基于Out-of-Core的海量数据等值面绘制技术研究与实现

基于Out-of-Core的海量数据等值面绘制技术研究与实现

论文摘要

可视化技术是海量数据处理与分析的重要手段。目前海量数据可视化面临许多困难,存在预处理时间长、绘制速度慢、磁盘消耗大等问题,实现海量数据的实时、交互可视化仍十分困难,因此该领域是国际上可视化的研究难点与热点。本文在系统地研究与分析海量数据预处理方法、并行绘制技术及加速显示方法的基础上,针对存在的问题,结合坐标空间划分、标量空间划分、核外数据调度及并行绘制显示等方法,对基于数据二维划分的BBIO树技术、基于跨度空间划分的压缩索引技术进行了深入研究,并完成了相关算法与系统框架实现。本文的主要工作及取得的主要研究成果包括:1)提出了加速BBIO树节点区间检索过程的四端点算法。针对传统BBIO树构造算法易产生病态树形结构的缺陷,四端点算法对BBIO树节点进行了基于重排序的组织与管理,有效提高了BBIO树节点内元单元的搜索效率,保证了实验规模数据的树形结构检索时间小于0.001秒。2)提出了基于数据二维划分的BBIO树方法。通过对海量数据集进行坐标空间的二维划分,使数据集的绘制显示能够适合多通道显示环境的显示需求,从而实现海量数据高分辨率显示的目的。在绘制阶段使用间隔标记法,元单元等值面提取时间较传统Marching Cubes平均减少了23%。3)提出了基于跨度空间划分的压缩索引方法。针对坐标空间划分数据易造成并行处理负载不均衡的问题,使用跨度空间划分方法分割网格标量空间,并使用并行归并排序和全互换数据通信完成对数据的分配,有效保证了并行绘制负载均衡。针对跨度空间划分方式存在索引结构占内存大的问题,采用压缩索引方法实现了基于压缩结构的BBIO树索引,与传统BBIO树组织结构相比,索引数据所占空间减少了40%。4)提出了基于立方体子元单元的二叉区间树方法。针对间隔标记法存在的性能与等值面分布相关问题,采用立方体子元单元对元单元进行划分组织,提高了等值面加速绘制性能。实验结果表明采用新方法绘制速度较传统Marching Cubes算法平均提高了32%。5)结合基于数据二维划分的BBIO树方法和基于跨度空间划分的压缩索引方法,依照现代软件工程的目标和原则,构建了海量数据可视化框架结构,描述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。框架结构具有扩展性好、重用性强等特点。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题研究背景
  • 1.1.1 科学计算可视化
  • 1.1.2 三维数据场可视化
  • 1.1.3 海量数据可视化
  • 1.2 国内外研究现状
  • 1.2.1 海量数据预处理技术
  • 1.2.2 海量数据绘制与显示技术
  • 1.3 论文结构
  • 1.4 论文研究成果
  • 第二章 海量数据集可视化相关技术研究
  • 2.1 海量数据集基本预处理方法
  • 2.1.1 数据处理基本方法
  • 2.1.2 Out-of-Core 技术
  • 2.1.3 BBIO 树技术
  • 2.1.4 数据划分技术
  • 2.2 海量数据相关绘制方法
  • 2.2.1 Marching Cubes 算法
  • 2.2.2 并行绘制技术
  • 2.3 本章小结
  • 第三章 基于数据二维划分的BBIO 树方法
  • 3.1 算法前提
  • 3.2 数据组织与划分
  • 3.2.1 数据空间二维划分
  • 3.2.2 建立BBIO 树结构
  • 3.3 绘制加速算法
  • 3.3.1 间隔标记法
  • 3.3.2 间隔标记法算法分析
  • 3.4 实验结果与性能分析
  • 3.4.1 实验环境
  • 3.4.2 数据预处理实验结果及分析
  • 3.4.3 绘制显示实验结果及分析
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 基于跨度空间划分的压缩索引方法
  • 4.1 算法前提
  • 4.2 元单元划分及索引
  • 4.2.1 跨度空间划分
  • 4.2.2 压缩索引机制
  • 4.3 绘制加速算法
  • 4.3.1 二叉区间树算法
  • 4.3.2 二叉区间树算法分析
  • 4.4 实验结果与性能分析
  • 4.4.1 数据预处理实验结果与分析
  • 4.4.2 并行绘制显示实验结果与分析
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 海量数据集可视化框架结构设计与实现
  • 5.1 海量数据集可视化框架结构
  • 5.1.1 顶层框架结构
  • 5.1.2 模块划分及功能描述
  • 5.2 模块性能分析
  • 5.2.1 模块效率分析
  • 5.2.2 模块功能可扩展性分析
  • 5.2.3 框架可重用性分析
  • 5.3 本章小结
  • 第六章 结束语
  • 6.1 工作总结
  • 6.2 未来展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士期间论文发表情况
  • 相关论文文献

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