三维数据场体绘制技术的研究和实现

三维数据场是当前可视化研究的重点,也是实践中最常遇到的。体绘制技术是可视化中一类重要的技术。与从数据场中抽取几何面进行可视化的方法相比,体绘制方法不生成中间几何元素,而是直接将数据进行整体的合成。这样,不同的内容可以在一幅图象中同时显示,便于人们对数据场进行全面综合的分析和研究。 针对体绘制方法成象速度慢和图象对信息的表达比较模糊的弱点,本文提出了一些有效的方法,使体绘制技术能更好地进行可视化,提高人们分析理解数据的能力。这些方法如下: 1)将数据场中各种体元的透明度以一个透明度基本单元进行统一,形成一种透明度标尺。依此,将体绘制的最基本操作“色彩合成运算”转化到标尺上运行,使得这种运算只需进行加法操作,促进了成象速度的有效提高。 2)根据作者以前提出的“基于虚拟面的色彩分布合成”方法,将数据场的一些三维信息、以及一些成象的中间结果保留在二维的虚拟面上,并推导出三种交互操作工具,使得体绘制可以进行快速的交互可视化,方便用户跟踪分析感兴趣的内容。 3)模板法运用于非规则场的体绘制中时,往往是进行一种较粗糙的逼近,影响了图象对数据场的反映质量。对此,本文提出一种可变模板法,运用正弦函数对样点尺寸的统一度量,使得不同大小的样点均可以进行高精度的色彩累积运算,提高了图象质量。 4)光照是增强可视性分析的重要手段。但体绘制中成象速度较快的投影成象方法,很难有效地使用光照提高图象的反映效果。本文运用球体重组数据场,将数据场中的物质分界面进行拟合,使得光照运算能够高效地与投影成象方法相结合,提高可视化的效率。 5)在非规则场的体绘制中,由于体元的形状和大小不确定,其绘制速度和图象质量都很难令人满意。对此,我们提出一种方法,利用链表化解影响非规则场体绘制速度的关键问题“体元排序”,并且由此将光线投射和投影成象这两种体绘制方法有效地结合,使得非规则场的体绘制可以快速地获得高质量的图象。 6)数据场与几何形体的混合成象,一直是可视化中的重要研究内容。这方面的工作很多,但都没有彻底解决数据场与几何形体交界处的成象问题,并且没有利用投影成象这种较快的体绘制方法。我们深入分析了交界处的情况,提出一种链表方法,从根本上解决了交界处的成象问题,并结合投影成象方法的使用,使得数据场与几何形体的混合成象可以快速准确地进行。