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基于小波变换的单机上大规模数据集体绘制的研究与应用

作　者: 周琳娜
导　师: 蔡勋
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 大规模数据集可视化体绘制小波变换体数据编码二叉树单机
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

体绘制是科学计算可视化的重要手段之一,目前体绘制存在的问题主要是数据量的巨大与计算机实现效率之间的矛盾。体绘制算法自身的复杂性与体数据的庞大导致大规模体数据集实时、交互体绘制的实现仍十分困难,因此,大规模数据集体绘制是国际上科学计算可视化领域的研究难点与热点。本文主要针对数据预处理要解决的问题,系统地研究与分析了在单机上实现大规模数据集体绘制的相关技术,提出了较好的基于小波变换的数据组织模型,并通过采用改良9／7小波而得到的新滤波器来进行体数据的变换,获得较好的效果；同时在数据编码方面提出了基于块结构的深度优先二叉树数据编码方法,实现了体数据集的有效组织,最后实现了集成上述两种技术的体绘制系统框架结构。本文的主要工作以及取得的主要研究成果包括：1)提出了一种较好的体数据组织模型,不仅实现了数据的多分辨率分析,而且对数据编码和内存缓冲等都提供较好的支撑,可以在有限资源的设备如单机上实现数据的随机存取,获得较好的性能。2)改良经典9／7小波滤波器系数而得到了新的滤波器,结合GPU的强大并行计算能力,弥补其计算开销,得到较好的效果,有效解决Haar小波在对数据进行多次变换之后方块效应较明显的缺陷,并克服经典提升9／7小波滤波器系数是无理数而导致的计算难以实现等问题。新滤波器在保持数据低频压缩率以1／8的幂次递进倍增的前提下,获得了较好的绘制效果,并经过GPU的硬件加速,使其处理速度无论是在正向编码或是逆向解码中比经典提升9／7小波快约27%。3)提出了基于块结构的二叉树数据组织方法,针对实现多分辨率体绘制的目的,把二叉树结构与小波系数之间的相关性自然衔接起来,有效地解决了体数据经小波变换后的数据编码和调度问题,实现了数据的灵活调度、随机存取,有效地缓解了IO瓶颈,使得单机上的大规模数据体绘制得以高效实现。4)依照现代软件工程的目标和原则,构建了大规模数据集可视化框架结构,给出了完整的包图和类结构图,明确了模块的功能,阐明了模块与模块之间的关系。通过对框架结构的分析,说明了框架良好的功能及可扩展性和可重用性,通过对框架结构的优化,进一步提高了框架的运行效率。

全文目录

摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章绪论  13-20
  1.1 课题研究背景  13-16
    1.1.1 科学计算可视化  13
    1.1.2 体绘制  13-15
    1.1.3 单机上大规模数据集体绘制  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-18
    1.2.1 体数据预处理技术  16-17
    1.2.2 体绘制算法  17-18
  1.3 论文结构  18-19
  1.4 论文研究成果  19-20
第二章大规模数据集体绘制相关技术研究  20-33
  2.1 体数据预处理  20-25
    2.1.1 体数据基本压缩方案  20-21
    2.1.2 三维数据场EZW编码算法  21-23
    2.1.3 三维数据场SPIHT编码算法  23-25
  2.2 体绘制算法  25-31
    2.2.1 光线投射算法  25-28
    2.2.2 splatting算法  28-29
    2.2.3 体绘制算法基于硬件的优化  29-31
  2.3 本章小结  31-33
第三章基于改良提升9/7小波体数据预处理的实现  33-53
  3.1 小波基础理论  33-38
    3.1.1 连续小波变换  34
    3.1.2 离散小波变换  34-35
    3.1.3 多分辨率分析  35
    3.1.4 二进正交小波变换的Mallat算法  35-36
    3.1.5 小波变换的提升实现  36-38
  3.2 小波变换与体数据预处理  38-43
    3.2.1 基于小波变换的体数据预处理  38-40
    3.2.2 Haar小波变换在体数据预处理中的应用  40-42
    3.2.3 关于小波基的选择  42-43
  3.3 改良提升9/7小波滤波器及其对体数据预处理的实现  43-48
    3.3.1 提升9/7小波  43-44
    3.3.2 改良滤波器在三维数据场预处理中的实现  44-48
  3.4 实验与结果分析  48-52
    3.4.1 实验基本流程  48-49
    3.4.2 实验环境  49
    3.4.3 实验结果分析  49-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章一种新的体数据集编码与文件组织方法  53-61
  4.1 算法前提  53-55
    4.1.1 二叉树及其存储结构  53-55
    4.1.2 深度优先二叉树遍历  55
  4.2 数据编码和文件组织  55-59
    4.2.1 数据场空间划分与组织  56
    4.2.2 基于块的深度优先二叉树体数据编码方法  56-59
    4.2.3 分级细化存储的文件组织方法  59
  4.3 实验结果分析  59
  4.4 本章小结  59-61
第五章单机上大规模数据集体绘制的系统设计与实现  61-69
  5.1 框架结构  61-63
    5.1.1 设计目标  61
    5.1.2 系统框架结构设计  61-62
    5.1.3 系统流程  62-63
  5.2 系统实现  63-67
    5.2.1 模式的选择  64
    5.2.2 系统的设计  64-65
    5.2.3 设计的精化  65-67
  5.3 本章小结  67-69
第六章结束语  69-71
  6.1 工作总结  69
  6.2 未来展望  69-71
致谢  71-72
参考文献  72-75
作者在学期间取得的学术成果  75

基于小波变换的单机上大规模数据集体绘制的研究与应用

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