Текстурная визуализация векторных полей с использованием возможностей графического оборудования

• Автор: Потий, Олег Александрович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 134 с. : ил.

Оглавление
Введение

Объект исследования и актуальность темы . . .

Состояние проблемы

Цель работы

Основные результаты, выносимые на защиту.

Научная новизна

Практическая ценность

Объем и содержание работы

1 Объекты предметной области и обзор текстурных методов их визуализации

1.1 Базовые понятия теории векторных полей

1.1.1 Векторное поле.
1.1.2 Основные кривые и поверхности векторного поля .
1.1.3 Паче скоростей как результат численного эксперимента
1.2 Текстурные методы визуализации векторного поля
1.2.1 Семейство методов свертки вдоль линий тока ЫС
1.2.2 Методы визуализации течения посредством адвекции исходного изображения
1.2.3 Текстурные методы визуализации течения с испатьзованием системы частиц.
1.3 Методы визуализации объемных данных
1.3.1 Выводы
Использование аппаратных возможностей современных графических адаптеров при реализации методов визуализации
2.1 Основные стадии конвейера растеризации и его расширение с помощью программ графического процессора
2.1.1 Обработка геометрических данных и вершинные
программы
2.1.2 Растеризация фрагментов и фрагмеитные программы
2.1.3 Операции с фрагментами
2.2 Обобщенная модель вычислительного алгоритма на основе графического процессора.
2.2.1 Общая структура.
2.2.2 Текстурные объекты как способ хранения данных
2.2.3 Выводы и результаты.
Методы аппаратной адвекции текстуры в потоке
3.1 Модификация алгоритма IV на основе графического процессора.
3.1.1 Метод IV .
3.1.2 Реализация IV с помощью вершинных программ
IV.
3.2 Аппаратная адвекция ЛагранжаЭйлера.
3.2.1 Метод адвекции ЛагранжаЭйлера
3.2.2 .
3.3 Описание приложения для визуализации сечений трехмерного течения.
3.3.1 Входные данные и интерфейс программы
3.3.2 Визуализация в системе Vг.
3.3.3 Визуализация продвижения фронта.
3.4 Т1ехмерная адвекция с использованием вРИ.
3.5 Результаты и выводы.
4 Метод визуализации трехмерного течения с помощью системы частиц
4.1 Анимация системы частиц на основе вРИ
4.1.1 Вычисление координат точек с помощью графического процессора.
4.1.2 Метод декомпозиции трехмерного текстурного куба в двумерную текстуру
4.1.3 Поведение частиц в течении.
4.1.4 Используемый способ визуализации частиц
4.2 Реализация метода
4.3 Сравнение производительности и качества получаемой ви
зуализации с методами, основанными на адвекции текстурного куба
4.4 Результаты.
Заключение
Литература


Это приводит к высокой вычислительной стоимости визуализации. Производились несколько попыток снижения вычислительных затрат этого метода. Была разработана модификация методов [|, основанных на использовании значений интенсивностей точек, расположенных в окрестности рассматриваемой. Другим подходом является использование анимации таблицы цветов [, ]. Это позволило несколько сократить объем вычислений, однако интерактивная анимация нестационарного течения с использованием этого алгоритма возможна лишь на мощных специализированных станциях. Одним из важнейших этапов развития данной области научной визуализации, давших начало многим методикам, стала адвекция Лагранжа-Эйлера(ЬЕА — Largangian-Eulerian Advection) []. С появлением методов, использующих аппаратные возможности графических адаптеров, стало возможным получать качественную текстурную визуализацию двумерного течения на персональном компьютере интерактивно, в режиме реального времени. В разработанном Ласк van Vijk алгоритме IBFV(Image Based Flow Visualization) (| было предложено производить адвекцию изображения вдоль линий тока поля скоростей за счет аппаратной операции наложения текстуры на смещенную полигональную сетку, в узлах которой заданы значения векторного поля. Последующие исследования в области текстурной визуализации привели к разработке метода визуализации стационарного трехмерного поля скоростей []. Недостатком данного алгоритма является возможность визуализации лишь стационарного течения. Одной из проблем, стоящей перед разработчиками текстурных методов визуализации, является отображение стационарного и нестационарного трехмерного течения. Эта задача требует особенного рассмотрения, поскольку в этом случае мы имеем дело с текстурным кубом, отображение которого необходимо выделять в отдельную стадию алгоритма. Непрерывный характер визуализации в данном случае является препятствием для изображения участков течения, скрытых внутри текстурного куба. Для решения этой проблемы возможно рассмотрение текстурного куба в виде отдельных частиц. Примером такого подхода является метод немецких ученых [], основанный на текстурной адвекции частиц в трехмерном пространстве. Другой способ текстурной визуализации с иомощыо системы частиц описан в работах [, , |. В этих работах предложено производить анимацию множества полупрозрачных частиц, на которые накладывается текстурное изображение. Необходио отметить, что эффективное испатьзование графического оборудования позволяет решить проблемы, связанные с производительностью текстурных методов, как в двумерном, гак и в трехмерном случае. В связи с вышеизложенным, цслыо диссертационной работы является разработка и реализация методов визуализации двумерных и трехмерных течений, эффективно использующих ресурсы графической системы персонального компьютера. Практической целью работы является создание программного обеспечения для визуализации трехмерного векторного поля на основе известных и разработанных автором алгоритмов. Это приложение должно обеспечивать визуализацию течения посредством управляемой интерактивно анимационной последовательности. Основными критериями оценки производительности алгоритмов визуализации выступают удобство интерпретации и производительность. Необходимым требованием при разработке методов визуализации является их полная или частичная адаптация к реализации на графическом процессоре. Для этого необходимо рассмотрение как текстурных методов, так и алгоритмов, основанных на трассировке системы частиц. Разработана модификация метода IBFV на основе использования графического процессора для визуализации двумерного нестационарного течения (GPU-Based IBFV). Предложен алгоритм, реализующий концепцию LEA с помощью фрагментных инструкций графического процессора (GPU-Based LEA). Создана программа для интерактивной визуализации сечений трехмерного ноля скоростей с помощью анимации течения, интуитивно понятной наблюдателю (fViz). Приложение реализует как оригинальный метод IBFV, так и предложенный алгоритм GPU-Based IBFV.