（计算机软件与理论专业论文）空间数据集可视化绘制的关键方法与技术研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 空间数据集可视化是当前计算机图形学领域的热门研究课题，它通过分析、抽 象和处理表示各种物体和场景的海量数据，实现了在计算机中真实模拟现实世界的 目的，因此在医学、地球科学、天文物理、化学、机械工程等许多方面有广阔的应 用前景。 它是将某个物体的几何模型转变成我们视觉上清晰直观图像供进一步研 究、分析，图像的绘制质量将直接影响工程技术人员对原始数据的理解，因此对可 视化图形绘制的研究具有突出的现实意义。空间数据可视化绘制的主要研究内容包 括光照模型、纹理技术和图形生成等。 光照模型是最常用的绘制技术之一。经典的基于物理的反射模型在象素级都是 一个表面几何的函数，且表示成光照明的模式，但是它不能反映随着视点的变化而 产生的反射特征的变化。一种基于几何的分辨率反射模型适用于表示不同级别的反 射影象， 但是这种量化由 分辨率来确定的并被记录在多分辨率m i p m a p s 中，为此一 种多分辨率反射技术可以用来有效记录这些基于分布的参数。该技术使用基于几何 的反射函数来表示，并且通过显示硬件的支持来实现实时绘制比较好的反射细节。 纹理映射和调度是可视化绘制研究的一个重要内容。以前的自动纹理映射算法 存在效率低或只能基于模型特征点的约束等缺点。因此针对平面网格，可以将特征 点的约束推广到基于特征曲线的约束就产生了一种新的纹理映射算法。该算法首先 对每一个由待求顶点和特征曲线面上由两个构成的三角形使用共形映射计算出一个 可能的纹理映射，然后使用高斯正态分布概率密度来对这些可能的纹理映射进行加 权平均得到最后的结果。另外针对地形可视化中纹理映射和调度进行了改进:首先 为了 使得地形块边界处的纹理实现无缝连接，在数据的初始化阶段提出了一种基于 重复采样的实现分块纹理无缝拼接的纹理映射算法;然后定义了纹理误差，给出了 详细的数学表达式，并证明了 它具有良 好的性质;在此基础上综合考虑了地形纹理 的屏幕投影大小和位置，给出了一个确定纹理分辨率的算法;最后提出了一种预估 计的算法来控制纹理释放的调度，该算法预先调度出可能不可见的纹理块以减少内 外存的数据交换。实验比较结果表明该调度算法不仅速度快而且画面质量好。 模型简化是图形生成的研究重点。模型简化是图形生成的研究重点。一种新的 一-电 - ， - - - - 白 ， 一 ， i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 度量简化误差的算法对以前的误差度量算法进行了改进，使用 。 一 误差来度量那些在 边收缩过程中顶点发生了移动的三角形面的误差，使用 d 一 误差来度量那些在边收缩 过程中退化的面产生的误差。这种将两种误差同时考虑得新的误差度量算法可以得 到更高得效率和图像质量。另外，在这种误差度量的基础上提出了一种基于自适应 空间刨分的模型简化算法。该算法的思路是对模型中的所有的顶点进行量化赋予一 个二次误差阵，并将它们视为一个簇，沿坐标轴方向 将它们刨分成八个子簇并不断 迭代刨分生成新的子簇直至达到指定的精度，将最终的离散点集用适当的算法重新 进行三角化得到简化模型。根据上一个算法中的自 适应空间刨分思想又可以得到一 个与视点相关又无须对原来的复杂模型进行预处理的简化算法，即每次绘制都根据 视点位置，视方向和模型每部分产生的误差，对影响视觉效果大的部分进行自 适应 空间刨分从而逐步产生可显示的模型。 在许多实际应用中需要保持模型的拓扑连通性，但以前的算法不可避免的会损 失模型的连通信息。基于拓扑连通保持的外存模型简化算法是一种适用于任意大型 和复杂物体的模型简化算法。它不仅能实现产生很简单的近似模型，而且还快速地 保持了拓扑连通性。首先，算法根据自 适应的栅格分辨率使用外存一致聚类的得到 一些簇和误差矩阵，然后使用八叉树空间剖分和一种新的拓扑连通检查算法来保持 其拓扑连通性，接着根据得到的簇集使用顶点聚类的算法将物体简化到中等规模的 简化模型，最后用面收缩的内 存简化算法法得到最终简化模型。通过误差传递结合 连续的几个步骤， 新算法与以 前的外存简化模型算法相比， 可以 保留更多的 物体原 有的拓扑连通信息。该算法被证明是正确的，同时实验结果也表明简化后模型的质 量也优于其它己有的外存简化算法。 关键词:空间数据集;可视化绘制;光照模型;纹理映射; 纹理调度;模型简化 一叫 一叫 -一一-一一 1 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t v i s u a l i z a t i o n f o r s p a t i a l d a t a s e t h a s r e c e i v e d i n c r e a s i n g a t t e n t i o n a n d h a s r e a c h e d a g r e a t a c h i e v e m e n t i n t h e f i e l d o f m e d i c i n e , g e o s c i e n c e , a s t r o n o m y , c h e m i s t r y , m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g e t a l . i t i s r e l e a s e a l a r g e n u m b e r o f e n g i n e e r a n d t e c h n o l o g i s t fr o m l a r g e s c a l e a n d f u s s y d a t a . r e n d e r i n g t e c h n iq u e f o r v i s u a l i z a t i o n i s a f u n d a me n t a l t o o l b y w h i c h t h e s p a t i a l d a t a s e t a r e o u t p u t t e d a n d t r a n s f o r m e d i n t o m e a n i n g f u l v i s u a l i m a g e s . t h e r e n d e r i n g q u a l i t y i s p r o m i s i n g f o r r e c o g n i t i o n o f o r i g i n a l d a t a t o e n g i n e e r a n d t e c h n o l o g i s t . b e s i d e s , t h e a p p l i c a t i o n o f g r a p h i c s r e n d e r i n g f o r v i s u a li z a t i o n i s v e ry w i d e a n d s p r e a d s m o s t f i e l d o f i n d u s t ry a n d s o c i e t y . i t i s f o r e s e e a b l e t h a t t h i s t e c h n i q u e w i l l b e m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t i n t h e f u t u r e . v i s u a l i z a t i o n f o r r e n d e r i n g r e s e a r c h c o v e r s i l l u m i n a t i o n m o d e l , t e x t u r e t e c h n i q u e a n d g r a p h i c s g e n e r a t i o n . i l l u m i n a t i o n m o d e l i s o n e o f t h e c o m m o n e s t r e n d e r i n g t e c h n i q u e s . p h y s i c a l l y - b a s e d r e fl e c t a n c e m o d e l s t y p i c a l l y r e p r e s e n t l i g h t s c a t t e r i n g a s a f u n c t i o n o f s u r f a c e g e o m e t r y a t t h e p i x e l l e v e l . wi t h c h a n g e s in v i e w i n g r e s o l u t i o n , t h e g e o m e t ry i m a g e d w i t h i n a p i x e l c a n u n d e r g o s i g n i f i c a n t v a r i a t i o n s t h a t c a n r e s u l t i n c h a n g i n g r e fl e c t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . t o a d d r e s s t h e s e t r a n s f o r m a t i o n s , w e p r e s e n t a m u l t i r e s o l u t i o n r e fl e c t a n c e fr a m e w o r k b a s e d o n g e o m e t r i c d e s c r i p t o r s a p p r o p r i a t e f o r r e p r e s e n t i n g r e fl e c t a n c e e ff e c t s o v e r d i ff e r e n t s c a l e s . s i n c e t h e s e q u a n t i t i e s m u s t b e e f f i c i e n t l y d e t e r m i n e d w i t h r e s p e c t t o r e s o lu t i o n , t h e y a r e r e c o r d e d a t m u l t i p l e r e s o l u t i o n l e v e l s in m i p m a p s , f o r w h i c h w e p r e s e n t a t e c h n i q u e f o r e f f i c i e n t fi l t e r i n g o f t h e s e d i s t r i b u t i o n - b as e d p a r a m e t e r s . t h i s fr a m e w o r k c a n b e u s e d w i t h c o m m o n g e o m e t r y - b a s e d r e fl e c t a n c e f u n c t i o n s , a n d c a n b e i m p l e m e n t e d i n g r a p h i c s h a r d w a r e f o r r e a l - t ime p r o c e s s i n g . wi t h t h i s m u l t i r e s o l u t i o n r e fl e c t a n c e t e c h n i q u e , o u r s y s t e m c a n r a p i d ly r e n d e r t h e f i n e r e fl e c t a n c e d e t a i l t h a t i s c u s t o m a r i l y d i s r e g a r d e d i n m u lt i r e s o l u t i o n r e n d e r i n g m e t h o d s . t e x t u r e m a p p i n g a n d c a c h i n g i s p la y i n g a k e y r o l e i n m a n y s t u d y f o r v i s u a l i z a t i o n . mo s t p r e v i o u s a u t o m a t i c t e x t u r e m a p p i n g a l g o r i t h m s h a v e s u ff e r e d fr o m b e e n t o o s l o w l y o r c o u l d o n ly u s e a l i m i t s e t o f f e a t u r e p o i n t s o f t h e m o d e l . we i n t r o d u c e i n t h i s p a p e r a ， - - - - - i i i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 n e w c o n s t r a i n e d - b a s e d m e t h o d f o r a u t o m a t i c t e x t u r e m a p p i n g t h a t d e a l w i t h t h e s e p r o b l e m s f o r p l a n a r m e s h e s . o u r c r i t i c a l i m p r o v e m e n t s i n c l u d e g e n e r a l i z i n g f e a t u r e p o i n t t o f e a t u r e c u r v e t o f i t s o m e a p p l i c a t i o n a n d a l s o s i m p l i f i e d c o m p u t a t i o n t h r o u g h e f f i c i e n t w e i g h t e d o f t e x t u r e m a p p i n g . w e g e n e r a l iz e b y p a r a m e t e r i z i n g e a c h v e rt e x a t t w o p a s s e s . f i r s t l y w e c o m p u t e a l l t h e p o s s i b l e m a p p i n g a l o n g t h e f e a t u r e c u r v e c o n s e c u t i v e l y w h e r e e v e r y t r i a n g l e t h a t c o n s i s t s o f t h e c o m p u t e d v e r t e x a n d t w o p o i n t s i n t h e c u r v e c a n b e d e d u c e d a c o n f o r m a l m a p p i n g r e s u l t w i t h m i n i m u m d e f o r m a t i o n s . t h e n w e c o m b i n e a l l t h e p o s s i b l e m 即p i n g u s i n g n o r m a l i z a t i o n d i s t r ib u t i o n t o g e t th e f i n a l o n e . o u r r e s u l t s s h o w t h a t th i s t e x t u r e m a p p i n g a l g o r i t h m m a k e s a g r e a t m a p p i n g f o r t h e p l a n a r m e s h e s . b e s i d e s , t h i s p a p e r p r o p o s e s a s y s t e m t h a t i m p r o v e s t h e t e x t u r i n g t e c h n i q u e f o r la r g e s c a l e t e r r a i n v i s u a l i z a t i o n . a t e x t u r e m a p p i n g m e t h o d b a s e d o n o v e r l a p s a m p l i n g i s p r e s e n t e d f o r t i l i n g t e x t u r e s w i t h o u t s e a m s d u r i n g i n i t i a l i z a t i o n p h a s e . a n d t h e n t h i s p a p e r d e f i n e s a t e x tu r e e r r o r , p r e s e n t s i t s d e t a i l m a t h e x p r e s s i o n a n d p r o v e s t h a t i t h a s v e r y g o o d c h a r a c t e r . a n a l g o r i t h m b a s e d o n t h e t e x t u r e e r r o r p r o p o s e d t o c o n f i r m t e x t u r e r e s o l u t i o n c o n s i d e r s n o t o n l y s c r e e n p r o j e c t i o n b u t a l s o p o s it i o n . f i n a l l y a d v a n c e d e s t i m a t e m e t h o d c a n c o n tr o l s c h e d u l e f o r t e x t u r e r e l e a s e t h a t u n l o a d p o s s i b l e i n v i s i b l e t e x t u r e p a t c h e s t o i n d u c e d a t a c o m m u t e o f m a i n a n d s e c o n d m e m o ry . t h e e x p e r i m e n t s s h o w t h a t r e s u l t h a s h i g h q u a l i t y w i t h h i g h s p e e d m o d e l s i m p l i f i c a t i o n i s a n i m p o rt a n t t o o l f o r g r a p h i c s g e n e r a t i o n . a t fi r s t , g i v e n t h e f r a m e w o r k o f i n c r e m e n t a l m e s h s i m p l i f i c a t i o n b a s e d o n e d g e c o ll a p s e , t h e p a p e r p r o p o s e s a m e s h s im p l i f i c a t i o n a l g o r i t h m u s i n g a n i m p r o v e d a p p r o a c h f o r m e a s u r i n g s i m p l i f i c a t i o n e r r o r . t h e a lg o r i t h m u s e s e d g e c o l l a p s e t o s i m p l i f y t h e t r i a n g l e m e s h a n d m a in t a i n s s u r f a c e e r r o r a p p r o x i m a t i o n s u s i n g c - e r r o r f o r t h e f a c e s w h i c h h a v e c h a n g e d a ft e r e d g e c o l l a p s e a n d d - e r r o r f o r t h e f a c e s w h i c h b e c o m e d e g e n e r a t e d a ft e r e d g e c o l l a p s e . a n a l g o r i t h m f o r m e s h s i m p l i f i c a t i o n b a s e d o n a d a p t iv e s p a t i a l p a r t i t i o n i s t h e n p r e s e n t e d in t h i s p a p e r . t h e s p a t i a l c u b e o f m o d e l b o u n d i n g b o x i s d i v id e d i n t h e m i d d l e o f b o u n d i n g b o x . a l l t h e v e rt i c e s i n a c u b e i s a c l u s t e r a n d t h e n t h e a p p r o x i m a t i o n e r r o r i s c o m p u t e d i n e a c h o f t h e s e c l u s t e r s . p a rt i t i o n t h e c l u s t e r b a s e d o n t h e a p p r o x i m a t i o n e r r o r u s i n g o c t r e e i v 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a n d i t e r a t e s t h e p r o c e s s u n t i l a l l t h e a p p r o x i ma t i o n e r r o r i s l e s s t h a n a t h r e s h o l d . t h e a p p r o x i m a t i o n o f o r i g i n a l m o d e l i s g e n e r a t e d u s in g r e - t r i a n g u l a t e t h e f i n a l p o i n t s e t . a n a l g o r i t h m f o r m e s h s i m p li f i c a t i o n b o t h v i e w - d e p e n d e n t a n d w i t h o u t p r e p r o c e s s i n g f o r o r i g in a l c o m p l e x m o d e l i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r a n d b a s e d o n t h e r e f i n e m e n t m e t h o d . b e f o r e r e n d e r i n g a t e a c h f r a m e , i t b e g i n w i t h c o a r s e s t m o d e l a n d s u b d i v i s i o n p a t c h e s w h i c h a r e m o r e a f fl u e n c e w i t h v i s i o n e ff e c t b a s e d o n t h e v i e w p o i n t , v i e w d i r e c t io n a n d a p p r o x im a t i o n e r r o r i n e a c h p a t c h . we f i n a l l y p r o p o s e d a n e w m e t h o d o f o u t - o f - c o r e me s h s i m p li f i c a t i o n b a s e d o n t o p o l o g i c a l c o n n e c t i o n p r e s e r v a t i o n f o r l a r g e a n d c o m p l e x m o d e l s . i t n o t o n l y p r o d u c e s a m o d e l w i t h l o w - p o l y g o n - c o u n t a p p r o x i m a t i o n ， b u t a l s o p r e s e r v e s i t s t o p o l o g i c a l c o n n e c t i o n w i t h h i g h s p e e d . f ir s t l y , w e u s e t h e o u t - o f - c o r e u n i f o r m c lu s t e r i n g w i t h a d a p t iv e g r i d r e s o l u t i o n t o g e t a s e t o f c l u s t e r s a n d q u a d r i c s . t h e n o c t r e e - b as e d s p a t i a l p a rt i t i o n t e c h n iq u e a n d a n e w t o p o l o g i c a l c o n n e c t i o n c h e c k m e t h o d i s a p p l i e d t o p r e s e r v e t h e to p o l o g i c a l c o n n e c t i o n . f u r th e r m o r e , w e s i m p l i f y a m o d e l w i t h v e r t e x c l u s t e r i n g t o p r o d u c e a n i n t e r m e d i a t e a p p r o x i m a t i o n . f i n a l l y , a n i n - c o r e i t e r a t i v e f a c e c o n t r a c t i o n s i m p l i f i e s t h e i n t e r m e d i a t e a p p r o x i m a t i o n . t h i s a l g o r i t h m a l s o c o u p l e s s u c c e s s i v e p h a s e s b y p a s s i n g q u a d r i c s a c c u m u l a t e d . t h e m a i n d i ff e r e n c e b e t w e e n p r e v i o u s o u t - o f - c o r e s i m p l i f i c a t i o n a l g o r i t h m a n d o u r a l g o r i t h m i s t h a t t h e m e t h o d s i m p l i fi e s ma s s i v e m o d e l s w i t h o u t l o s i n g t o p o l o g i c a l c o n n e c t i o n i n f o r m a t i o n . i n t h e o r y , t h e n e w m e t h o d o f t o p o lo g i c a l c o n n e c t i o n p r e s e r v a t i o n i s p r o v e d t o b e c o r r e c t a n d o u r e x p e r i m e n t a l r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e q u a l i t y o f s i m p l i f i e d m o d e l i s b e tt e r t h a n t h a t o f f o r m e r a l g o r i t h m s . k e y wo r d s : s p a t i a l d a t a s e t ; r e n d e r i n g f o r v i s u a l i z a t i o n ; i l l u mi n a t i o n m o d e l ; t e x t u r e m a p p i n g ; t e x t u r e c a c h i n g ; m o d e l s i m p l i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已 经标明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已 在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学 位 论 文 储 签 名 : 滚 t 人 日 期 : 今 “ 丫 年 月 i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 。 本论文属于 不保密区 ( 请在以上方框内打 在 一年解密后 适用本授权书。 “4 ， 学位论文作者签名 h w l - 77 日 指导教师签名 去勺泪 日 期 : 加 叮年 日 赘 户昨 丁 耳 口 日 华中科技大学博士学位论文 1绪论 1 1空间数据集可视化技术概述 空间数据集可视化( s p a t i c a ld a t a s e tv i s u a l i z a t i o n ) 也称为科学可视化( s c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ) ，是8 0 年代末作为计算机科学的一个分支发展起来的，它是一种通过 交互性图形和图像从复杂或大量的数据集合中提取有用信息的方法，能够提高数据 处理的效率，从而丰富了现有的科学方法。虽然对此学者们有许多争论和不同的定 义。一般认为，数据( d a t a ) 、信息( i n f o r m a t i o n ) 和知识( k n o w l e d g e ) 还是有区别 的。但是计算、模拟或者遥感等得到的数据总是在一定的时间或空间范围内获得的。 与在其他学科中类似，数据在一定空间内的分布，也称为数据场( d a t a f i e l d ) ，比如 二维数据场，三维数据场，或者更高维数的数据场。自然地，三维数据场更容易引 起人们的兴趣。空间数据集可视化也是时空数据库研究的一个重要内容，时空数据 的可视化研究着重探讨不同时间数据的显示、绘制、制图和符号化等问题。 本文主要介绍数据场可视化，特别是与三维数据场有关的可视化技术。应当注 意的是，数据场的分布在大多数情况下是离散的。这是因为数据场的分布规律暂时 是未知的，可视化的任务正是协助人们找出这些规律；或者由于客观情况的限制， 我们只能在有限的离散的点上获得有限精度和数量的数据。另一方面，由于现代通 用的计算机是数字计算机，即使是存在连续的模型也需要将其离散化为数字才能够 由计算机处理。因此，科学计算可视化的研究限定为将离散的数字化的数据转变为 图形图像的表示，由此决定了它的一系列技术特征。m a r k u sg r o s 1 坤旨出：“科学计算 的目的是洞察力而不是数字”( t h ep u r p o s eo fs c i e n t i f i cc o m p u t i n gi si n s i g h t ，n o t n u m b e r s ) 、“一图胜干言”( ap i c t u r ei sw o r t hat h o u s a n dw o r d s ) ，他对科学可视化的 定义是：可视化包含图像理解和图像合成两方面的含义，它是这样一种工具，即可 以将图像数据转换到计算机里，也可以根据复杂、多维的数据生成图形和图像。它 研究人和计算机感知、使用和交换可视化数据的机制。 1 1 ，1 空间数据集可视化的含义 可视化的基本含义是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学 华中科技大学博士学位论文 与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图象，以直观的形式表示出来。它涉 及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个 研究领域，已成为当前计算机科学研究的重要方向。 图1 1 海南城区一角 研究表明，人类获得的关于外在世界的信息8 0 以上是通过视觉通道获得的。 例如从图1 1 就可以很明显的看出海南城区一角的基本情况。经过漫长的进化，人类 视觉信息处理具有高速、大容量、并行工作的特点。常言所说“百闻不如一见”，“一 图胜过千言”，就是这个意思。今天，设计图是借助纸张的媒介表达创意，工程图是 现代工业生产的依据。可视化依然继续着借助形象化方法表达人类意图的传统。我 们将看到，可视化技术产生的图是一种全新的形式。 1 12 空间数据集可视化的应用领域 可视化的应用领域十分广泛，它几乎涉及到了所有能应用计算机的部门。在这 旱，我们将简要列举一些应用可视化技术的例子详细的应用可以参考文献 2 5 。 1 医学 在医学上由核磁共振、c t 扫描等设备产生的人体器官密度场，对于不同的组织， 表现出不同的密度值。通过在多个方向多个剖面来表现病变区域，或者重建为具有 不同细节程度的三维真实图像，使医生对病灶部位的大小、位置，不仅有定性的认 识，而且有定量的认识，尤其是对大脑等复杂区域，数据场可视化所带来的效果尤 其明显。借助虚拟现实的手段，医生可以对病变的部位进行确诊，制定出有效的手 2 华中科技大学博士学位论文 术方案，并在手术之前模拟手术。在临床上也可应用在放射诊断、制定放射治疗计 划等。 2 生物、分子学 在对蛋白质和d n a 分子等复杂结构进行研究时，可以利用电镜、光镜等辅助设 备对其剖片进行分析、采样获得剖片信息，利用这些剖片构成的体数据可以对其原 形态进行定性和定量分析，因此可视化是研究分子结构必不可少的工具。 3 航天工业 飞行器高速穿过大气层时周围气流的运动情况和飞行器表面的物理特性的变 化，在现有的流场可视化技术下，可以非常直观的展现出来。尤其是对飞行器的不 稳定现象、超音速流的研究，这是计算流体力学里的新课题，借助可视化技术，许 多意想不到的困难都可以迎刃而解了。 4 工业无损探伤 在工业无损探伤中，可以用超声波探测，在不破坏部件的情况下，不仅可以清 楚地认识其内部结构，而且对发生变异的区域也可以准确地探出。显然，能够及时 检查出有可能发生断裂等具有较大破坏性的隐患是有极大现实意义的。 5 人类学和考古学 在考古过程中找到古人类化石的若干碎片，由此重构出古人类的骨架结构。传 统的方法是按照物理模型，用粘土来拼凑而成。现在，利用基于几何建模的可视化 系统，人们可以从化石碎片的数字化数据完整地恢复三维人体结构，因而向研究人 员提供了既可以作基于计算机几何模型的定量研究，又可以实施物理上可塑的化石 重现过程。 6 地质勘探 利用模拟人工地震的方法，可以获得地质岩层信息。通过数据特征的抽取和匹 配，可以确定地下的矿藏资源。用可视化方法对模拟地震数据的解释，可以大大地 提高地质勘探的效率和安全性。 总之，科学计算可视化的发展，将使科学研究工具和环境进一步现代化，从而 使科学研究的面貌发生根本性的变化，具有极为重要的意义。 华中科技大学博士学位论文 1 1 3 空间数据集可视化的研究内容 可视化的研究主要分为两大部分，可视化工具的研究和可视化应用的研究。空 间数据集可视化研究的重点是有关可视化参考模型的内涵，即可视化过程的组成内 容，其中包括： 1 数据预处- n ( p r e p r o c e s s i n g ) ：可视化的数据来源十分丰富，数据格式也是多种 多样的，这一步将各种各样的数据转换为可视化工具可以处理的标准格式。 2 映射( m a p p i n g ) ：映射就是运用各种各样的可视化方法对数据进行处理，提取 出数掘中包含的各种科学规律、现象等，将这些抽象的、甚至是不可见的规律和现 象用一些可见的物体点、线、面等表示出来的。 3 绘制( r e n d e 曲g ) ：将映射的点、线、面等用各种方法绘制到屏幕上，在绘制中 有些物体可能是透明的，有些物体可能被其他物体遮挡。 4 显示( d i s p l a y ) ：显示模块除了完成可视信息的显示，还要接受用户的反馈输入 信息，其研究的重点是三维可视化人机交互技术。 绘制技术是数据可视化过程中的一个重要步骤，它包括的的研究内容比较广泛， 如图1 2 所示，本文研究主要着重于光照模型、纹理映射和调度、模型简化等几个部 分。 图1 2 可视化绘制的研究内容 1 1 3 1 光照模型 现实世界中，物体所表现的颜色都是光能作用的结果。客观世界中的物体都不 同程度地具有反射光线、吸收光线、反射光线和透射光线的能力。光线照射到物体 表面时，一部分被吸收并转化为热能，其余部分被则反射或透射。正是部分反射或 华中科技大学博士学位论文 透射的光线被眼睛接收后，我们才感觉到物体的存在及其所特有的形状和色彩。因 此，要绘制高度真实感图形，就必须定义场景中的光源。为了便于计算，必须定量 地描述光的多少或强弱，亮度和强度就是用来定量描述光的两个基本概念。物体表 面光的亮度是指单位投影面积在单位立体角内发出的光的能量，它是物体表面上的 小面元所具有的性质。对点光源常用强度来代替亮度。强度是指点光源在单位立体 角内发出的光能。同样大小的被照射面离光源越远，接收到的光能就越少。光的传 播服从反射定律和折射定律，光源与物体所表现颜色的关系可通过光照模型来模拟。 物体所表现的颜色与光源有密切的关系。光照模型的作用就是计算物体可见表 面上每个点的颜色与光源的关系，因此它是决定图形真实感的一项重要内容。物体 表面发出的光是极其复杂的，它既与环境中光源的数目、形状、位置、光谱组成和 光强分布有关，也与物体本身的反射特性和物体表面的朝向有关，甚至还与人限对 光线的生理和心理视觉因素有关。把这一切都通过计算机精确地计算出来是不现实 的，我们只能用尽可能精确的数学模型光照模型来模拟光和物体的相互作用， 从而近似地计算物体可见表面每一点的亮度和颜色。 1 1 _ 3 2 纹理技术 从传统的光照模型公式口】可以看到，物体的漫反射系数、镜面反射系数和透明 系数等物理量与物体所表现的颜色直接相关。这些物理量是真实感图形绘制中常用 的材质参数，通常在建模的时候就定义好，并存储在相应的数据结构中。材质参数 是影响质感的重要参数，随意给定的参数很难做到自然和真实。实际计算时应根据 实际材料的测量结果进行设定，若没有现成的测量结果，则应根据图形效果对参数 反复修正，以达到较好的效果。但是若一个基本物体只指定一种简单的材质，当然 不能模拟自然界中精荚的花纹和图案，图形的逼真程度同样会受到很大的限制。纹 理映射技术成功地解决了这一问题，通过定义纹理与物体之间的映射关系，可以合 成真实感图形表面的花纹、图案和细微结构 6 】o 纹理映射大致可分为两类：一类用于 改变物体表面的图案和颜色：一类用来改变物体表面的法向量以产生凹凸不平的效 果”。另外，也有人将通过扰动函数来改变反射系数和透射系数的技术归类为纹理映 射，并分别称作反射纹理和透射纹理。 在绘制系统中，纹理映射可以不通过增加物体的复杂性，而使得场景细节显得 华中科技大学博士学位论文 更加丰富，使得场景更真实。大部分纹