一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法及系统技术方案

技术编号:21605731 阅读:33 留言:0更新日期:2019-07-13 18:17
本发明专利技术提供一种基于稀疏划分‑区域树的等值面加速提取方法及系统,包括以下步骤:获取三维标量数据场的数据并将其整合得到立方体空间F;对立方体空间F进行稀疏划分得到稀疏空间F1;利用区域树算法查找出稀疏空间F1中的活跃立方体a1,定位每个活跃立方体a1的活跃边;根据稀疏空间F1中的活跃立方体a1的活跃边确定立方体空间F中的活跃立方体a,并将活跃立方体a1中活跃边的信息复制给活跃立方体a,随后提取活跃立方体a的三角面片;整合活跃立方体a中的三角面片,完成等值面提取。不仅避免了原有区域树算法的空间复杂度,进而能够应用在更大规模的数据集上,还能在减少等值面提取的时间消耗。本发明专利技术应用于等值面提取领域。

An Accelerated Isosurface Extraction Method and System Based on Sparse Partition-Region Tree

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法及系统
本专利技术涉及等值面提取领域,尤其涉及一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法及系统。
技术介绍
可视化,原意为将真实世界中不可被表达或抽象的概念、数据或结构等,转化人类可以观察的或可以辨认的图像、图形等。可视化的应用在人类生活中由来已久,并对科学技术的发展起到了深远的影响。早在一百多年,许多科学工作者在对试验和观测得到的数据进行分析时,就使用了以统计图、表格为代表的原始可视化技术,以便对纷繁复杂的数据信息进行归纳、整理和总结。为解决数据规模过大以至于无法全部存储在内存中的问题,一些研究者提出了核外技术用以解决这类问题。核外技术将可视化所用到的数据存放在内存之外的磁盘等大容量设备上,等到需要数据时磁盘再相应请求传送数据。核外技术在一定程度上缓解了数据量过大的问题,但磁盘传输数据的速度远远小于CPU从内存中读取数据。此外,等到CPU发送请求时再传送数据的方式,使得在整个提取时间上额外增加了从磁盘传送数据到CPU时间,且这部分时间消耗较大,增加了整个提取过程的时间消耗。而且核外技术的效率依赖于元单元的划分,若元单元的划分策略不够明智,会造成提取过程时间复杂度的增加。除了核外技术,并行可视化也可以在一定程度上解决数据规模对于可视化应用的限制。并行可视化将规模过大的数据划分到各个节点,每个节点包含适当规模的数据进行等值面提取,从而规避了海量数据的问题。并行可视化同样依赖于数据划分,适当的数据划分可以减少节点之间的通信开销,避免在等值面提取过程中引入新的时间消耗,增加时间复杂度。与核外技术类似,并行可视化会引入新的时间消耗。当节点之间需要进行数据交换时,节点之间的通信开销将会使整体的提取时间增大。此外,节点间的负载均衡也是影响并行可视化效果的因素之一。相互独立的任务之间往往存在着较大的负载差异,很难做到良好的负载均衡。对于使用并行可视化的方法来提取等值面,在每个节点提取面片之后需要统一拼合成一个完整的等值面,而最后的子结果整合过程会严重限制算法的可拓展性,不利于算法的进一步优化。
技术实现思路
针对现有技术中的不足,本专利技术的目的是提供一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法及系统,不仅避免了原有区域树算法的空间复杂度,进而能够应用在更大规模的数据集上,还能在减少等值面提取的时间消耗。为了实现上述专利技术目的,本专利技术提供一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法,如图1所示,其采用的技术方案是:一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法,包括以下步骤:S1、获取三维标量数据场的数据并将其整合得到立方体空间F,每八个三维标量数据场的数据点组成一个立方体单体,若干个立方体单体组成立方体空间F,所述立方体空间F中相邻的两个立方体单体共用四个三维标量数据场的数据点。具体的,在众多领域中的各类自然现象,如等温面、等压面等的三维标量数据场都是以连续的形式被用以探究分析的,但在实际研究中,为了便于分析数据的采集与处理往往采用离散的方法。离散的数据其蕴含的信息依赖于数据采集的分辨率,蕴含的信息越充分,所能刻画的自然现象和物理规律也就越准确。因此本专利技术将三维标量数据场的数据切片并整合成多个立方体,如图2所示,需要进行等值面提取的三维数据场是一个3*2*2的离散数据场,整个数据共包含了12个数据点。将这些离散的数据点每8个组成一个立方体,则整个数据场的12个数据点可以组成两个立方体。通过对划分得到的立方体进行判定,确定每一个组成立方体的顶点与提取值的大小关系。每个立方体的8个顶点与提取值的关系有且只有大于等于提取值和小于提取值两种,则若某个顶点与提取值的大小关系与其他顶点不同,则该立方体必然与等值面相交,其中包含了组成等值面的一部分面片。利用立方体的形式来提取等值面,逻辑简单,易于实现。S2、对立方体空间F进行稀疏划分得到稀疏空间F1,即对立方体空间F进行间隔采样得到稀疏空间F1,间隔采用的具体形式为:参考图3展示了一个稀疏划分的示例图,一个5*4*4的三维标量数据场被整合成图中的4*3*3的立方体单体集合。在一般的算法中,需要将左侧的4*3*3共36个立方体均用数据结构组织起来,但是考虑到相邻的立方体之间存在信息共享,本专利技术采用稀疏化的间隔划分,只对图中右侧的18个立方体进行建树等构件数据结构的操作,则原有的空间复杂度可有效地被减少。图3中左侧的图像即为立方体空间F,图3中右侧的图像即为稀疏空间F1。S3、利用区域树算法查找出稀疏空间F1中的活跃立方体a1,定位每个活跃立方体a1的活跃边,其中,利用区域树算法查找出稀疏空间F1中的活跃立方体a1具体包括:S31、将稀疏空间F1中每一个立方体单体转换为(x1i,y1i),其中x1i表示第i个立方体单体顶点值的最小值,y1i表示第i个立方体单体顶点值的最大值,i=1,2,3···;S32、以{(x1i,y1i)︳i=1,2,3···}建立二维区域树;S33、根据等值面提取条件在二维区域树中查询出落在提取条件中x维度中的点;S34、在步骤S33中的查询结果中查询出落在提取条件中y维度中的点,即为稀疏空间F1中的活跃立方体a1。S4、根据稀疏空间F1中的活跃立方体a1的活跃边确定立方体空间F中的活跃立方体a,并将活跃立方体a1中活跃边的信息复制给活跃立方体a,随后提取活跃立方体a的三角面片,其中,根据稀疏空间F1中的活跃立方体a1的活跃边确定立方体空间F中的活跃立方体a具有方向性,具体解释为:参考图4,其中的4条内侧的边实际是一条边,该边在图4中被互相邻近的四个立方体所共享。若已知立方体1号为一个活跃立方体,且其中的位于内侧的边为活跃边,则共享该活跃边的其余3个立方体无需查找,即为活跃的。在步骤S2的稀疏划分中,图4中所示的四个立方体将有两个被纳入数据结构的组织中,假设数据结构组织的是立方体1号和立方体3号,若图4中的内侧边为活跃边,则对稀疏化后的立方体空间进行活跃立方体查找后得到的活跃立方体集合包括立方体1号和3号。通过活跃立方体1号,可以利用边的共享性直接判定立方体2至4号为活跃立方体。同样的,通过活跃立方体3号,可以直接判定立方体1号、2号和4号为活跃立方体。在上述的判定过程中,同样的立方体被不同的稀疏空间中的活跃立方体所确定,造成了重复确定,导致了计算资源的浪费,为此本专利技术规定相邻活跃立方体的判定具有方向性。以图4为例,规定相邻立方体的判定只在x方向上进行,即若立方体1号和3号均为活跃立方体,活跃边为图中的内侧边,则通过活跃立方体1号只直接判定与其同在x方向上的立方体2号为活跃立方体。同样的,活跃立方体3号只直接判定与其同在x方向上的立方体4号为活跃立方体。通过规定这种直接判定的方向,避免了同一个立方体被多个稀疏空间中的活跃立方体判定,造成资源的浪费。稀疏空间F1中的活跃立方体a的活跃边在立方体空间F中的关系为:式中,(x,y,z)为立方体空间F中的坐标,(x1,y1,z1)为稀疏空间F1中的坐标。S5、整合活跃立方体a中的三角面片,完成等值面提取。为了实现上述专利技术目的,本专利技术还提供一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取系统,其采用的技术方案是:一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取系统,包括存储器和处理器,所述本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于稀疏划分‑区域树的等值面加速提取方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、获取三维标量数据场的数据并将其整合得到立方体空间F;S2、对立方体空间F进行稀疏划分得到稀疏空间F1;S3、利用区域树算法查找出稀疏空间F1中的活跃立方体a1,定位每个活跃立方体a1的活跃边;S4、根据稀疏空间F1中的活跃立方体a1的活跃边确定立方体空间F中的活跃立方体a,并将活跃立方体a1中活跃边的信息复制给活跃立方体a,随后提取活跃立方体a的三角面片;S5、整合活跃立方体a中的三角面片,完成等值面提取。

【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、获取三维标量数据场的数据并将其整合得到立方体空间F;S2、对立方体空间F进行稀疏划分得到稀疏空间F1;S3、利用区域树算法查找出稀疏空间F1中的活跃立方体a1,定位每个活跃立方体a1的活跃边;S4、根据稀疏空间F1中的活跃立方体a1的活跃边确定立方体空间F中的活跃立方体a,并将活跃立方体a1中活跃边的信息复制给活跃立方体a,随后提取活跃立方体a的三角面片;S5、整合活跃立方体a中的三角面片,完成等值面提取。2.根据权利要求1所述基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法,其特征在于,步骤S1中,每八个三维标量数据场的数据点组成一个立方体单体,若干个立方体单体组成立方体空间F,所述立方体空间F中相邻的两个立方体单体共用四个三维标量数据场的数据点。3.根据权利要求2所述基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法,其特征在于,步骤S2中,所述对立方体空间F进行稀疏划分得到稀疏空间F1具体为:对立方体空间F进行间隔采样得到稀疏空间F1。4.根据权利要求1或2或3所述基于稀疏划分-区域树的等值面加速提取方法,其特征在于,步骤S3中所述利用区域树算法查找出稀疏空间F1中的活跃...

【专利技术属性】
技术研发人员:王文珂张伟朱小谦邹丹吴亚刚陆丽娜甘新标夏飞
申请(专利权)人:中国人民解放军国防科技大学
类型:发明
国别省市:湖南,43

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