[发明专利]一种将几何对象融入体绘制结果的方法

说明书

本发明涉及一种将几何对象融入体绘制结果的方法，属于科学计算可视化中的三维多变量数据场交互可视化分析领域。该方法先对几何对象进行体素化，并做高斯滤波处理，得到包含几何对象相关信息的参考体数据；然后基于光线投射法，用参考体数据控制选定的属性体数据的体绘制过程；最后在同一视图空间将几何对象叠加到属性体数据的体绘制结果上，由此得到融入了几何对象的体绘制结果。本发明在同一视图空间融合了几何可视化结果和体绘制结果，解决了一般融合方法的遮挡问题，可确保几何对象的可见性，有利于三维多变量数据场中局部细节与全局概况的同时显示，从而提高三维多变量数据场的可视化分析效率。

技术领域

本发明涉及一种数据可视化方法，特别涉及一种将几何对象融入体绘制结果的方法，属于科学计算可视化中的三维多变量数据场交互可视化分析领域。

背景技术

在科学计算可视化领域，几何可视化(geometric visualization)和体绘制(volume rendering)是两种常用但不同类型的数据可视化方法。

几何可视化主要是根据输入数据构造图标、图表或管线等几何对象(geometricobjects)，通过几何对象的形状、大小、方向或颜色等视觉特征来表现科学数据，以此实现科学数据的可视化，进而揭示科学数据内在的规律或现象。例如，在流场里面绘制流线(streamlines)或流管(streamtubes)，可以揭示流场的流动方向和流动模式。

几何可视化将数据直接映射为可见的视觉特征，简单、自然、直观，非常适合于局部数据的可视化分析。但是对于三维数据场，几何方法往往难以获得比较理想的全局可视化效果，因为建立全局视图所需要的大量几何对象很容易造成视觉混乱。

体绘制是一种直接根据三维数据场产生二维图像的数据可视化技术。利用体绘制技术很容易建立高质量的反映整个数据场概貌的全局视图，但是体绘制技术不太适合于局部数据细节的交互分析。

另外，体绘制技术处理的一般都是单一的标量数据场。在实际应用中，往往需要对多变量或多属性数据场进行可视化分析。单纯的体绘制技术难以满足这种应用需求。几何可视化可以将多个变量或属性关联到几何对象上，实现多变量或多属性数据的关联分析；但是全局分析能力不足。

为此，可以将几何可视化与体绘制结合起来，通过几何可视化建立局部几何对象，展示局部细节信息，然后将几何对象嵌入到展示全局概况的体绘制结果中，由此实现局部细节与全局概况的融合。

针对上述设想，最简单的融合方法是：将几何可视化和体绘制结果在同一视图空间同时显示，即将几何可视化的结果和体绘制的结果看作两个不同的图层，通过图层叠加的方式实现融合。按照这种方法，将体绘制结果作为顶层，几何可视化结果作为底层，最后会发现：通过体绘制的透明区域可以查看到部分几何对象；而在体绘制结果的非透明区域，几何对象则被遮挡了。虽然调整体绘制的不透明度传递函数，可以改善遮挡的情况，但是难以完全避免。因为体绘制的不透明度传递函数在体绘制过程中有自己的特殊用途，调整不透明度传递函数将使体绘制结果发生改变。反过来，将几何可视化结果放在顶层，体绘制结果放在底层；这样几何对象不会被遮挡，但在视觉效果上，几何对象看起来好像是漂浮在体绘制图像上，并没有融入到体绘制结果中。

针对上述遮挡问题和漂浮现象，一个可能的解决方案是：将几何对象嵌入到体数据中，然后针对包含几何对象的体数据进行体绘制。为了优先保证几何对象在视图空间的可见行，在基于光线投射的体绘制过程中，先计算投射光线与几何对象的交点；如果投射光线与几何对象不相交则按照常规体绘制算法进行绘制，否则将投射光线上从交点到视点的所有体素都处理成全透明的。这种方案或类似方案可以消除遮挡问题，但是需要大量的求交运算，实时性比较差，难以满足交互分析的实际应用需求。

鉴于上述情况，本发明提供了一种将几何对象融入体绘制结果的方法。该方法在确保几何对象可见的前提下，在同一视图空间高效地实现了几何可视化与体绘制结果的融合，有利于三维多变量数据场的交互式可视化分析。

发明内容