[发明专利]基于GPU的三维空间交互点判定加速方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用GPU（Graphic Processing Unit，图形处理器）实现的三维可视化空间交互点判定加速方法，尤其是基于GPU加速的直接体绘制（Direct Volume Rendering，DVR）可视化中三维可视化空间交互点判定加速方法。

背景技术

体绘制作为三维标量场科学数据的重要绘制方式之一，广泛应用于医学、航空航天、地质勘探等领域。但是传统的体绘制作方法面临遮挡的问题，导致重要区域无法快速有效地显示，为了突出重要的数据特征，已有的技术途径主要是基于图像空间的直接选择。利用鼠标实现三维场景无障碍交互的前提是能够根据显示设备（如桌面显示器）上利用常用的二维输入方式（包括鼠标、触摸屏等）确定空间交互位置。尤为重要的是，为了满足实时交互的需求，该过程需要实时完成，因此如何根据二维信息快速判定三维空间点信息成为关键技术问题。

已有方法主要分为两类：一是从图像空间获取二维交互坐标，而不映射到3D空间，这类方法的问题是没有处理3D数据场中重要的深度信息，导致无法有效判断空间交互点；另一类方法通常经过二维交互点重新计算，这类方法在获取输入坐标后重计算三维空间位置以作为交互点，这类方法在处理大规模数据时存在重计算效率明显降低，导致无法实时判定空间交互点的问题，其中的关键问题是如何通过常用的2D输入设备快速确定使用者在3D空间的交互位置。

另一方面，GPU的多核多线程高带宽的体系结构使得GPU具有超强的并行计算能力，被广泛应用于通用计算中。许多可视化算法，例如直接体绘制等，都可以利用GPU的并行能力加速执行。如何充分利用GPU的并行计算能力，挖掘计算三维空间交互点的并发执行潜力，设计出基于GPU体系结构的计算三维空间交互点并行加速方法是解决大规模数据中三维空间交互点快速判定问题的可行方案。

综上所述，计算三维空间交互点的效率问题是大规模数据交互是可视化中广泛关注的问题，目前的计算方法无法在合理的时间内准确定位出三维空间交互点，并且具有很差的实用性，无法适用于大规模数据。因此，研究高效并且具有良好扩展性的计算三维空间交互点解决方法是本领域技术人员极为关注的技术问题。现有的计算三维空间交互点研究中没有公开文献涉及利用GPU的并行计算能力来减少运行时间的方法。

技术方案

本发明要解决的技术问题是利用GPU快速解决传统三维空间交互点判定方法从二维输入实时映射到三维可视化空间的问题，消除常用的二维输入与三维场景之间的映射错误，解决三维空间交互点判定问题，在实现三维空间交互的同时提高三维可视化结果的交互效率。

本发明的技术方案是充分利用直接体绘制的技术特点，采用GPU进行加速，在基于GPU进行并行光线跟踪过程中记录候选交互点信息，在交互过程中，只查找保存的交互点，即可快速获取三维交互信息。不仅实现了确定三维交互点的问题，也达到了对于三维可视化实时交互的需求。

本发明包括七个步骤：

第一步，CPU（Central Processing Unit、中央处理器）从硬盘读入数据；

第二步，GPU对自身的纹理缓存进行初始化，即将纹理缓存清空；

第三步，GPU从CPU获取数据，将原始数据保存至纹理缓存；

第四步，GPU根据具体场合分别使用不同的三维交互点策略确定三维交互候选点。

4.1若原始数据是连续变化标量场（如计算流体力学数值模拟数据），采集直接体绘制光线跟踪过程中第一个不透明的点作为三维交互候选点，具体步骤是：利用经典的光线跟踪算法，在进行卷积过程中判断第一个透明度不为零的点，即若透明度α>0，则保存该透明度值，以及所在的空间坐标P，数据值D，作为三维交互候选点的透明度值、空间坐标以及数据值，以屏幕坐标为索引值将获得的三维交互候选点的透明度值、空间坐标以及数据值依据屏幕坐标为保存在GPU的纹理缓存中。

4.2若原始数据是非连续变化标量场（如医学扫描数据），采集直接体绘制光线跟踪过程中不透明度最大的点作为三维交互候选点，具体步骤是：利用传统的光线跟踪算法，在进行卷积过程中判断当前点的透明度是否大于已保存的透明度，如果大于，则替换已保存的透明度、空间坐标P和数据值D，如果小于，则无操作。这样保存的透明度值、空间位置、数据值作为三维交互候选点的透明度值、空间位置、数据值，以屏幕坐标为索引值将获得的三维交互候选点的透明度值、空间坐标以及数据值依据屏幕坐标保存在GPU的纹理缓存中