光线投射体绘制算法及钻孔岩心三维可视化

摘要

科学计算可视化和钻孔数据三维可视化在地质勘探方面的应用越来越广泛，是实现矿山矿体钻孔一体化可视化核心功能的重要技术方法。对矿区规划、矿产资源开采、工程设施安排等方面提供指导性的帮助，具有非常重要的工程实用价值。然而，地质环境复杂多样，矿体数据通常都比较大，这就加大了地质工作人员对地质环境分析的困难程度，限制了这些技术的实际应用。因此，对钻孔数据进行合理的分类管理和改进体绘制算法以加速绘制就显得非常重要。本文以南京地质矿产研究所申请的国家重大科学仪器设备开发专项的子任务“岩心数据立体成图显示软件研制与开发”为工程项目应用背景，探讨了矿山矿体钻孔一体化可视化实现的方法和过程，主要有如下工作:
　　1.研究了三维体数据的绘制算法。重点介绍了光线投射算法的基本原理、算法流程和图像合成等。然后对三种经典的体绘制算法:足迹表法、错切变形法和三维纹理法进行了算法的优缺点分析。并对它们进行了绘制性能比较，实验表明在这四种体绘制算法中，光线投射算法产生的图像质量是最高的。
　　2.针对光线投射算法在绘制矿体数据时速度缓慢、达不到实时绘制需求的问题。本文提出了一种基于CUDA的光线投射加速算法，利用CUDA的并行架构硬件，CPU和GPU共同协作实现并行执行的功能。在CPU端执行串行程序的处理工作，在GPU端执行复杂可并行的光线采样计算处理工作。利用包围盒技术和光线跳跃算法可以减少投射光线和采样点的数目。最后给出了该加速算法的具体实现过程，实验结果表明该加速算法在不降低图像质量的同时，又提高了绘制的速度，可以达到接近实时绘制。
　　3.钻孔岩心三维可视化。介绍了钻孔数据的基本概念。对于钻孔数据按照其应用类型进行分类，并用面向对象的思想方法进行管理。本文提供了线型模型和圆柱体模型对岩心钻孔柱进行三维显示，同时利用岩心扫描时得到的高光谱数据和岩心图像进行辅助显示，以达到对岩心钻孔柱的真实反映，方便地质工作人员进行查看和分析。
　　4.地形三维可视化的显示。介绍了地形三维建模的数字地形表示，然后重点分析了数字高程模型在地形建模上的两种主要的分类方法:规则格网模型(RSG)、不规则三角网模型(TIN)，并对这两种建模方法进行了优缺点分析。最后本文提出了用逐点插入法构建不规则三角网D-TIN来生成地形的三维可视化，并用纹理贴图技术进行对地形地貌的真实感显示。实验结果表明该方法能够较好地显示三维地形。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文内容安排

2 体绘制算法

2．1 引言

2．2 三维可视化的数据类型

2．2．1 数据本身的类型

2．2．2 数据分布及连接关系的类型

2．3 体绘制中的光学模型

2．3．1 光线吸收模型

2．3．2 光线发射模型

2．3．3 光线吸收与发射模型

2．4 光线投射算法

2．4．1 光线投射算法基本原理

2．4．2 光线投射算法流程

2．4．3 体数据的分类

2．4．4 颜色和不透明度赋值

2．4．5 图像合成

2．5 其他经典体绘制算法

2．5．1 足迹表法

2．5．2 错切变形法

2．5．3 三维纹理映射法

2．6 实验结果及分析

2．7 本章小结

3 基于CUDA的矿体光线投射算法

3．1 引言

3．2 加速技术研究

3．3 CUDA并行计算功能

3．3．1 CUDA编程模型

3．3．2 CUDA线程结构

3．3．3 CUDA软件体系

3．3．4 CUDA存储器模型

3．4 并行原理与可行性分析

3．4．1 包围盒计算

3．4．2 光线跳跃算法

3．4．3 改进的图像合成

3．5 基于CUDA的光线投射算法实现

3．5．1 具体算法流程

3．5．2 线程分配与映射

3．6 实验结果与分析

3．7 本章小结

4 钻孔数据与地形三维可视化

4．1 引言

4．2 钻孔数据三维可视化

4．2．1 钻孔数据的概念

4．2．2 钻孔数据的结构设计

4．2．3 钻孔三维坐标转换

4．3 三维可视化技术

4．3．1 OpenGL简介

4．3．2 OpenGL工作原理

4．3．3 OpenGL纹理映射技术

4．4 地形三维建模

4．4．1 数字地形的表示

4．4．2 数字高程模型的分类

4．4．3 TIN地形建模

4．4．4 地形建模过程

4．5 实验结果与分析

4．6 本章小结

5 矿山、矿体、钻孔一体化可视化系统的设计与实现

5．1 引言

5．2 系统分析

5．2．1 系统功能需求

5．2．2 系统设计原则

5．2．3 系统开发环境

5．3 系统设计

5．3．1 系统总体设计

5．3．2 系统功能模块设计

5．3．3 系统界面设计

5．4 系统核心功能实现

5．4．1 岩心钻孔分布及岩性显示

5．4．2 矿山地形三维显示

5．4．3 矿区矿体三维可视化

5．4．4 一体化可视化

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录