三维可视化测量中的关键问题研究

摘要

随着数字技术的突飞猛进，充分挖掘仪器硬件资源的能力，以实现测量仪器需要的高效和高质量显示以及高效的可视化测量，是仪器测量软件开发中的关键问题，对于降低测量仪器制造成本，提高仪器技术水平具有重要现实意义。依托某委托项目，对某款电子仪器配套三维可视化分析显示测量功能，实现在低端硬件设备上对海量测试数据进行高效处理渲染以及可视化测量关键技术的突破。论文利用显卡图形处理单元(Graphics Processing Units，GPU)强大的浮点运算能力、较高的数据传输速度以及并行运算能力，为面向海量测量信息处理的可视化测量仪器软件设计探索了一条可行的技术路径。基本思路是:基于DirectX11的计算着色器(Compute Shader，CS)在GPU内实现海量测量数据的处理和建模以及高速推送渲染;建立在GPU内实现海量数据模型上点的拾取模块，以提高仪器可视化测量中的交互执行。
　　论文阐述了可视化测量仪器的发展趋势，在分析主流三维开发平台的基础上选择基于Direct3D11渲染管线的新特性CS实现软件开发;基于Direct3D11三维图形学理论以及GPU运算架构，研究开发CS代码，以最小的顶点结构，在GPU上组织海量顶点数据;开发顶点着色器和像素着色器代码实现三维建模渲染和具有高速流动显示效果的推送渲染，实现了对中央处理器(Central Processing Unit，CPU)占用极小条件下的较高显示帧率;开发面向GPU的CS代码，完成傅里叶变换、对数取模以及平滑处理等测量数据预处理等工作，以降低CPU的开销并提高显示帧率;建立拾取模块实现海量数据模型上信息拾取，这一功能模块是可视化测量的核心，关系到测量结果的正确可靠。此外，在三维渲染下完成鼠标操控模型姿位、实现丰富的三维与二维切换等交互功能。软件通过运行，实现了功能和性能要求，并对拾取准确性和效率进行验证。
　　研究提出的基于GPU的测量仪器软件开发方法为挖掘仪器硬件能力、合理配置仪器CPU与GPU开销、在整体上提高仪器运行效率提供了一条有价值的技术路径。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究课题来源、目的及意义

1．3 研究课题的国内外现状

1．3．1 三维显示和可视化测量

1．3．2 三维开发平台

1．3．3 DirectX Graphics的简介

1．4 论文研究的主要内容

1．5 本章小结

第二章 Direct3D基础与软件框架

2．1 引言

2．2 Direct3D11基础

2．2．1 渲染管线、着色器与效果

2．2．2 空间及其变换

2．2．3 资源与资源视图

2．2．4 交换链与页面切换

2．3 软件框架

2．4 本章小结

第三章 海量数据的三维建模与渲染

3．1 引言

3．2 建模与绘制

3．2．1 顶点缓存

3．2．2 创建动态着色纹理

3．2．3 三维数据组织

3．2．4 三维静态渲染流程

3．3 推送数据组织

3．4 测量数据预处理

3．4．1 计算着色器的简介

3．4．2 数据预处理

3．4．3 预处理流程

3．5 本章小结

第四章 拾取与三维交互

4．1 引言

4．2 基于GPU的快速拾取

4．2．1 拾取原理

4．2．2 基于GPU的拾取算法流程

4．3 模型姿态

4．4 基于拾取的交互

4．3．1 坐标缩放

4．3．2 视口缩放

4．3．3 精选剖切

4．3．4 标记功能

4．5 本章小结

第五章 实验

5．1 显示帧率测量模块

5．2 拾取准确性与速度

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文