representation for Triangular Meshes 205

8．3．1 基本定义 206

8．3．1 Some Definitions 206

8．3．2 三种变换操作 207

8．3．2 Three Operations for Transformation 207

8．3．3 重要度的定义 208

8．3．3 Definition of Importance 208

8．3．4 有序递减网格 209

8．3．4 Sorted Decremental Triangular Mesh (SDTM) 209

8．3．5 Results of Model Simplification 210

8．3．5 模型简化的结果数据 210

8．4 Rendering of Triangular Meshes Based on SDTM 213

8．4．1 Multi-resolution Selection Based on Distance 213

8．4 基于有序递减网格的实时动态绘制 213

8．4．1 距离驱动的实时动态绘制 213

8．4．2 Multi-resolution Selection Based on Interactive Speed 215

8．4．2 自适应的多分辨率绘制 215

8．5 Simplification for 3D Non-manifold Models 218

8．5 快速的非流形模型简化 218

第9章 三维数据场可视化算法的并行实现 220

9．1．1 并行计算体系结构 220

9．1 并行可视化算法概述 220

9．1．1 Architecture for Parallel Computing 220

9．1 Introduction 220

Chapter 9. Parallel Implementation for Visualization of 3D Data Sets 220

9．1．2 Criteria for Evaluating Parallel Algorithms 221

9．1．2 评价并行算法的主要指标 221

9．1．3 Parallel Algorithms for Visualization of 3D Data Sets 222

9．1．3 三维数据场可视化并行算法 222

9．2 Parallel Algorithms for Visualization of 3D Data Sets Based on PVM 225

9．2．1 将并行计算技术引入频域体绘制算法 225

9．2 基于PVM的三维数据场可视化算法 225

9．2．1 Implementation of Frequency Domain Volume Rendering Using Parallel Computing 225

9．2．3 同构机群环境中的并行频域体绘制 226

9．2．2 并行虚拟机 226

9．2．3 Parallel Frequency Domain Volume Rendering in Homogeneous Cluster Machines 226

9．2．2 Parallel Virtual Machine (PVM) 226

9．2．4 Parallel Frequency Domain Volume Rendering in Heterogeneous Cluster Machines 237

9．2．4 异构机群环境中的并行频域体绘制 237

Chapter 10. Application Systems for Visualization of 3D Data Sets 239

10．1 3D Reconstruction System for Cross Section Images of Human Body 239

10．1．1 Background 239

10．1．1 应用背景 239

10．1 人体断面解剖图象三维重构系统 239

第10章 三维数据场可视化实用系统简介 239

10．1．2 System Performance 240

10．1．3 Development Environment for System 240

10．1．4 Algorithms Description 240

10．1．4 算法特点 240

10．1．3 系统开发环境 240

10．1．2 系统功能 240

10．1．5 System Implementation 241

10．1．5 系统的实现 241

10．2 3D Meteorological Dynamic Image System 244

10．2．1 Background 244

10．2．2 System Performance 244

10．2．2 系统功能 244

10．2．1 应用背景 244

10．2 三维气象动态图象系统 244

10．2．3 Development Environment for System 245

10．2．4 算法特点 245

10．2．4 Algorithms Description 245

10．2．3 系统开发环境 245

10．2．5 System Design and Implementation 249

10．2．5 系统设计及实现 249

References 253

参考文献 253