[发明专利]一种基于计算机进行多线程并行的非结构网格体绘制方法

说明书

本发明公开了一种基于计算机进行多线程并行的非结构网格体绘制方法，包括：计算四面体网格单元的深度信息；对四面体数据进行基于深度的并行可见性排序生成有序的四面体数据；对有序的四面体数据进行归一化的拆分处理生成构造数据；对构造数据采用计算偏移量的方法生成顶点数组；顶点数组载入显存并光栅化顶点生成最终体绘制图像；本发明中通过多线程并行的方法对现有的投影四面体算法进行加速处理，对于四核CPU，采用四个线程进行并发执行，CPU资源的占用会达到90％以上，可以充分利用CPU计算资源，同时算法可以满足实时交互需求。

技术领域

本发明涉及计算机对三维标量场非结构网格数据进行可视化方法,尤其涉及一种基于计算机进行多线程并行的非结构网格体绘制方法。

背景技术

目前尚无专利针对非结构网格的线程级并行体绘制算法。计算流体力学(CFD)进行实验时会产生大量的模拟数据，其中包含了大量的非结构网格数据。体绘制是三维标量场数据重要的可视化形式，它直接把体数据映射为二维屏幕图像，具有强大的空间表现能力。目前，在非结构网格体绘制领域的专利相对于结构网格而言比较少，原因在于非结构网格几何结构和拓扑结构的复杂性，它的网格之间的邻接关系是无规则的，一般通过显式存储邻接矩阵的方式表达其连接关系。如果要寻找一个网格单元的邻接单元，可能需要局部搜索甚至全局搜索，这也是目前非结构体绘制算法效率普遍较低的重要原因。体元投影法是基于对象空间的经典非结构网格数据体绘制算法，它的前提是要有正确的可见性顺序。其中投影四面体算法又是应用最广泛的体元投影法，它通过沿着视线方向把四面体的投影分解为一系列三角形，并把三角形顶点数据载入GPU显存，利用GPU光栅化三角形顶点，以半透明的三角形面片近似表示体绘制结果。但是，该方法具有如下缺点：

(1)沿着视线方向对网格单元进行可见性排序是一个耗时的过程；

(2)对于四面体单元的投影进行分类和拆分需要大量的浮点运算。

以上缺点导致投影四面体算法效率较低，特别是对于大规模网格(网格数上百万)，不能满足实时交互的需求。因此，本发明基于目前的串行投影四面体算法性能的不足的问题，设计了多线程并行的可见性排序算法和多线程并行的四面体投影分类与拆分算法，充分利用当前多核CPU的计算资源，提升了投影四面体算法的效率，算法能够满足大规模非结构网格体绘制实时交互的需求。

体绘制直接从体数据中生成可交互的二维屏幕图像，因此也称为直接体绘制，是探索、浏览和展示体数据最重要的可视化技术，支持用户直观方便地理解体数据内部感兴趣的区域信息，具有强大的空间表现能力。体数据采取几何拓扑网格(即空间网格)刻画三维标量场数据，因此它具有几何结构和拓扑结构。根据网格形态划分，可以分为结构网格和非结构网格。结构网格的几何结构和拓扑结构在空间中是有规律的，可以通过简单的算法计算出与某个网格单元相邻的其他网格单元，目前，有很多支持该类型网格的体绘制算法，其中，光线投射算法以其效率高、绘制结果精确而被广泛使用。根据光线投射算法易于并行特点以及各种图像显卡技术的迅速发展，基于GPU加速的光线投射算法提供了效率更快、效果更好的体绘制结果。但是，对于非结构网格，由于它的几何结构和拓扑结构的无规律性，单元之间的面相邻关系需要显式存储，在计算某一个单元的邻接单元时，可能需要局部搜索甚至全局搜索，这也导致应用于非结构网格的体绘制算法效率普遍低下，不能满足实时交互的需求。

目前，非结构网格的体绘制算法主要有两类，一类是基于可见性排序的体绘制算法，另一类是光线投射算法。