一种预投影光线投射体绘制的并行处理方法技术

本发明专利技术公开了一种预投影光线投射体绘制的并行处理方法，通过一通用计算机，在体绘制的数据处理过程中包括以下步骤：计算三维体模型的包围盒；将该包围盒向屏幕空间进行投影；存储投影区域的相应坐标；进行体绘制数据的并行处理。本发明专利技术方法由于采用了预投影的处理方式，所有计算节点不再需要等待所有任务计算完成才向主节点传输结果数据，而是在计算完一个任务块以后就立即向主节点发送中间结果数据，并且同时开始下一个任务块的计算；主节点开始被分配较少的任务块，本发明专利技术方法并给出了每个计算节点分配多少任务块的最佳估计，大大减少了数据的处理量，提高了数据处理速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种科学计算可视化处理技术，尤其涉及的是一种体绘制技 术中图像空间预投影的并行处理方法。
技术介绍
现有技术中，以体绘制技术为代表的科学可视化技术可把抽象的数据变 换成易于被人接受和理解的直观形式一一图形，为理解、发现科学计算过 程中的各种现象、规律提供有力的工具。体绘制技术能产生三维数据场的整体图像，能包含数据场的大量细节， 绘制高质量的图像，但它涉及的数据量较多，计算量较大，因而绘制时间 较长，且难以利用传统的图形硬件实现绘制。虽然研究工作者在串行体绘 制算法的优化方面做了很多工作，但是随着应用领域的发展，数据规模急 剧扩大，绘制精度急剧增加，仅仅依靠对串行算法本身的优化已经无法满 足对绘制速度的需求。可视化(Visualization)把抽象的数据变换成易于被人接受和理解的直观 形式——图形。根据侧重面的不同，可视化可以分成三个分支科学可视 化(Scientific Visualization)、凄t据可i见化(Data Visualization)和信息可一见化 (Information Visualization)。科学可视化(Scientific Visualization),又称科学 计算可视化(Visualization in Scientific Computing),指运用计算机图形学和图 象处理技术，将科学计算过程中产生的计算结果转换为图形及图像在屏幕 上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。科学计算可视化是20世纪80年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域，是计算机图形学中的一个重要研究方向。它将数据挖掘、图形生成 技术、图象处理技术和人机交互技术结合在一起，其主要功能是分析和理 解输入到计算机中的多维数据，并将中间过程或分析结果用图形或图象形 象、直观地显示出来，供科研工作者和相关人员观察和使用。科学计算可视化的应用领域十分广泛，几乎涉及一切自然学科和工程领 域，其主要应用领域有医学、分子模型构造、工业无损探伤、考古学、地 质勘探、气象学、计算流体力学和有限元分析等。此外，科学计算可视化还可应用于空间探测、天体物理、数学领域等。以医学领域的数字化虚拟人为例。基于二维的计算机断层扫描(CT)数据、 核磁共振(MRI)数据以及真实人体的切片数据等三维规则数据场，利用人体 结构数字化和科学可视化技术可以重建出一个三维的数字化虚拟人，也就 是将人体结构数字化。通过计算机技术和图像处理技术，在电脑屏幕上显 示一模拟人体，再进一步将人体功能性的研究成果加以数字化，由信息科 学家将其转变为电脑的语言符号，赋加到这个人体形态框架上；经过与虚 拟现实技术的交叉融合，通过操作者的调控，这个"虚拟人"将能模仿真 人做出各种各样的反应。数字化虚拟人将人体结构数字化与可视化，建立起能够用计算机处理的 数学模型，使计算机的定量分析和精确模拟成为可能。随着信息获取和处 理技术的进步、数据采集精度的提高，虚拟人将在越来越广泛的领域内更 加精确地模拟人体的功能和行为，为医学、国防、汽车等多学科研究提供 应用基础。科学计算可视化可以大大加速数据的处理速度，使每时每刻都在产生的 庞大数据得到有效的处理、利用；它可以通过图片、图像表达蕴含在科学 计算数据中的信息，为理解、发现科学计算过程中的各种现象、规律提供 有力工具。总之，科学计算可视化将极大地提高科学计算的速度和质量， 从而使科学研究工作的面貌发生根本性的变化，最终给人们的社会生活带来巨大的便利。以医疗领域为例。在以往的影像医疗诊断中，主要是通过观察一组CT、 MRI的三维切片图像发现病变体，这主要依赖于医务工作者丰富的读片经 验，对图像进行定性分析。利用科学可视化技术可对二维切片图像进行二 维或三维分析及处理，如对人体器官、软组织和病变体的分割提取、三维 重建和二维显示，可以辅助医务工作者对病变体及其它感兴趣的区域进行 定性直至准确的定量分析，从而可以大大提高医疗诊断的准确性和正确性， 最终带来巨大的经济效益和社会效益。科学计算可视化的核心是三维数据场的可视化，对于三维体数据来说，有两类不同的可视化算法面绘制和体绘制。面绘制技术是指首先在三维 数据场中构造出中间几何图元，然后再由传统的计算机图形学技术实现画 面的绘制。面绘制方法有多种算法，各种算法的不同点在于所采用的近似 表面几何单元不同或几何单元尺度选择不同。典型算法有W. E.Lorenson 和H. E. Cline提出的MC方法(Marching Cubes)、 A. Doi提 出的MT方法(Marching Tetrahedral)、 H. E. Cline和W. E. Lorenson 提出的剖分立方体法(Dividing Cubes)等。面绘制技术可以产生比较清晰的 等值面图像，而且可以利用现有的图形硬件实现绘制功能，使图像生成及 变换的速度加快，适用于绘制表面特征分明的组织和器官。但是面绘制技 术对数据分割要求高，且物体内部信息无法保留，不能反映整个原始数据 场的全貌和细节。体绘制技术并不构造中间几何图元，而是直接由三维数据场产生屏幕上 的二维图像，也称为直接体绘制。体绘制技术是近年来得以迅速发展的一 种三维数据场可视化方法。相对于足迹算法、体元投影算法等其他体绘制 算法而言，光线投射体绘制算法能绘制出具有更高质量、体现更多内部细 节的图像，是最基本、最常用的体绘制算法。由于光线投射体绘制算法需要对屏幕上的每一个像素进行光线投射和颜色计算，而且，当观察方向发生变化时，数据场中的釆样点之间的前后 关系也发生变化，这样就要对所有像素进行重新绘制，因此计算量极为庞 大且造成了大量的不规则访问，最终导致光线投射体绘制算法的绘制速度 达不到应用的要求。为了解决计算速度的问题，人们提出了各种的改进方法或加速算法，如 可以略过三维图像空区域的空间跳跃算法、累积透明度接近于数值时终止光线投射的射线提前终止法等。基于集群的光线投射并行绘制算法也从90 年代开始发展。下面将根据时间次序，对光线投射体绘制中的改进和加速 技术以及基于集群的光线投射体并行体绘制算法进行介绍。 1、光线投射体绘制加速技术M. Levoy第一个提出了光线投射(Levoy称其为"光线跟踪，，)体绘制 算法。首先，对体数据进行适当的预处理，例如去噪、重采样等；然后， 利用查找表来确定体素的不透明度值，同时利用Phong光照模型来确定体 素的颜色值；接着，沿着投射光线均匀采样、对采样点三次线性插值；最 后，用从后向前的方法合成颜色值和不透明度值，形成最后的图像。为了 提高图像的质量，Levoy采用了过采样的方法一一在原始数据点之间插入更 多的中间点。这种方法能够减少走样，提高图像质量，但是会增加计算的 开销。M. Levoy提出由前向后的图像合成方法。在这种新方法中，不透明值 必然逐步增大。当不透明值趋近于1时(例如Levoy选择不透明值0.95作 为光线终止的条件)，说明该像素点的图像已经接近于完全不透明，后面的 体元不会再对该像素点的图像有所贡献，因而可以不再计算了。因此，由 前向后的图象合成方法可以省去部分颜色计算，使速度加快。M. Levoy采用八叉树方法组织体数据中的物体体元。体数据被递归均 匀子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预投影光线投射体绘制的并行处理方法，通过至少一通用计算机，在体绘制的数据处理过程中包括以下步骤：Ａ、计算三维体模型的包围盒；Ｂ、将该包围盒向屏幕空间进行投影；Ｃ、存储投影区域的相应坐标；Ｄ、进行体绘制数据的并行处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄波，刘思源，郑倩，姜志阳，文高进，冯圣中，樊建平，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]