基于六边形网格的全球标量数据体绘制方法研究

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1、硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目基于六边形网格的全球标量数据体绘制方法研究作者姓名张庆杰学位类别工程硕士指导教师聂俊岚教授2016年5月中图分类号：TP391.9学校代码：10216UDC：004.92密级：公开工程硕士学位论文（工程设计型）基于六边形网格的全球标量数据体绘制方法研究硕士研究生：张庆杰导师：聂俊岚教授副导师：侯贵宾高级工程师申请学位：工程硕士学科专业：计算机技术所在单位：信息科学与工程学院答辩日期：2016年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinComputerTechnol

2、ogyRESEARCHONTHEVOLUMERENDERINGOFGLOBALSCALARDATABASINGONHEXAGONALMESHByZhangQingjieSupervisor:ProfessorNieJunlanYanshanUniversityMay,2016燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于六边形网格的全球标量数据体绘制方法研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做

3、出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日摘要摘要体绘制以其能够观察三维数据场的整体和全貌的优点，已经广泛应用于气象、海洋、地质等全球数据的可视化展示。若想得到更精细的体绘制效果，就必须使用高精度的体数据，而基于经纬度网格的传统体绘制方法由于“极点问题”，在构造高纬度地区的体数据时产生了很多不必要数据，使得体数据量骤增，同时也降低了绘制的精准度。近年来以三角形、菱形和六边形为基本单元的球面离散网格系统有了较大的进展，这些网格系统从根本上克服极点问题。本文针对这一现状，提出将

4、六边形网格应用于体绘制方法，有效降低体数据量并提升绘制效果。首先，在对不同剖分单元的球面离散网格进行分析后，选取了球面六边形网格作为网格系统并生成拓扑结构保存下来。通过对原始体数据进行插值计算得到各六边形单元的标量值，并根据原始体数据的层数构造相应层数的标量数据，最终构成基于六边形网格的体数据。其次，根据相邻3个六边形单元中心构成一个三角形的特点，由六边形网格的拓扑结构计算得到一系列三角形单元并将六边形顶点的编码作为三角形单元的编码。为了加速经纬度到三角形单元的转换过程，在预处理阶段生成一张经纬度到三角形单元的查找表以便减少光线投射阶段

5、的时间开销，此外还分析了转换时的所有可能情况，针对不同情况设计了相应的转换方法。再次，将体绘制的核心部分—光线投射运算在CUDA平台上并行执行，其他过程由CPU进行处理。基于这种架构设计了基于CUDA和六边形网格的体绘制方法，通过渲染到纹理技术快速得到光线与体数据的前后交点，并将重心插值法应用于插值运算过程中。最后，针对论文方法设计实现了原型系统，在验证论文方法的可行性基础上，与已有方法进行对比，证明本文方法的有效性。同时对交互过程进行了优化，使得在体绘制场景中进行交互时更为顺畅。关键词：体绘制；球面六边形网格；光线投射；预处理；CUD

6、A-I-AbstractAbstractVolumerenderinghasbeenwidelyusedinthevisualizationoftheglobaldata,suchasmeteorology,ocean,geologyandsoon,becauseofitsadvantageofobservingthewholeandcompletepictureofthe3Ddatafield.Togetamoreprecisevolumerendering,ahighprecisionvolumedataisessential.Du

7、etothe"poleproblem"oflatitudeandlongitudegridwhichiswidelyusedbytraditionalvolumerenderingmethod,alotofunnecessarydatawillbegeneratedwhenconstructingvolumedatainthehighlatitudearea.Itnotonlyincreasesthequantityofdata,butalsodecreasestheaccurancyofvolumerendering.Inrecent

8、years,thesphericaldiscretegridsystemwithtriangle,diamondandhexagonasthebasicunithasmadegreatprogress,wh