基于体素的混合绘制技术

在一体化模型建立后，各复合场仿真对象的场量信息由一些稀疏的空间离散高程点转换成了较规则的空间体素的集合，如在地表地形所涉及的体素集合中，每个体素都包括体素位置、体素大小、体素属性等信息；又如在矿体所涉及的体素集合中，每个体素不仅包括体素位置、大小等信息，还包括品位高低等信息。这些信息构成了实现各对象三维可视化仿真的基本要素，故兼用直接体绘制和基于体素的面绘制两类方法，实现基于体素集合一体化模型的混合绘制。

1.直接体绘制

直接体绘制是对三维数据场进行整体显示，对它的不同层次、材料、特性的各个组成部分，在一幅图像中表现出来，得到的是三维数据场的全局图像，数据场内部的细微结构和微小变化都可以不同程度地表现出来。它同传统的可视技术的主要区别在于：它不通过几何造型等其他的中间转换手段，也就是说，它的处理对象不再是曲线、曲面等几何图元，而是直接对一个三维标量场或者矢量场进行操作，即直接给数据场中的体元赋予一定的色彩和透明度，并根据光线穿越半透明物质时能量集聚的光学原理，进行色彩合成的成像操作。由于这些不同，就使体绘制方法具有许多特殊性，包括光照模型、混色模型、裁剪模型和几何变换模型等。

（1）光照模型。在体绘制技术的光照模型中，设定物质的不透明度O为光线从外部进入物质时在单位长度内衰减的比例。物质的微分不透明度Ω为从外部进入的光穿过物质时衰减的比率；在一阶无穷小的距离dδ内，有Ω（δ）dδ部分的光被吸收了，则有[1-Ω（δ）]dδ部分的光穿过。

根据光学原理，若不透明度Ω为常数，则光线穿过厚度为1的物质时，物质的不透明度为O=1-e-Ω。另设物质的发光强度I为物质在单位长度内所发出的光，物质的微分发光强度E为物质发光的比率，即在一个无穷小的距离dδ内所发出的光。

当光线穿过一个体元时，设δ表示光线进入体元内部后的点与进入点的距离，Ec（δ）表示此物质关于颜色c的微分发光强度，T（δ）表示光在此物质中穿过δ距离之后所剩的比率，Ic（δ）表示此物质关于颜色c所发出的光在传出δ距离后的光强，则可以用来进行光照模型中光强模型和光源颜色模型的建立和数值的计算。

（2）混色模型。在体绘制技术的颜色混合模型和透明度模型中，可以将某个像素的颜色及透明度和已绘制在屏幕上与其对应的像素颜色及透明度相互结合。

设定源像素s和目标像素r，源像素的混色因子S和目的像素的混色因子D，若颜色及透明度按红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B及透明度A等4项组合形式（R，G，B，A）进行表达，源像素各色透明度为（As，As，As，As），目标像素为（1，1，1，1）-（As，As，As，As），则合成后的颜色及透明度为[RsAs+Rd（1-As），GsAs+Gd（1-As），BsAs+Bs（1-As），AsAs+Ad（1-As）]。

（3）裁剪模型。体绘制技术中的三维裁剪变换包括视景体裁剪和附加平面裁剪。视景体裁剪是将一个六面体的视景体进行的，并通过四边形的近裁剪平面和远裁剪平面定义这个视景体。在其裁剪的过程中，首先将视景体映射为一个投影矩阵，再对绘制体投影变换后，去掉不在视景体内的对象，以达到剪裁效果。平面裁剪是通过定义一个或多个附加裁剪平面，以去掉场景中无关的目标。设裁剪平面的一般方程为Ax+By+Cz+D=0，则通过给定的A、B、C、D值，以确定一个裁剪平面，并以逆时针方向为正方向去除此平面负方向的对象。(www.xing528.com)

4）矩阵级联模型。可以通过矩阵相乘将几个矩阵变换的效果合并起来的过程。例如，若将旋转矩阵与平移矩阵相乘后的矩阵作为变换矩阵的话，就可以达到平移后再旋转的效果。

2.基于体素的面绘制

基于体素的面绘制是在三维空间构造出中间几何图元（如多边形网格），并由计算机图形学技术实现图形显示。对生成的体模型表面网格可以用不同的显示方法进行显示或进行坐标变换。移动立方体法（Marching C ubes，MC）就是基于体素的面绘制方法的典型方法，在此，采用该方法对数据场中的体素逐层、逐行、逐列地进行处理，提取出整个体素模型的等值面，最终生成的等值面为三角形网格，其具体方法在后面详述。

3.绘制方法对比

基于体素的面绘制法侧重于三维空间表面的表达，它可以精确地描述物体的表面，如地形表面、断层表面等。通过三角面元几何可以精确地表示物体的空间外表，方便于空间物体的显示和表面的编辑，不足表面模型无法表达物体内部的属性，因而无法进行综合的空间分析。

直接体绘制方法主要基于光线跟踪算法，是通过绘制构成实体的各体素单元的形体和属性进行实体的模型仿真。由于体素单元是将整个物体空间划分为以体元为单位的细小空间立体结构，对每个细小的体元可以进行属性的赋值和空间位置的精确定位，所以这种绘制方法侧重于三维空间内部结构的表示，可以描述物体内部的丰富属性和特性，如矿体、水结构、地质结构等。通过对体元的描述实现三维空间目标表示，其优点是适于空间操作和分析。但在物体表达精度要求较高的情况下，体素会产生数目巨大的体元，这将使系统仿真时存储空间占用较大，计算速度也较慢；同时，该方法由于显示时缺少物体表面其他信息，如物体表面法矢，利用这种方法只能对物体进行简单地显示；当物体的观察点发生变化或物体在三维空间进行坐标变换时，必须重新利用光线跟踪算法生成显示数据。另外，该方法计算量大，且难以利用传统的图形硬件实现绘制，因而计算时间较长。

基于体素的这两种绘制方法并没有绝对的优势，它们只是在某一领域内能够很好地表达三维物体模型，如有的适合于模拟矿体，而有的则适合于模拟其他规则对象、面对象。而基于体素的面绘制和直接体绘制方法并不是对立的两种空间绘制方法，它们的本质是空间物体的边界和内部属性表达的不同方式；相反，在给定精度的条件下两者可以组合，灵活地表达一个物体的表面结构和内部属性。所以，在矿山复合场一体化模型的仿真技术同时采用了这两种基于体素的绘制方法，并根据对象的表达侧重内容不同分别采用不同的绘制方法灵活地表达对象。