CN103295269A

CN103295269A - 一种电磁环境体数据等值面提取方法

Info

Publication number: CN103295269A
Application number: CN2013102589552A
Authority: CN
Inventors: 陈雷霆; 邱航; 蔡洪斌; 钱坤; 卢光辉; 曹跃; 周川; 朱晓丹
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN103295269B

Abstract

一种高效的电磁环境等值面提取方法，通过Longley-Rice电磁波传播模型计算电磁环境体数据，将数据按照八叉树的结构进行存储。通过遍历八叉树，找出含有等值面的体素，进行等值面提取。在对含有等值面的体素进行等值面提取的时候，采用了将多种等值面提取算法融合的方式，对于不含有二义性的体素，直接采用了简单方便的MarchingCube方法进行等值面提取，而对于存在二义性的体素，采用将体素分割成五面体的方法再次进行等值面提取，在算法过程中，充分利用图形硬件中几何着色器所带来的优势，高效进行等值面提取。采用本发明的方法，大大减少了三角形面片的数量和不必要的冗余存储空间，提高了绘制效率。

Description

一种电磁环境体数据等值面提取方法

技术领域

本发明属于电磁环境可视化技术领域，具体涉及一种高效的电磁环境体数据等值面提取方法。

背景技术

电磁环境是一种无形的环境并存在多样性的特征。电磁环境是由电磁设备向周围空间辐射电磁波形成的。电磁波的传播是受到多方面因素的影响，会出现衰减现象。现阶段主要的电磁波传播模型有Longley-Rice模型、Durk in 模型、Okumura模型、Hata模型以及 Carey模型等，其中Longley-Rice模型可以模拟各种复杂环境，包括不同气候类型，不同地形，不同的传播介质，不同频率等。通过使用Longley-Rice模型计算出空间中电磁强度分布，并将分布数据保存在三维体数据中，使用计算机图形学的方法，将电磁态势表现出来，已逐渐成为该领域的一个新兴的方向。

等值面提取技术是三维数据场可视化方法中一种重要的方法，主要是通过找出与给定阈值等值面相交的体素，求出每个体素与等值面相交的情况，进而绘制出每个体素中包含的等值面。对于W.E.Lorenson和H.E.Cline在1987年提出来的经典的等值面提取算法Marching Cube，优点在于这一方法原理简单，易于实现，但是Marching Cube算法存在二义性，大大限制了Marching Cube算法的灵活性。Marching Tetrahedra 算法则是在Marching Cube的基础上进行改进，该方法首先将立方体单元剖分为四面体，然后在其中构造等值面，这种方法避免了二义性问题的存在。但是Marching Tetrahedra算法将体数据分割成六个四面体，在每个四面体中要进行等值面判断和提取，会产生大量的三角形面片和冗余顶点索引，对于大规模体数据等值面提取，该方法对于对硬件带宽和存储空间的消耗，都是不容忽视的。

对于电磁环境三维数据场等值面提取技术，从目前的研究现状来看，吴玲达,杨超，陈鹏. 《基于GPU的等值面提取与绘制》，陈鹏，杨超，吴玲达.《硬件加速的等值面提取与绘制》[J]. 小型微型计算机系统. 2008(08)，杨超《虚拟战场中电磁环境三维建模与绘制方法研究》[D]；国防科学技术大学；2010年，这三篇文章已对电磁环境三维可视化进行了深入研究，其研究成果中等值面的提取主要是采用Marching Tetrahedra算法进行实现，取得了良好的效果，但是在绘制效率上扔存在很大的提升空间，其方法只是针对所有体素单一的采用Marching tetrahedra算法，这样过细的分割体素，会产生大量三角形面片，影响绘制效率，同时其文章中提出的算法，需要采用大量纹理来保存绘制需要的相关信息，对于大规模的数据绘制，空间复杂度大大增加。在求取等值面和体素交点的时候，并未充分利用现有硬件的特性，随着技术的发展，现有硬件已经可以做到通过传入顶点创建新顶点的能力。采用图形硬件的几何着色器（Geometry Shader）便能很好的解决这个问题。几何着色器可以通过指定输入图元类型和输出图元类型以及所能提交的最大顶点数，来生成新的图元或删除已有的图元，达到增加数据扩大和数据缩小的功能，使的几何着色器能够利用邻点的信息而不依靠CPU的帮助下创建出新的数据，从而可以提供更加精细的模型细节。

发明内容

鉴于上述不足之处，本发明的目的在于提供一种电磁环境体数据等值面提取方法，可以解决以下的技术问题：实现电磁环境三维等值面高效绘制和切片表现，充分利用现有图形硬件特性，提出一种将多种等值面提取算法融合的高效等值面提取算法，不仅提高绘制效率同时节省存储空间，结合曲面细分技术，在减少了电磁数据计算所带来的巨大资源消耗的同时，增强了可视化效果。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电磁环境体数据等值面提取方法包括如下步骤：

（1）电磁环境的计算：采用Longley-Rice模型计算出指定空间处的电磁强度，将数据保存至三维体数据中；

（2）采用八叉树的存储结构保存电磁环境体数据：采用八叉树的存储结构，在所有非叶子节点中保存对应体素中的最大值和最小值，在叶子节点中保存体数据的真实数据，对八叉树进行遍历，找出含有给定阈值等值面的叶子节点；

（3）对于不存在二义性的体数据，进行等值面提取：按照给定的等值面阈值和前一步骤遍历的结果，对于包含等值面的八叉树的叶子节点，以扫描线方式逐个处理叶子节点所包含的体素，求出每一个体素内包含的等值面，由此生成整个体数据的等值面；

（4）对存在二义性的体数据，进行数据分割并进行等值面提取：针对上一步骤算法中出现的二义性问题，将体数据进行分割，分割成五个五面体，消除部分二义性，对分割的子块继续进行等值面提取，如果子块仍存在二义性，对子块继续进行分割，分割成两个四面体，对分割后的体素进行等值面提取。

进一步的，所述步骤（1）中电磁环境的计算的具体方法是：

把电磁数据离散成网格数据；

采用Longley-Rice模型，根据通信设备的位置信息，分别在视距，衍射和散射三个区域内计算电磁波传播损失；

计算自由空间的电磁传播损耗：Lfree=10lg(pt/pr)=32.45+20lgf+20lgd(dB)，其中f为电磁波频率，R为作用距离；

计算电磁设备在空间中的电磁强度，其值等于电磁设备的发射功率减去总的损耗后的结果；

将电磁强度值保存在空间坐标（x，y，z，w）中的第四个分量w中，方便以后在图形硬件中进行等值面的提取。

进一步的，所述步骤（2）中采用八叉树的存储结构保存电磁环境体数据的具体方法是：

A.按照八叉树的组织方式，将电磁环境体数据中的最大值和最小值保存在八叉树对应节点中，并将体数据的真实值保存在叶子节点中；

B.对八叉树进行遍历，寻找包含等值面的体素，并进行等值面提取。

进一步的，所述步骤（3）中对于不存在二义性的体数据，进行等值面提取的具体方法是：

a.根据提供的等值面的阈值,对体数据的八个顶点进行分类,以判定顶点是位于等值面之内还是位于等值面之外；再根据顶点分类结果确定等值面和体素的相交模式；

b.判断体素各个面上是否具备二义性，如果有二义性则执行步骤（4），如果没有二义性，则继续执行下一步骤c；

c.将体素和等值面相交的256种组合方式分别对应的等值面的三角形构成方式，保存在一张纹理中，传入图形硬件；

d.采用一个8bit的变量来存取八个体素顶点的状态，根据8bit的状态变量去索引c中传入图形硬件的纹理，获取等值面和体素的相交方式，利用支持shader model 4.0的图形硬件所具备的几何着色器（Geometry Shader），采用线性插值的方式来完成等值面提取。

进一步的，所述步骤（4）中于对存在二义性的体数据，进行数据分割的具体方法是：

①.将电磁环境体数据进行如下分割，取体数据的一个存在二义性的面，按照两条对角线进行四分，对角线的交点即为该面的中心点，将不在该面上的点与中心点进行连接，将立方体分成五块五面体；

②.将体素和等值面相交的32种组合方式对应的等值面的三角形构成方式，保存在一张纹理中，传入图形硬件，提供给下一步使用；

③.如果五面体体数据中的四边形不存在二义性，采用一个8bit的变量中的5bit来保存五个体素顶点的状态，根据8bit的状态变量去索引步骤②中传入图形硬件的纹理，获取等值面和体素的相交方式，利用支持shader model 4.0的图形硬件所具备的几何着色器（Geometry Shader），采用线性插值的方式，求取等值面和体素的交点，然后提取等值面；如果存在二义性，则进行步骤④；

④.将五面体按照四边形面的一条对角线进行分割；

⑤.采用4bit的变量，来保存四面体体数据的顶点状态，将四面体体数据和等值面相交的16种组合方式所对应的等值面的三角形构成方式，保存在一张纹理中，传入图形硬件，提供给步骤⑥使用；

⑥ 根据4bit的状态变量去索引步骤⑤中传入纹理对应的相交情况，利用图形硬件的几何着色器（Geometry Shader），采用线性插值的方式，求取等值面和体素的交点，然后提取等值面。

本发明中的图形硬件为计算机中的显卡，也称GPU。

本发明具有以下优点：首先，本发明采用步骤（3）、步骤（4）的混合等值面提取法，利用体素分割作为中介，将三种不同的等值面提取方法联系起来，更大程度体现了多种等值面提取算法各自特有的优势，并充分利用图形硬件中几何着色器（Geometry Shader）的特性，高效进行等值面提取，大大减少了三角形面片的数量和不必要的冗余存储空间，提高了绘制效率。

附图说明

图1 为电磁环境等值面提取方法的整体流程图。

图2 为将体数据分割成五块的方式示意图。

图3 为五面体体数据和等值面相交的所有情况示意图。

图4 为将五面体按照对角线分割成四面体的方式示意图。

具体实施方式

下面我们将结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提出的电磁环境等值面提取方法的步骤如下：

（1）电磁环境的计算：采用Longley-Rice模型计算出指定空间处的电磁强度，将数据保存至三维体数据中。

电磁环境的数据建模，为了减少存储空间和提高绘制效率，把电磁数据离散成具有一定间隔的网格数据。

采用Longley-Rice模型，根据通信设备的位置信息，分别在视距，衍射和散射三个区域内计算电磁波传播损失。

[ d_min, d_Ls]为视距传播范围， [ d_Ls, d_x]为衍射传播范围，d_x为散射传播距离下限极值，d为通信距离。Longley-Rice模型是建立在实测数据和理论推导相结合基础上，其中的一些参数可以采用经验值替换。

自由空间的电磁传播损耗为：Lfree=10lg(pt/pr)=32.45+20lgf+20lgd(dB)

计算电磁设备在空间中的电磁强度，其值等于电磁设备的发射功率减去总的损耗后的结果。

将电磁强度值保存在空间坐标（x,y,z,w）中的第四个分量w中，方便以后在图形硬件中进行等值面的提取。

（2）采用八叉树的存储结构保存电磁环境体数据：采用八叉树的存储结构，在所有非叶子节点中保存对应体素中的最大值和最小值，在叶子节点中保存体数据的真实数据。对八叉树进行遍历，找出含有给定阈值等值面的叶子节点。

方法：

将原始电磁环境体数据中的最大值和最小值保存在八叉树的根节点中，然后将体数据均匀分割成八块，将每个体素子块中的最大值和最小值保存在子块对应的八叉树的子节点中，然后再将各自的子节点所对应的体数据再次均匀分割成八份，直到八叉树的高度达到指定值之后，将被分割后的体数据的真实值保存在叶子节点中。

在进行体素遍历时，如果给定的阈值不在节点中最大值和最小值的范围内，则不再对该节点的子节点进行遍历，如果阈值在节点的最大值和最小值的范围内，则继续遍历子节点。当遍历到达叶节点后，则对叶节点对应的体数据进行等值面提取。

（3）对于不存在二义性的体数据，进行等值面提取：按照给定的等值面阈值和前一步骤遍历的结果，对于包含等值面的八叉树的叶子节点，以扫描线方式逐个处理叶子节点所包含的数据场中的体素，求出每一个体素内包含的等值面，由此生成整个数据场的等值面。

方法：

根据提供的等值面的阈值，对体数据的八个顶点进行分类，以判定顶点是位于等值面之内还是位于等值面之外；再根据顶点分类结果确定等值面和体素的相交模式。顶点分类规则为：①如果顶点的数据值大于等值面的值，则定义该顶点位于等值面之内，记为“1”；②如果顶点的数据值小于等于等值面的值，则定义该顶点位于等值面之外，记为“0”。由于数据体素的八个顶点每个都具有两种状态，因而总共有256种组合方式，将对称的情况进行合并后，可以得到15种情况。

判断体素各个面上是否具备二义性。如果有二义性则执行步骤（4），如果没有二义性，则继续执行下一步：

将体素和等值面相交的256种组合方式分别对应的等值面的三角形构成方式即等值面和体素的相交方式，保存在一张纹理中，传入图形硬件。

采用一个8bit的变量来存取八个体素顶点的状态，在提取等值面时，根据8bit的状态变量去索引上一步中传入图形硬件的纹理，获取等值面和体素的相交方式，然后提取等值面，等值面与体素边界交点是用线性插值求得的。即P = P₁ + (isovalue - V₁) (P₂ - P₁)/ (V₂ - V₁) ，其中P₁ P₂是体素中相邻的两个顶点，P是所求等值面与边的交点。对于相交点的求取，采用图形硬件（GPU）所具备的几何着色器（Geometry Shader）来完成，可以指定传入顶点的数量，来产生新的顶点，从而完成等值面轮廓的绘制。③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩

（4）对存在二义性的体数据，进行数据分割并进行等值面提取：针对上一步骤中出现的二义性问题，将体数据进行分割，分割成五个五面体，消除部分二义性，对分割的子块继续进行等值面提取，如果子块仍存在二义性，对子块继续进行分割，分割成两个四面体，对分割后的体素进行等值面提取。具体为：

将电磁环境体数据进行如下分割：如图2所示，取体数据的一个存在二义性的面，按照两条对角线进行四分，对角线的交点即为该面的中心点，将不在该面上的点与中心点进行连接，这样将体数据分成五块。

对于分割后的5面体体数据，分别进行等值面的提取。如果顶点的数据值大于等值面的值，则定义该顶点位于等值面之内，记为“1”；如果顶点的数据值小于等值面的值，则定义该顶点位于等值面之外，记为“0”，这样五面体体素中每个顶点具有两个状态，因而总共有32种组合方式，将对称的情况合并后，如图3所示。

采用8bit的变量中的5bit，来保存五面体数据的顶点状态。将体素和等值面相交的32种组合方式对应情况下等值面的三角形构成方式即等值面和体素的相交方式，保存在一张纹理中，传入图形硬件，提供给下一步使用。

如果五面体体数据中的四边形不存在二义性，则在提取等值面时，根据8bit的状态变量去索引纹理中保存的相交情况，利用图形硬件的几何着色器（Geometry Shader），采用线性插值的方式，求取等值面和体素的交点，然后提取等值面。

如果存在二义性，则进行下一步：

将五面体中的四边形面按照一条对角线分割，分割方式如图4所示，对于被分割后的五面体体数据变成了两个四面体体数据，由于不存在四边形面片，因而不会存在二义性，直接进行等值面的提取，提取方法与前面方法类似，采用4bit的变量，来保存四面体体数据的顶点状态。将四面体体数据和等值面相交的16种组合方式所对应的等值面的三角形构成方式即等值面和体素的相交方式，保存在一张纹理中，传入图形硬件，提供给下一步使用。

根据4bit的状态变量去索引传入纹理对应的相交情况，利用图形硬件的几何着色器（Geometry Shader），采用线性插值的方式，求取等值面和体素的交点，然后提取等值面。

Claims

1.一种电磁环境体数据等值面提取方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的电磁环境体数据等值面提取方法，其特征在于：所述步骤（1）中电磁环境的计算的具体方法是：

把电磁数据离散成网格数据；

3.根据权利要求1所述的电磁环境体数据等值面提取方法，其特征在于：所述步骤（2）中采用八叉树的存储结构保存电磁环境体数据的具体方法是：

4.根据权利要求1所述的电磁环境体数据等值面提取方法，其特征在于：所述步骤（3）中对于不存在二义性的体数据，进行等值面提取的具体方法是：

d.采用一个8bit的变量来存取八个体素顶点的状态，根据8bit的状态变量去索引c中传入图形硬件的纹理，获取等值面和体素的相交方式，利用支持shader model 4.0的图形硬件所具备的几何着色器，采用线性插值的方式来完成等值面提取。

5.根据权利要求1所述的电磁环境体数据等值面提取方法，其特征在于：所述步骤（4）中于对存在二义性的体数据，进行数据分割的具体方法是：

①将电磁环境体数据进行如下分割，取体数据的一个存在二义性的面，按照两条对角线进行四分，对角线的交点即为该面的中心点，将不在该面上的点与中心点进行连接，将立方体分成五块五面体；

②将体素和等值面相交的32种组合方式对应的等值面的三角形构成方式，保存在一张纹理中，传入图形硬件，提供给下一步使用；

③如果五面体体数据中的四边形不存在二义性，采用一个8bit的变量中的5bit来保存五个体素顶点的状态，根据8bit的状态变量去索引步骤②中传入图形硬件的纹理，获取等值面和体素的相交方式，利用支持shader model 4.0的图形硬件所具备的几何着色器，采用线性插值的方式，求取等值面和体素的交点，然后提取等值面；如果存在二义性，则进行步骤④；

④将五面体按照四边形面的一条对角线进行分割；

⑤采用4bit的变量，来保存四面体体数据的顶点状态，将四面体体数据和等值面相交的16种组合方式所对应的等值面的三角形构成方式，保存在一张纹理中，传入图形硬件，提供给步骤⑥使用；

⑥ 根据4bit的状态变量去索引步骤⑤中传入纹理对应的相交情况，利用图形硬件的几何着色器，采用线性插值的方式，求取等值面和体素的交点，然后提取等值面。