体绘制技术是科学计算可视化的一种重要方法,它能够从体数据集中抽取内在的本质信息,并借助交互式图形图像技术展现出来。由于体绘制是将三维空间的离散数据直接转换为二维图像而不必生成中间几何图元,所以又称为直接体绘制。它适合生成原始数据集的整体图像,并能够清晰地显示其中的细节信息。体绘制的应用领域十分广泛,涵盖了医学、气象学和地质勘探等领域。 传输函数是体绘制算法中的关键步骤,它将体数据的信息映射成颜色、不透明度等视觉属性,并赋予数据空间的每个体素,然后通过不同的绘制流程生成图像空间的像素。通过设计传输函数,可以将原始数据集中的不同物质、不同结构区分开,在显示人们感兴趣的重要结构的时候,隐藏不重要的信息。但是传统的传输函数设计方法需要不断尝试,困难且不直观。本文研究了多维传输函数的设计问题,提出了基于空间生长的多维传输函数生成方法,简化了设计工作,提高了传输函数的质量。多维传输函数设计的另一个问题是没有充分利用数据集的空间域信息,本文采用了一种结合空间信息的多维传输函数自动生成方法,同时利用空间域和多维传输函数域的信息自动将物质进行聚类,来自动生成传输函数。 随着科学探测仪器性能和精度的不断提高,数据集的容量急剧增大,为体绘制技术带来了更大的挑战。本文采用多分辨率的层次结构管理原始数据集,用多分辨率的方法进行大规模数据的体绘制,克服了存储容量的限制,在保持图像质量的前提下加快了体绘制的速度。并且改进了算法中的选择条件、绘制条件和剔除条件,尤其是提出了基于多维传输函数的剔除条件,进一步提高了大规模数据的绘制速度。 本文在上述算法的基础上设计实现了一个通用的、易于扩展的体绘制平台,并且在此基础上实现了多种传输函数设计算法和基于多分辨率层次结构的大规模数据体绘制算法,应用了基于GPU的三维纹理加速算法。经多种数据集验证,平台的绘制速度和图像质量均取得了很好的结果。