体积计算论文调研报告.docx
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体积计算论文调研报告
毕业论文（设计）调研报告
题目
实体体积计算算法研究与实现
学生姓名
闫昊
指导教师
陈学工
学院
软件学院
专业班级
软件工程0901班
完成时间
2013/03/21
摘要
我们正处在一个个工程化的时代，工程的设计工作的复杂度越来越高，需要的精准度也是越来越高，苏伊通过计算机软件实现精确，快速的计算出工程中需要的数据就显得尤为重要。
体积的计算就是工程设计中一个重要的数据，很多方面的工程设计需要精确的体积计算，如矿藏探测，医学手术，工程施工，油田储油探测等等，精确的体积计算为工程的顺利实施提供了科学的保障。
工程中更多的利用计算机是现代工程信息化的表现。
在实际建设中对体积的计算方法有网格模型，体素化计算和基于栅格的体积计算算法，这些方法各有各的特点，空间时间效率各有不同，精准度各有差别。
关键词：
体积计算；体素；栅格
目录
摘要I
目录II
第一章前言1
1.2GIS技术1
1.3研究背景1
1.1研究意义2
第二章体积计算算法的研究现状2
2.1GIS技术研究现状2
2.1体素化方法研究现状3
2.2栅格算法研究现状3
2.3网格模型研究现状3
第三章体积计算的关键技术3
3.1体素化3
3.1.1对模型表面的体素化4
3.1.2对模型内部的体素化4
3.2栅格算法4
第四章毕业设计设想5
第五章毕业设计进度安排6
第六章结论6
参考文献：
6
第一章前言
1.2GIS技术
地理信息系统（GIS）技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术，在资源与环境应用领域中，它发挥着技术先导的作用。
GIS技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。
目前，GIS技术与方法已被广泛应用于区域地质调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理等领域。
通过GIS的可视化技术和空问分析技术，实现对地质体内部结构及变化规律的分析，以及对地质体的空间几何属性的统计计算，为提取多元地学信息和地质信息综合解释提供了有力的技术手段。
基于钻探资料恢复地下对象的三维特征，虽然有不少的方法，但由于岩层构造的复杂性，特别是断层的出现，造成地层断裂和显著的位移而给矿体体积的计算带来一定的影响。
根据钻井数据、地面高程数据、断层倾向及倾角，笔者利用GIS手段计算地下矿体的储量，并利用GIS的空间分析、3D显示和统计计算功能，进行地下矿体资源的计算、三维显示以及区域矿产资源空间分布的统计分析。
1.3研究背景
七十年末期已有GIS成功应用的实例,如加拿大GIS等。
然而当时的GIS主要处于技术的发展阶段。
随着计算机技术的发展,最近十年来，GIS发生了一个飞跃。
技术不断完善,，应用环境逐渐成熟,，社会需求大幅度增加，并成为一门新兴的信息产业。
GIS产业主要包括软件、硬件、数据交换、遥感与航空摄影、制图与野外数据采集、系统集成与咨询等七大组成部分。
在各个部分中,软件是GIS技术的核心,而从事软件开发和系统集成的公司则构成了GIS产业的主体，美国Intergraph、ESRI、IBM，英国Laser-Scan，德国Siemnes等公司在GIS的产业化进程中发挥了重要作用。
产业形成与发展的重要标志是GIS数量的大幅度增加，然而要对全世界GIS数量进行统计是一件非常困难的事情,，根据《GisWorld》提供的资料和作者的分析，迄今，世界各种商业GIS软件销售总数达38.8万套，加上公众化软件（PublicDomain）和军事化软件，GIS软件总的装机数在45万套左右。
若按每个系统平均3--5套软件计，估计目前世界上各类GIS系统达10万个。
此外，一些自动制图系统，如AutoCAD数据扩展软件（ADE）等逐渐升级为GIS，若把这类系统纳入之内，GIS数量则更多。
从整个信息产业看，GIS所占份额虽小，但已经成为一支重要的力量，并具有一定的规模，而且保持着良好的增长势头。
Parker认为，1990年全球GIS销售额为24亿美元[1]。
著名英国GIS专家Rhind认为GIS年销售额超过100亿美元[2]。
根据国际信息产业权威咨询机构Dataquest公司的调查，GIS年产值为30亿美元，并以每年16—40%的速度递增。
有人预测，到2000年GIS软件系统将达200--500万个用户[3]。
GIS产业的形式，为改造旧产业提供了良机。
传统的测绘制图业，被自动化技术和数字产品所取代，旧的城市与土地管理模式被更新。
例如，英国军械测量局已全部采用数字地图，原来需要一栋大楼作为图库，而今奇迹般地把全部地图装入一只皮箱。
GIS与遥感和全球定位系统（GPS）等技术的结合，大大减少了野外考察工作，提高了地质和石油勘探、资源普查及环境监测的效益，使许多部门受益。
1.1研究意义
随着科学技术的进步和建设事业的发展，大型工程系统日益增多，工程中体积的计算是一个重要方面，运用计算机得到一个快速精确的体积计算方法就显得尤为重要。
在地质领域中经常要进行体积的计算，公路设计要估算土方开采量，油田建设要探明储油量，而计算地下岩层的含水量对于确定合理的地下水开采方案减少与防止地面沉降以及由此引起的地质灾害有着十分重要的意义
在医学领域，对活体器官与组织的三维成像及其不规则体积的计算为肿瘤的空间定位，手术指导和判断组织发育异常等方面带来极大的帮助。
在医学图像三维可视化技术中，医学体数据集中器官内部情况的显示对医生进行病灶的定位诊断和治疗具有重要的意义，重构目标结构的边界曲面，有助于清晰的现实三维图像内部所包含的组织，更重要的是为实现活体组织结构定量测量提供了可能。
面对机械设计和加工中各种复杂的零部件，如何快速精确的计算模型的体积，以估计生产用料数量，关系到生产企业的原材料采购和成本核算，具有较大的使用价值和现实意义。
第二章体积计算算法的研究现状
2.1GIS技术研究现状
随着GIS技术的成熟，数据的积累和应用环境的改善，应用范围不断扩大。
今天，GIS已进入政治分析、经济规划、农业耕作、商业布局、金融战略、交通运输、体育竞赛、工程设计与管理、卫生防疫等几乎所有涉及空间信息的行业。
GIS市场也由过去的技术驱动转变为应用驱动，应用已成为GIS市场发展的动力。
GIS不仅是一种管理和辅助决策工具，而且也是科学研究的一种重要手段。
其数据处理与空间分析能力，被地学、生态学、考古学和社会学等许多学科所采用。
例如，进入美国亚利桑那州“生物圈2号”的第二批科学家，也采用了这一技术，他们通过2000多个传感器，对“生物圈”中的气温、二氧化氮、氧气、光、空气温度和土壤温度等环境要素每隔15分钟采样，在ARC/INFO系统支持下，进行综合分析和作图，为完成“生物圈二号”的使命提供了完整的数据记录和综合分析工具。
商业是GIS应用的另一热点。
现在已发展为一个新的GIS分支---商业地理分析技术（businessgeographics）。
据新近出版的“商业地理分析技术”杂志报道，1990年商业地理分析技术在美国的销售额达1000万美元，预计到1997年将超过2亿美元。
商业地理分析技术的兴起，反映了GIS应用从政府走向企业的一种新趋势。
然而，政府仍然是GIS最主要的应用部门。
据《GIS战略》杂志统计，政府部门占GIS应用的36%。
GIS在一些国家的政府部门已相当普及，例如英国，GIS已普及至县，成为城镇规划与土地管理的规范性工具。
GIS在国际组织中的应用也日益广泛。
在联合国系统中，如联合国发展署（UNDP）、联合国环境署（UNEP）、联合国教科文组织（UNESCO）、国际开发研究中心（IDRC）、亚太经社会（ESCAP）等机构均专设立了GIS项目和培训计划。
在各个应用领域中，土地信息系统（LIS）、自动制图与设施管理（AM/FM）、森林信息系统（FIS）、环境信息系统（EIS）和城市信息系统（UIS）仍占主导地位。
但近年来，GIS在智能化汽车与公路系统（IHVS）和商业中的应用发展极快，特别引人注目。
总之，GIS已形成了一个多层次、不同尺度的应用格局。
应用程度已经上了一个新的层次。
从过去的数据入和数据出的地理数据系统到现在的具有分析功能地理信息系统，即从简单的提供数据走向提供分析模型和供解决问题的办法。
2.1体素化方法研究现状
目前存在多种体素化算法，主要分为表面体素化（surfaceVoxelization）[4]和实体体素化（solidVoxelization）、二值体素化（binaryVoxelization）和多值体素化（non-binaryVoxelization）以及软件体素化和硬件体素化。
软件体素化基于几何相交判断、滤波和距离计算等原理，主要依靠CPU进行；硬件体素化则利用了GPU硬件的特性和优势，重在提高体素化的效率。
2.2栅格算法研究现状
目前有关缓冲区分析的算法多是针对二维空间的，包括矢量算法、栅格算法和混合算法.矢量算法主要有角分线法、凸角圆弧法、边约束三角网辅助法等；栅格算法主要是欧氏距离变换法；混合算法是利用栅格数据进行多边形重叠合并，最后提取边界并采用矢量表示.然而，现实世界的地物是以真三维的形式存在的，人们往往需要对三维空间的地物进行缓冲体分析，如确定地下污染源的影响范围、铺设地下管网确定施工范围、火山喷发对火山口气体膨胀扩张的模拟等.由于目前商业化三维GIS软件较少，加上三维空间关系比二维要复杂得多，所以对三维缓冲体生成的算法研究较少.对比矢量算法和栅格算法，采用矢量算法进行缓冲区分析涉及到大量的几何求交运算，而栅格算法容易理解并且较易实现，
2.3网格模型研究现状
网格[5]模型是使用最广泛的三维形体表示形式，它可以以任意精度表示任意复杂的曲面和形体。
在CAD/CAM中，由自由曲线曲面构造出的机械零部件通常需要经过离散化处理，在转化为网格模型（如STL文件）之后，才生成CNC代码，交由CAM设备进行加工。
在逆向工程应用中，由实物经坐标测量机等数字化设备得到的点云数据也大多转化为三角网格模型进行存储，以便根据各种不同的工程需要进行进一步的处理。
快速成型设备则可以直接利用网格模型数据进行加工和生产。
随着细分曲面技术广泛地应用到几何造型领域中，网格模型成为曲面的主流描述方式之一。
第三章体积计算的关键技术
3.1体素化
体素化（Voxelization）是将物体的几何形式表示转换成最接近该物体的体素表示形式，产生体数据集，其不仅包含模型的表面信息，而且能描述模型的内部属性。
表示模型的空间体素跟表示图像的二维像素比较相似，只不过从二维的点扩展到三维的立方体单元，而且基于体素的三维模型有诸多应用。
3.1.1对模型表面的体素化
这一步的操作比较简单，首先计算出模型的AABB包围盒，然后根据空间分辨率对包围盒进行划分，得到每个大小为（X/N）*（Y/N）*（Z/N）空间像素列表。
然后对构成3D模型的多边形或三角形列表进行遍历，得到这些基本体元所对就应的包围盒，然后由AABB求交运算得到这些基本体元所能影响到的体素单元，将这些体素单元做为待判断的基本对象。
为了做进一步的精确判定，使用三角形与AABB的求交算法确定这些基本体元所能影响到最终体素，并将这些体素标记为非空，这样就完成了对3D模型表面的体素化操作。
3.1.2对模型内部的体素化
将模型表面体素化的操作进行完之后即可得到对模型体素表示的一个“外壳”，接下来要做的操作就是进行模型的内部体素化操作。
这里采用一种简单的方法。
首先将对应的3D模型建立空间八叉树[6]，这棵八叉树主要用于进行基本体元面片的求交操作。
然后对模型AABB中的所有空体素，从其中心位置以轴对齐方向来发射两条射线，这两条射线的方向相反，但基本方向都是轴对齐的。
对于这两条的射线利用空间模型的八叉树来得到其与3D模型的相交位置，并得到相交点的法向量及到相交点的距离，然后根据这两点法向量之间的关系来判断得到当前体素是在3D模型的内部或是在3D模型的外部。
将这样的操作施加于每一个空的体素之后就可以完成对3D模型内部的体素化操作。
但是将这样的操作施加于每一个空的体素速度比较慢，故而此处可以采用扫描的方法来进行加速处理。
如果判断得到某个体素的位置为模型内部后，就可以根据射线的方向及这两条射线与模型的交点处的距离来对当前体素相邻的体素进行扫描，这样不需要再做判断就可以标记出相邻体素的状态，这样就加速了整个模型内部的体素化操作。
3.2栅格算法
最基础的栅格化算法将多边形表示的三维场景渲染到二维表面。
多边形由三角形的集合表示，三角形由三维空间中的三个顶点表示。
在最简单的实现形式中，栅格化工具将顶点数据映射到观察者显示器上对应的二维坐标点，然后对变换出的二维三角形进行合适的填充。
变换
通常使用矩阵运算进行变换，另外也可以用四元数运算但那不是本文讨论的范围。
在三维顶点中添加一个齐次变量成为四维定点然后左乘一个4x4的变换矩阵，通过这种方法就可以对三维顶点进行变换。
主要的变换有平移、缩放、旋转以及投射。
裁剪
一旦三角形顶点转换到正确的二维位置之后，这些位置可能位于观察窗口之外，也可能位于屏幕之内。
裁剪就是对三角形进行处理以适合显示区域的过程。
最常用的技术是Sutherland-Hodgeman裁剪算法。
在这种方法中，每次测试每个图像平面的四条边，对于每个边测试每个待渲染的点。
如果该点位于边界之外，就剔除该点。
对于与图像平的面边相交的三角形边，即边的一个顶点位于图像内部一个位于外部，那么就在交叉点插入一个点并且移除外部的点。
扫描变换
传统的栅格化过程的最后一步就是填充图像平面中的二维三角形，这个过程就是扫描变换。
第一个需要考虑的问题就是是否需要绘制给定的像素。
一个需要渲染的像素必须位于三角形内部、必须未被裁掉，并且必须未被其它像素遮挡。
有许多算法可以用于在三角形内进行填充，其中最流行的方法是扫描线算法。
由于很难确定栅格化引擎是否会从前到后绘制所有像素，因此必须要有一些方法来确保离观察者较近的像素不会被较远的像素所覆盖。
最为常用的一种方法是深度缓存，深度缓存是一个与图像平面对应的保存每个像素深度的二维数组。
每个像素进行绘制的时候都要更新深度缓存中的深度值，每个新像素在绘制之前都要检查深度缓存中的深度值，距离观察者较近的像素就会绘制，而距离较远的都被舍弃。
为了确定像素颜色，需要进行纹理或者浓淡效果计算。
纹理图是用于定义三角形显示外观的位图。
每个三角形顶点除了位置坐标之外都与纹理以及二维纹理坐标（u,v）发生关联。
每次渲染三角形中的像素的时候，都必须在纹理中找到对应的纹素，这是根据在屏幕上像素与顶点的距离在与纹理坐标相关联的三角形顶点之间插值完成的。
在透视投影中，插值是在根据顶点深度分开的纹理坐标上进行的，这样做就可以避免透视缩减（perspectiveforeshortening）问题。
在确定像素最终颜色之前，必须根据场景中的所有光源计算像素上的光照。
在场景中通常有三种类型的光源。
定向光是在场景中按照一个固定方向传输并且强度保持不变的光。
在现实生活中，由于太阳距离遥远所以在地球上的观察者看来是平行光线并且其衰减微乎其微，所以太阳光可以看作是定向光。
点光源是从空间中明确位置向所有方向发射光线的光源。
在远距离的物体上的入射光线会有衰减。
最后一种是聚光灯，如同现实生活中的聚光灯一样，它有一个明确的空间位置、方向以及光锥的角度。
另外，经常在光照计算完成之后添加一个环境光值以补偿光栅化无法正确计算的全局照明效果。
有许多可以用于光栅化的浓淡算法。
所有的浓淡处理算法都必须考虑与光源的距离以及遮蔽物体法向量与光照入射角。
最快的算法让三角形中的所有像素使用同样的亮度，但是这种方法无法生成平滑效果的表面。
另外也可以单独计算顶点的亮度，然后绘制内部像素的时候对顶点亮度进行插值。
速度最慢也最为真实的实现方法是单独计算每点的亮度。
常用的浓淡模型有 Gouraudshading 和Phongshading。
第四章毕业设计设想
通过深入学习体积计算算法的基本原理，查看国内外相关资料，在加下来的毕业设计实现阶段我要达成以下几个目标：
（1）根据基本原理做出体积计算算法的基本模型，能通过程序达到计算规则几何体的体积的功能；
（2）通过自己的学习，对算法进行一定的改进，实现对不规则体积的三角化，进而计算体积，；
（3）研究优化的体积计算算法，使得计算的效率更高，精确度更高
。
第五章毕业设计进度安排
阶段
阶段内容
起止时间
第一阶段
需求分析、设计
1——4周
第二阶段
编码、测试
5——11周
第三阶段
撰写毕业论文
12——14周
第四阶段
准备答辩
15周
第五阶段
答辩
16周
第六章结论
以上分析表明，GIS应用在世界上发展到一个新的高潮，GIS应用的社会背景已经成熟，“信息高速公路”和持续发展是科学技术与社会发展的动向，它们为GIS应用开创了可喜的前景。
我国GIS应用也进入一个新阶段，在科研和应用上均取得了可喜成绩，特别是在沿海地区，应用于城市土理管理上的大型GIS系统已在一些城市建立和酝酿之中。
可以预测一个新的GIS应用热潮即将到来。
参考文献：
[1]H.DennisonParker（ed），1991The1991-1992InternationalGISWORLD.Inc.Ft.CollinsColorado.
[2]DavidRhind.WherenextForGIS/LIS?
KeynoteAddressinAsiaGIS/LISAM/FMandSpecialAnalysisConference,HongKong1994.
[3]JackDangermond.CommercialGISwillBeDiverseApplications1991—1992InternationalGISDourcebook,GISWORLDInc.1992.
[4]于斌,孙斌,温暖,等.NS2与网络模拟[M].北京:
人民邮电出版社,2007.
[5]管天,卢泽新,白建军.基于半实物网络仿真的包截获关键技术研究[J].计算机工程与科学,2006,28（12）:
99-102
[6]吴堃,戴菡,陆桑璐,等.基于NS2的P2P网络模拟平台研究[J].系统仿真学报,2006,18（10）:
2152-2157.
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