[发明专利]一种原位体绘制方法

说明书

本发明公开一种原位体绘制方法，用于在大规模科学计算时，在原位进行数据体绘制预处理，以大幅度降低数据传输和存储量；并在绘制节点，根据用户视点进行交互式体绘制。本发明在计算节点将原始数据映射为体深度图像，该图像是保留了深度图像的直接体绘制结果。由于在原位计算时，用户难以交互式干涉，绘制的主要参数使用粒子群算法进行自动寻优。用户可以设置希望达到的压缩率和绘制时间，算法据此寻找达到最佳绘制效果的绘制参数。该方法可以降低大规模科学计算的1到3个数量级的传输数据量。在多个大规模科学计算应用上进行了测试，验证了方法的有效性。

技术领域

本发明涉及可视化领域，尤其涉及一种原位体绘制方法。

背景技术

随着计算机硬件技术和数值模拟方法的快速发展，大规模科学计算已开始尝试E级计算(10¹⁸，百亿亿次)，但当前大型计算机的磁盘读写速度比CPU计算速度要慢至少4到5个数量级，数据读写成为了科学计算和科学数据分析的主要速度瓶颈。

为解决该问题，当前主要方法是在时间和空间上对输出数据进行稀疏化采样，降低输出数据的规模，但该方法必然会丢失瞬态和小尺度特征，对原始计算结果是极大的浪费。为了能充分利用所有计算数据，但又不增加数据通量，近年来学术界和工业界提出了原位分析和可视化的概念。其核心思路是，在计算模拟得到数据时，立即在原位(不进行传输存储)进行分析，然后舍弃原始数据，仅仅输出这些分析和可视化的结果。

虽然原位分析和可视化的思路很直接，但实际实现却非常困难，真正的应用还非常少见。其最主要的问题是因为数据分析和可视化往往是一个探索过程，往往不能在计算的“原位”就确定合适的方法和参数。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种原位体绘制方法，其使用体深度图像做中间数据，使用寻优算法进行自动参数设置，最终实现超大规模科学数据的可交互体绘制。具体技术方案如下：

一种原位体绘制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)体深度图像生成：在大规模科学计算的原位计算节点，对计算结果的数据进行处理，处理的方式如下：

(1.1)从视点O向绘制区域(W，H)的每个像素点发射一条射线，计算每条射线与体数据包围盒的相交点，其中W,H分别代表绘制区域的宽度和高度；

(1.2)沿射线从包围盒入射点到出射点进行等间距采样，采样间隔记为使用三线性插值方法，从周边数据插值得到采样值；

(1.3)使用传递函数F，获得该采样点的颜色值c和不透明度值α；

(1.4)当同一射线上相邻的采样点的颜色相似度小于特定的阈值δ，将其合并，合并过后的采样点集合称为一个超级片段，其属性包括起始位置、终止位置、颜色值、透明度，所有超级片段的组合称之为体深度图像，包含了从特定视点观察时，数据体绘制的深度信息和色彩信息；

(2)体深度图像绘制：将步骤(1.4)获得的体深度图像传输至绘制节点绘制，体深度图像的绘制方法为：

(2.1)利用像素点位置、生成时视点的位置将每个超级片段扩展为平截锥体；

(2.2)依据当前绘制视点，对所有平截锥体依深度进行排序；

(2.3)排序后直接绘制所有平截锥体，绘制时对每个平截锥体的透明度进行修正：透明度根据平截锥体的长度与当前视线穿过该平截锥体的线段长度之间的关系决定，使用以下公式：

式中η是平截锥体的透明度值，s是平截锥体的长度，s′是当前视线穿过平截锥体的线段长度，η'则是进行纠正后的透明度值；

(3)体深度图像运行参数的自动寻优

体深度图像生成时关键的运行参数组合为对其进行寻优；