大规模三维数据集的表示方法技术

本发明专利技术公开了一种大规模三维数据集的表示方法，即：将三维体数据空间区域划分成大小固定的规则子块，该规则子块为边长为ｎ的正方体，其中ｎ为２的自然数次幂；将规则子块按Ｚ、Ｘ、Ｙ方向依次递增排列、编号；将表示规则子块体内各种形态元素的数据按三维数组的形式存储在相应的规则子块体文件内；按照三维体数据场信息、依编号顺序排列的规则子块体文件组成三维体体数据文件。本发明专利技术提出的一种大规模三维数据集的表示方法，支持各种领域，任意规模的三维海量数据的处理，具有通用性和广泛性；结构，简单、灵活、存取方便且速度很快，具有高效性；支持各种空间几何形态在模型中的映射，具有可映射性；支持各类型三维数据集向此类型的转化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种表示大规模三维数据集的方法，该方法表示的大规模三维数据集排列有序、规范，支持高效存取和访问，支持多种几何形态的映射。
技术介绍
近年来，体元图形学技术已成为计算机图形学和科学计算可视化的研究热点；它不仅被普遍地应用于医学成像，流体动力学模拟，而且还用于机械零件的表示和零件加工的模拟。体元图形学技术是以体元为核心描述三维形体的技术，其研究内容包括数据的输入，存储，构造，建模，分析，处理，显示和空间对象的动画；其中，基于体元的几何模型表示方法是研究的难点之一。体元是构成三维形体的单位，通常用来描述大规模三维数据集，其数据表示通常考虑3个因素●紧凑排列因为体元模型数据的三维数据集，其规模一般都比较大，常常一个数据集就有几个GB，所以应该尽量选取紧凑的数据格式以节省计算机的存储空间；●高效访问数据的表达一定要便于在计算时进行数据的检索，并尽量减少访问数据带来的时间消耗；●简洁映射一方面，数据的表示方法应能使其方便地映射为面元图形元素，只有这样才能保证数据快速、交互地输出到显示设备上；另一方面，还应该考虑各类型数据表示方法易于转化为这种表示方法，否则转化数据的预处理过程会很复杂。目前，现有的通过体元描述三维形体表示大规模三维数据集的方法主要有三种，分别是使用六面体、四面体、三棱柱作为体元表示●六面体体元这是最简单，也是最常用的体元表示法，医学图像中使用的都是这种结构，在机械CAD中也大都使用的这种结构。体元是通过空间中相邻的八个点定义的。其存储结构采用的是顺序存储结构，也就是将空间的数据按照一个大数组进行存储。这样做的好处是，体空间中点的相邻关系很好定义。缺点是在空间密度很大的时候，需要的系统开销和很大，并且效率很低。●四面体体元四面体体元表示法，是平面离散点三角化的三维实现。而针对的对象已经不是二维中平面，也不是三维中的曲面，而是三维中的实体。二维中三角形是最小的区域表示单位，在三维空间中，四面体是最小的实体单位。所以四面体体元在空间形态的表示上具有很大的灵活性，其可塑性很强。但是四面体体元也有缺点。在存储方面，因为它要表示空间中点的相邻关系，四面体体元的存储是按点或者是四面体的构造进行存储的。在点集很大，很密集的情况下，四面体体元表示法，所带来的额外存储比六面体体元表示法还要多。在数据的操作方面，比如找到两个点之间的联系关系，四面体表示方法的搜索范围会变得很大，删除一个点的数据，就需要重新构造相应一部分的四面体体元。●三棱柱体元是四面体体元的一个变形，但是如果其某个方向上按坐标轴方向进行划分的，则也可以看作是六面体体元的一次分解。如果在六面体体元的构造中使用空间点的六邻接域作为其邻接域，而其他两个方向上的距离间隔取为非均匀的，内容上就与三棱柱表示方法相同了。在三维地质建模的研究中已经有尝试使用三棱柱表示法表示三维地质属性体了。综上所述，六面体体元在空间中点的相邻关系很好定义，但在空间密度很大的时候，需要的系统开销很大，并且效率很低；四面体体元信息表达方便，易于管理，便于存储，体元之间关系明确，但在点集数据量大，很密集的情况下，其带来的额外存储比六面体体元要多；三棱柱体元基于四面体和六面体之间，但应用较少。随着计算机硬件技术的不断发展，外存空间(紧凑排列)已不再成为问题；而高效访问和简洁映射性成为首要考虑的因素。特别是针对大规模三维数据集，减少数据访问时间，方便快速地映射各种几何形态，有效控制额外存储空间成为技术的难点和趋势所在。
技术实现思路
鉴于上述原因，本专利技术的主要目的是提供一种表示大规模三维数据集的方法，该方法表示的大规模三维数据集排列有序、规范，支持高效存取和访问，支持多种几何形态的映射。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案一种，其特征在于它包括以下步骤第一步将三维体数据空间区域划分成大小固定的规则子块，该规则子块为边长为n的正方体，其中n为2的自然数次幂；第二步将规则子块按Z、X、Y方向依次递增排列、编号；第三步将表示规则子块体内各种形态元素的数据按三维数组的形式存储在相应的规则子块体文件内； 第四步将三维体数据场信息、依编号顺序排列的各规则子块体文件组成表示大规模三维数据集的三维体体数据文件。本专利技术提出的一种，与其它表示方法相比，具有以下特点1、理论上支持各种领域，任意规模的三维海量数据的处理，具有通用性和广泛性；2、基于规则子块的结构，简单、灵活、存取方便且速度很快，具有高效性；3、支持各种空间几何形态在模型中的映射，具有可映射性；支持各类型三维数据集向此类型的转化；4、规则子块之间在空间上拓扑关系具有连续性，规则子块包含的数据之间具有独立性；5、模型内具有可分解性、可组合性，模型间具有可合并性；针对模型的处理具有并行性。附图说明图1为本专利技术三维数据场的规则子块数据组织结构示意2为本专利技术基于规则子块结构的体数据文件存储方式示意3为本专利技术对于规则子块的体数据文件读取速度实验示意4为本专利技术对于规则子块的冗余率实验示意5为本专利技术三维数据场模型的任意分界与合并示意6为本专利技术三维数据场模型的任意重新组合示意7为本专利技术三维数据场模型内部规则子块状态表示和数据局部显示示意8为本专利技术抽象逻辑数据层表示结构示意9为本专利技术SEG-Y文件数据格式示意10为本专利技术从SEG-Y文件格式到规则子块结构的转化过程示意11为本专利技术基于点的转化方法示意12为本专利技术基于平面的转化方法示意13为本专利技术基于规则子块的转化方法示意14为本专利技术各种转换算法的转化时间对比示意图具体实施方式由于需要表示的对象是描述三维形体的大规模三维数据集，因而，首先需要有效地刻画三维体数据空间，故，如图1所示，本专利技术公开的是1、将三维体数据空间区域划分成大小固定的规则子块，该规则子块为边长为n的正方体，其中n为2的自然数次幂；2、将规则子块按Z、X、Y方向依次递增排列、编号；3、将表示规则子块体内不同形态元素的数据按三维数组的形式存储在相应的规则子块体文件内；4、将三维体数据场信息、依编号顺序排列的各规则子块体文件组成表示大规模三维数据集的三维体体数据文件。如图1所示，本专利技术用一个个排列有序、规则的子块体表示三维数据空间；同时，将数据空间中的数据存储在相应的规则子块体内，这样规则子块体不仅仅是表示三维形体的最小单位，同时，也是进行数据存取、访问的最小单位。本方法定义这种表示结构为三维数据场的规则子块数据组织结构，称体数据表示的空间为体空间，以区别大地坐标中的空间概念。根据上面的设计，基于规则子块结构的体数据文件，其存储方式如图2所示，按照规则子块的编号顺序依次存储。由于在定义的表示结构中需要刻画多种形态的元素，因而，结合图2表示的体数据文件的存储方式，三维体数据场中相关元素的定义和映射关系(文件中的数据和元素之间)为▲空间中的一个点首先建立与体空间的映射关系，再寻找到对应的规则子块，在规则子块中用的相对坐标表示空间中一个点的位置。设一个点的空间坐标为P(x，y，z)，则对应数据的映射关系的公式(其中“/”表示取整，“％”表示取余；n为规则子块边长；X、Y、Z三个方向的规则子块体数目分别为a，b，c；sizeof(p)表示P点的数据类型所占存储字节的大小)为■先定位点所在的子块的空间位置(x/n，y/n，z/n)，得到该子块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大规模三维数据集的表示方法，其特征在于：它包括以下步骤：第一步：将三维体数据空间区域划分成大小固定的规则子块，该规则子块为边长为ｎ的正方体，其中ｎ为２的自然数次幂；第二步：将规则子块按Ｚ、Ｘ、Ｙ方向依次递增排列、编号；　 　第三步：将表示规则子块体内各种形态元素的数据按三维数组的形式存储在相应的规则子块体文件内；第四步：将三维体数据场信息、依编号顺序排列的各规则子块体文件组成表示大规模三维数据集的三维体体数据文件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马殿富，朱岩，赵永望，潘志华，胡春阳，刘旭东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]