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第1章 绪论1

1.1 科学计算可视化概述1

1.1.1 科学计算可视化的含义1

1.1.2 实现科学计算可视化的重要意义2

1.1.3 科学计算可视化的应用领域3

1.1.4 科学计算可视化的研究内容5

1.1.5 国内外科学计算可视化现状6

1.2 三维空间数据场可视化8

1.2.1 数据类型9

1.2.2 三维空间数据场可视化的基本流程12

1.2.3 两类不同的三维空间数据场可视化算法14

第2章 三维空间规则数据场的直接体绘制15

2.1 体绘制技术中的重采样16

2.1.1 几个基本概念16

2.1.2 图象信号的空域和频域表示17

2.1.3 滤波18

2.1.4 重构与重采样23

2.2 体绘制中的光学模型24

2.2.1 光线吸收模型25

2.2.2 光线发射模型26

2.2.3 光线吸收与发射模型26

2.3 图象空间扫描的体绘制技术——光线投射体绘制算法28

2.3.1 光线投射算法的基本原理28

2.3.2 三维数据场的分类问题29

2.3.3 颜色赋值32

2.3.4 图象合成33

2.3.5 明暗计算34

2.3.6 改进的光线投射体绘制算法34

2.3.7 用光线投射算法显示多等值面35

2.4 物体空间扫描的体绘制技术38

2.4.1 足迹表法38

2.4.2 基于错切-变形技术的体绘制算法45

2.4.3 体元投射法47

2.4.4 子区域投射法51

2.5 频域体绘制技术58

2.5.1 频域体绘制技术的原理58

2.5.2 基于物质分类和颜色赋值的频域体绘制算法60

2.5.3 重构核阶次的自适应选择62

2.5.4 进一步减少计算量和存储空间66

2.5.5 频域体绘制中的指数深度补偿71

2.5.6 频域体绘制中的边界面动态突出算法74

2.6 由三维纹理映射硬件支持的直接体绘制76

2.6.1 纹理映射76

2.6.2 三维纹理映射及其硬件实现76

2.6.3 由三维纹理映射硬件支持的直接体绘制算法78

第3章 构造三维空间规则数据场中的等值面89

3.1 Marching Cubes（MC）方法89

3.1.1 MC方法的基本原理89

3.1.2 MC方法存在的问题92

3.1.3 用渐近线方法判别和消除二义性94

3.1.4 多边形的连接及三角化95

3.1.5 等值面的成组连接97

3.2 Marching Tetrahedral（MT）方法98

3.2.1 MT方法的基本原理及存在的问题99

3.2.2 MT方法中的二义性判别和消除100

3.2.3 连接等值点构造多边形101

3.2.4 多边形的三角化104

3.2.5 几种方法的比较105

3.3 剖分立方体方法106

3.3.1 剖分立方体方法的基本原理107

3.3.2 剖分立方体方法的两点改进107

第4章 三维空间不规则数据场的可视化110

4.1 三维空间不规则数据场可视化的光线投射算法110

4.1.1 将三维空间不规则数据场转换为规则数据场110

4.1.2 将光线投射算法直接应用于不规则数据场110

4.2 三维空间不规则数据场的体元投影方法112

4.2.1 凸多面体网格的深度排序113

4.2.2 非凸多面体网格的深度排序118

4.2.3 三维空间不规则数据场体元投影方法的实现122

4.3 体元投影与光线投射相结合的方法124

4.4 构造三维空间不规则数据场中的等值面125

4.4.1 不规则网格中各角点梯度值的计算126

4.4.2 单元内等值面的几何表示126

4.4.3 等值面边界法向的连续性129

第5章 散乱数据的可视化130

5.1 中、小规模散乱数据的插值130

5.1.1 与距离成反比的加权法130

5.1.2 径向基函数插值法133

5.1.3 有限元方法136

5.1.4 实例与讨论143

5.2 大规模散乱数据的插值144

5.2.1 基于多层B样条的散乱数据插值方法144

5.2.2 自适应的层次B样条散乱数据插值方法148

第6章 三维矢量场的可视化153

6.1 三维矢量场可视化概述153

6.1.1 三种实验型矢量场可视化方法153

6.1.2 用计算机实现三维矢量场的可视化155

6.1.3 矢量场可视化的基本流程156

6.2 矢量场数据的组织及预处理157

6.2.1 基于六面体单元的矢量场数据组织157

6.2.2 基于四面体单元的矢量场数据组织159

6.3 基于几何形状的矢量场映射方法163

6.3.1 点图标方法163

6.3.2 矢量线方法164

6.3.3 矢量面、矢量管方法166

6.4 基于颜色、光学特性的矢量场映射方法168

6.4.1 体绘制技术的扩展——动态体绘制技术168

6.4.2 粒子方法169

6.5 基于纹理的矢量场映射方法170

6.5.1 点噪声方法170

6.5.2 线积分卷积法171

6.5.3 可变形参数域卷积法172

6.6 特征可视化174

6.6.1 矢量场拓扑结构分析法174

6.6.2 流场中特征结构的可视化175

6.6.3 基于选择的特征可视化176

第7章 由二维轮廓线重构三维形体177

7.1 单轮廓线之间的三维形体重构178

7.1.1 凸轮廓线之间的三维形体重构178

7.1.2 非凸轮廓线之间的三维形体重构183

7.2 多轮廓线之间的三维形体重构186

7.2.1 轮廓线对应问题的最小生成树方法187

7.2.2 分支问题的中间轮廓线方法188

7.2.3 将多轮廓线之间的形体重构问题转化为体数据中的等值面构造问题190

第8章 科学计算可视化中复杂模型的简化及多分辨率表示196

8.1 复杂模型简化技术概述196

8.1.1 模型简化技术的重要性196

8.1.2 模型简化方法的分类197

8.2 复杂模型简化的超面方法199

8.2.1 超面算法199

8.2.2 超面算法的结果举例201

8.2.3 超面算法的几点改进202

8.3 三角形网格的实时、连续多分辨率表示205

8.3.1 基本定义206

8.3.2 三种变换操作207

8.3.3 重要度的定义208

8.3.4 有序递减网格209

8.3.5 模型简化的结果数据210

8.4 基于有序递减网格的实时动态绘制213

8.4.1 距离驱动的实时动态绘制213

8.4.2 自适应的多分辨率绘制215

8.5 快速的非流形模型简化218

第9章 三维数据场可视化算法的并行实现220

9.1 并行可视化算法概述220

9.1.1 并行计算体系结构220

9.1.2 评价并行算法的主要指标221

9.1.3 三维数据场可视化并行算法222

9.2 基于PVM的三维数据场可视化算法225

9.2.1 将并行计算技术引入频域体绘制算法225

9.2.2 并行虚拟机226

9.2.3 同构机群环境中的并行频域体绘制226

9.2.4 异构机群环境中的并行频域体绘制237

第10章 三维数据场可视化实用系统简介239

10.1 人体断面解剖图象三维重构系统239

10.1.1 应用背景239

10.1.2 系统功能240

10.1.3 系统开发环境240

10.1.4 算法特点240

10.1.5 系统的实现241

10.2 三维气象动态图象系统244

10.2.1 应用背景244

10.2.2 系统功能244

10.2.3 系统开发环境245

10.2.4 算法特点245

10.2.5 系统设计及实现249

参考文献253