基于WEB服务的虚拟人体绘制的研究与改进

摘要

近年来，随着大型科学计算以及图形图像的快速发展，许多领域要处理的数据量已经远远超过了研究人员的数据处理能力。在体绘制领域，体数据的大规模增长，迫切期待计算设备的处理能力能够得到进一步提高，当然硬件设备本身的升级换代是最有效的途径，但在绝大部分条件下是不能够无限制地实现的。分布式技术的发展对于体绘制的研究起到了很好的推动作用，为了充分利用网络分布式环境中的各种计算资源，将Web服务引入体绘制流程、研究分布式的体绘制算法不仅是可能的，而且是有效的，主要表现在：一方面，随着分布式计算的发展，特别是Web服务作为一个新的分布式技术的出现，为体绘制的研究提供了新的思路。Web服务作为一种新的分布式计算技术，提出了面向服务的分布式计算模式，方便地实现Internet上跨平台、语言独立、松散耦合的异构应用的集成与交互。因此，将Web服务技术引入体绘制算法、利用分布式技术加速绘制计算过程成为一种可能。另一方面，体绘制的流程是通过“重采样”将连续的体数据场转换成适合屏幕显示的离散化数据，并通过“图像合成”最终显示图像的过程，体绘制流程具有鲜明的阶段性。显然，每个阶段非常适合于使用Web服务技术，这些Web服务可以分布运行于网络环境中不同的机器或平台上，实现资源的共享；因此，将Web服务引入体绘制流程、研究分布式的体绘制算法不仅是可能的，而且是有效的。
　　 本研究主要内容包括：⑴分析和研究了光线投射算法的原理，主要包括光线投射算法中的重采样和图像合成两个重要阶段。在此基础上，本文提出了改进的光线投射算法-分布式并行光线投射算法(Distributed Parallel Ray Casting Algorithm，以下简称DPRC)。⑵在光线投射算法的基础上，分析了DPRC算法的并行可行性，并给出了它和光线投射算法的不同之处。接着，详细地说明了DPRC算法的实现原理，包括子任务的划分、动态任务分配策略、首次任务分配和最终图像的合成几个部分，并清晰地表示出了DPRC算法的总体执行流程。最后，介绍了DPRC算法的具体实现，作为一种分布式的并行算法，实现中，重点讲述了DPRC算法中并行策略的设计和Web服务的设计。⑶为了验证DPRC算法的有效性，构建了基于Web服务的体绘制系统(WSVRS)。WSVRS是一个分布式的计算系统，它的实现为体绘制流程中不同阶段体绘制服务的查询、导入和组合提供一个基础性的开发平台。WSVRS采用了开源的分布式问题求解环境-Triana作为底层支撑环境。Triana提供了Web服务的有效管理及强有力的工作流引擎，更重要的是Triana支持工作流的并行执行，这为DPRC算法运行提供了有力的支持。⑷通过实例验证了DPRC算法的有效性，实验环境是校园网这样高带宽(100M)的局域网。实验中，记录了DPRC算法在有数据传输和无数据传输情况下的平均运行时间，并给出了平均运行时间趋势图和加速比趋势图，对实验结果做了图形化的分析，并从定量的方面，借助并行算法的加速比来衡量DPRC算法在分布式环境下的性能，及对体绘制加速的效果，并取得了明显的效果。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外的研究现状与存在问题分析

1.3 研究的目的及内容

1.4 论文的组织结构

1.5 本章小结

第2章 Web服务与体绘制技术

2.1 引言

2.2 Web服务技术

2.2.1 Web服务的产生及概念

2.2.2 Web服务的体系结构

2.2.3 Web服务的核心协议

2.3 体绘制技术

2.3.1 体绘制定义

2.3.2 体数据

2.3.3 体绘制流程

2.4 体绘制的研究进展

2.4.1 体绘制当前领域的主要发展状况

2.4.2 并行体绘制算法的发展

2.5 基于Web服务的体绘制研究

2.5.1 Web服务应用于体绘制研究的可能性与必要性

2.5.2 本文研究工作的特色

2.6 本章小结

第3章 光线投射算法的研究与改进

3.1 引言

3.2 光线投射算法原理

3.2.1 光线投射算法的重采样

3.2.2 光线投射算法的图像合成

3.2.3 光线投射算法的流程

3.3 改进的光线投射算法-DPRC算法

3.3.1 DPRC算法的并行化分析

3.3.2 DPRC算法的原理

3.3.3 DPRC算法的执行流程

3.4 DPRC算法的实现

3.4.1 可视化类库-VTK

3.4.2 DPRC算法中并行策略的实现

3.4.3 DPRC算法中Web服务的实现

3.4.4 DPRC算法的整体实现

3.5 本章小结

第4章 基于Web服务的体绘制系统(WSVRS)的构建

4.1 引言

4.2 WSVRS的功能需求

4.3 WSVRS的体系结构

4.4 基于Web服务的体绘制管道模型

4.5 虚拟人体绘制中服务的划分

4.6 虚拟人体绘制中服务的实现

4.6.1 服务的开发工具

4.6.2 服务的实现

4.7 WSVRS系统的实现

4.7.1 服务的发布

4.7.2 服务的调用

4.7.3 服务间的数据传输

4.8 虚拟人的体绘制重建

4.8.1 虚拟人的数据格式

4.8.2 基于Web服务的虚拟人体可视化的实现

4.9 本章小结

第5章 测试及结果分析

5.1 引言

5.2 测试环境

5.3 测试方案

5.4 实例验证

5.4.1 数据源介绍

5.4.2 测试及结果分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

在校攻读硕士学位期间公开发表论文