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第1章 绪论1

1.1 科学计算可视化概述1

1.2 矢量图形与光栅图形2

1.3 计算机三维重构5

1.4 面绘制技术7

1.4.1 面绘制技术的成像机制7

1.4.2 面绘制技术存在的问题9

1.4.3 面绘制技术的关键问题研究9

1.5 体绘制技术10

1.5.1 体绘制技术的成像机制10

1.5.2 体绘制技术所具有的优势11

1.5.3 体绘制技术所存在的问题12

1.5.4 面绘制技术与体绘制技术的特性对比13

1.5.5 体绘制技术的关键问题研究13

1.6 体视化技术的应用14

1.6.1 体视化在医学中的应用14

1.6.2 体视化在教育中的应用16

1.6.3 体视化在显微分析中的应用18

1.6.4 体视化在生物学和分子模型构造中的应用19

1.6.5 体视化在计算流体动力学中的应用20

1.6.6 体视化在有限元分析中的应用21

1.6.7 体视化在气象学中的应用21

1.6.8 体视化在无损伤探测中的应用22

1.6.9 体视化在考古中的应用23

1.6.10 体视化在石油勘探中的应用25

1.7 本章小结26

第2章 体视化基础27

2.1 引言27

2.2 体数据的来源27

2.3 断层图像的几种采集方式27

2.4 体数据的定义及体素化28

2.4.1 体数据的定义28

2.4.2 体素化30

2.5 体数据的表示方式30

2.6 体数据的类型31

2.6.1 按采样空间的维数分类31

2.6.2 按体素的数据类型分类31

2.6.3 按采样点之间的拓扑结构分类31

2.7 三维离散拓扑学基础33

2.8 体视化的理论模型34

2.9 体数据的预处理35

2.9.1 图像文件的处理35

2.9.2 体数据的滤波35

2.9.3 图像分割37

2.9.4 平行切割图像的插值60

2.9.5 扇扫切割图像的插值算法62

2.10 本章小结71

思考题71

第3章 Marching Cubes方法72

3.1 Marching Cubes方法的基本原理72

3.1.1 体素中等值面剖分方式73

3.1.2 等值面与体素边界的交点计算74

3.1.3 等值面法向的计算74

3.1.4 MC算法流程75

3.2 March ingCubes方法中二义性的消除76

3.2.1 Marching Cubes方法中二义性问题76

3.2.2 二义性消除方法77

3.3 多边形的连接与三角化78

3.4 本章小结79

思考题79

第4章 体视见方法80

4.1 引言80

4.2 二维几何变换81

4.2.1 二维平移变换81

4.2.2 二维比例变换81

4.2.3 二维旋转变换82

4.2.4 二维错切变换83

4.2.5 二维复合变换83

4.3 体变换84

4.3.1 空间几何变换85

4.3.2 前向映射变换89

4.3.3 逆向映射变换90

4.3.4 逆正交变换和投影90

4.4 逆向映射中的光线投射91

4.5 两种视见方法92

4.6 视见方法的比较93

4.7 颜色94

4.8 阻光度传递函数设计95

4.8.1 阻光度传递函数95

4.8.2 基于体素的阻光度传递函数95

4.8.3 基于体素和梯度的阻光度传递函数96

4.8.4 基于体数据直方图熵的分类算法98

4.8.5 基于体数据直方图矩的分类算法106

4.8.6 基于直方图凹度的阈值选取方法112

4.8.7 基于Fisher准则的阻光度传递函数113

4.8.8 基于核估计的阻光度传递函数116

4.8.9 基于自然选择粒子群的阻光度传递函数121

4.9 体浓淡方法130

4.9.1 概述130

4.9.2 光照模型的选择131

4.9.3 表面法向量的估算132

4.10 沿着光线的累积和合成132

4.11 本章小结133

思考题133

第5章 体光学模型134

5.1 光线的发射134

5.2 光线的吸收135

5.3 光线的发射与吸收136

5.4 本章小结137

思考题137

第6章 像空间的体绘制138

6.1 光线投射的基本原理138

6.2 逆映射中的光线投射139

6.3 光线投射的基本过程139

6.4 光线投射的计算方法141

6.5 再采样方法144

6.5.1 插值核144

6.5.2 最小近邻法145

6.5.3 线性插值法146

6.5.4 三线性插值算法147

6.5.5 加权插值法148

6.6 图像合成的基本原理148

6.7 光线投射积分149

6.8 光线投射积分的离散化149

6.8.1 光线积分的从前向后形式150

6.8.2 光线积分的从后向前形式151

6.9 图像合成的方法151

6.9.1 利用光线上的一个采样点151

6.9.2 利用光线上的所有采样点151

6.10 本章小结154

思考题155

第7章 物空间的体绘制156

7.1 Z缓存算法156

7.2 足迹表法157

7.2.1 体重构方程157

7.2.2 体重构核158

7.2.3 足迹函数158

7.2.4 足迹表159

7.3 错切－变形算法163

7.3.1 错切－变形算法基本原理163

7.3.2 两种基于错切－变形的体绘制算法的流程165

7.4 本章小结167

思考题167

第8章 频域体绘制技术168

8.1 基本的频域体绘制算法原理168

8.1.1 二维空间傅里叶投影截面定理168

8.1.2 三维空间傅里叶投影截面定理170

8.2 频域体绘制所存在问题的解决方法171

8.2.1 线性深度补偿172

8.2.2 指数深度补偿172

8.2.3 物质分类和颜色赋值与频域体绘制方法的融合173

8.2.4 频域边界面突出算法173

8.3 本章小结175

思考题175

第9章 三维不规则体数据的体绘制176

9.1 规则体数据176

9.2 不规则体数据176

9.2.1 不规则体数据的规则化176

9.2.2 直接对不规则体数据进行体绘制178

9.3 本章小结179

思考题179

第10章 三维体数据并行体绘制180

10.1 并行体绘制基本原理181

10.1.1 基于CPU的并行体绘制的基本原理181

10.1.2 基于GPU的并行体绘制的基本原理182

10.2 基于CUDA的并行体绘制184

10.2.1 CUDA软件体系结构及编程模型184

10.2.2 CUDA C语言185

10.2.3 基于CUDA的算法并行化原理186

10.2.4 基于CUDA的脑组织图像体绘制实例188

10.3 基于改进八叉树的工业CT体素编码190

10.3.1 传统八叉树编码190

10.3.2 改进八叉树编码191

10.3.3 基于改进八叉树的并行光线投射体绘制192

10.3.4 基于改进八叉树的并行光线投射绘制实验与分析193

10.4 本章小结195

思考题195

第11章 体视化技术应用示例196

11.1 由计算形成的体数据的体绘制196

11.2 由计算机模拟形成的胸部脏器体数据的体绘制197

11.3 由平行切割获得的头部CT图像数据的体绘制198

11.4 规则模型的扇扫切割图像数据的体绘制202

11.5 不规则模型的扇扫切割图像数据的体绘制204

11.6 工业部件的三维无损检测及模拟拆卸207

11.6.1 汽车模型的体绘制实验207

11.6.2 电钻的体绘制实验209

11.7 三维剖分211

11.7.1 汽车模型的三维剖分211

11.7.2 电钻的三维剖分213

11.8 本章小结214

参考文献215