面向3D打印的医学图像分割与三维可视化软件平台
这是一篇关于医学图像分割,三维可视化,3D打印,VTK,WebGL的论文, 主要内容为目前,医学三维重建技术能为医生从多方位、多层次的观察角度呈现病灶的立体形象,为患者提供更精准的治疗,也让患者及其家属更加直观的了解病情和后续的治疗方案。但在市场上已有的医学影像三维重建系统收费较贵且功能繁杂,对于许多小型实验室或者科研机构难以承担其高昂费用且需要专业人员操作,同时传统的医学三维重建软件存在难以跨平台和远程访问的问题。本平台具有以下三点贡献:(1)基于VTK和ITK库实现了相关医学影像数据处理算法,并对VTK库中的VTKimageviewer2可视化组件进行了改进,新增了掩膜功能。(2)开发了桌面端的医学图像分割与三维可视化平台,能够实现医学影像数据的输入输出及处理、分割及三维重建等功能。同时,平台在支持3D打印的前提下,用户可以自行选择对模型的截取,输出3D打印所需的数据。(3)为了满足随时访问平台的需求和提供更加便捷的三维可视化服务,构建了一个基于Spring Boot框架的Web端可视化平台,同时基于three.js库实现了对医学三维模型上传、立体可视化、交互、模型渲染参数调整和模型几何计算等功能。实验结果表明,平台具有出色的可视化效果和流畅的功能,可在未来还可以继续添加其他功能,并且能实现远程医疗,在一定程度上改善了医疗服务并促进了移动医疗的发展。
基于WebGL的既有桥梁BIM模型信息可视化研究及应用
这是一篇关于点云数据,桥梁BIM模型,二次开发,WebGL,可视化的论文, 主要内容为“智能化、绿色化、高效化”是目前建筑业的三大发展趋势,随着当前热门的BIM(Building Information Modeling)技术与“互联网”相结合的时代到来,基于Web端的建筑信息化技术被“十四五”规划列入为重点发展方向,要求“推进BIM与城市信息模型(CIM)平台融通联动,提高信息化监管能力”。目前,该技术仍受到传统建模可视化软件平台兼容性差、大体量模型处理能力差、应用性功能较为单一等因素的影响,限制了建筑业智能化高质量发展和构建新格局。基于Web GL技术的既有桥梁BIM模型信息可视化平台研究,既能够实现运维阶段的桥梁模型跨平台可视化展示,又能对桥梁模型相关信息直观查看,并将数据信息与后端数据库My SQL相互衔接,从而将模型数据进行统一管理,对实现桥梁模型信息化发展具有重要意义。针对以上现阶段的问题和需求分析,本文的主要研究内容如下:(1)实现基于多源点云数据的既有桥梁BIM模型建立。使用三维激光扫描和倾斜摄影测量两种优势互补的遥感技术采集目标点云数据,利用点云配准算法获得桥梁高精度点云数据和精细化实景三维模型,通过精度对比分析证明现代化测量技术对实现现存建筑物数字化建模的可行性。利用融合后的高精度点云数据、现有桥梁的正射影像图以及实景影像数据,绘制具有真实状态的桥梁CAD图纸,为运维阶段的桥梁修缮及绘制桥梁BIM模型提供建筑物三维空间数据,利用BIM核心建模软件Revit逆向构建以点云数据为基础的既有桥梁三维模型。(2)Revit桥梁三维模型数据信息提取与网页端交互。通过对原有Rvt模型数据结构分析和信息储存方式的研究,采用C#编程语言对Revit进行二次开发,实现桥梁BIM模型信息转换插件的开发,导出为Web端可直接进行数据信息传播和高效渲染的gl TF三维模型格式。最后利用Web GL技术和Three.js渲染引擎,将转换后的模型在网页端进行重构,实现基于Web GL的三维模型可视化并对模型的基本操作进行探索研究。(3)设计开发基于Web端的桥梁模型信息可视化平台搭建。在现有模型可视化基本交互的基础上,通过分析桥梁BIM模型在网页端的应用需求,设计开发基于B/S架构的桥梁BIM模型信息可视化平台搭建,并实现平台中用户管理、模型重构与交互、病害信息三维可视化、养护决策等应用性功能模块。最终利用实际工程案例对模型在网页端中的各项性能指标进行测试,验证了本系统具有良好的兼容性、轻量化等优点,满足基于网页端对桥梁BIM模型信息可视化管理需求。
大规模科学数据体绘制的优化方法研究
这是一篇关于体绘制,WebGL,并行架构,维度压缩的论文, 主要内容为科学可视化近年来得到了长足的发展,而针对科学可视化的数据分析,体绘制是使用最为广泛的方法之一。体绘制能够将晦涩难懂的数据结构用直观的三维图像表示出来,并通过交互方式,对数据内部以及隐含的信息进行分析。但是,随着科学数据采集的精准度越来越高,以及科学数据采集的领域越来越广,所采集到的科学数据的体量也与日俱增,如此巨大的科学数据,无法在单一计算机上高效率地完成数据的预处理,体绘制以及实时交互。本文针对该问题,主要从两个方面研究了针对大规模的科学数据的体绘制优化方法:(1)基于WebGL的大规模科学数据体绘制;(2)基于并行架构的大规模科学数据体绘制。WebGL将数据预处理,并利用浏览器GPU的高性能对图片数据进行光线投射算法,生成数据的三维视图。为了进一步减少数据的内存占用和绘制时间,本文采用了维度压缩方法,大幅度减少了原始数据的空间占用。而并行架构体绘制将多个计算机利用网络组成集群,并将数据划分成块,并分配至节点各上进行体绘制。本文采用Isabel飓风时变数据集,针对上述两个方面进行了算法设计,并进行了试验验证,同时,本文设计了基于B/S架构的体绘制系统,从数据的预处理,体绘制以及实时交互都融合到了该系统,实现了针对大规模科学数据的体绘制的完成流程。针对该数据集的测试,表明本文算法能够有效的运行,基于并行架构的体绘制系统中,通过与单机绘制的效果进行比对,证明能够大幅度缩短绘制时间,解决了单一计算机无法绘制大规模数据的瓶颈;基于WebGL的体绘制系统中,帧速率可达50 fps以上,并且在通过维度压缩进一步缩小数据体量后,能够在浏览器中实时的以动画形式观测飓风的演变过程。
黄河时空数据可视化仿真渲染引擎设计
这是一篇关于仿真渲染引擎,时空数据可视化,MapReduce,WebGL的论文, 主要内容为黄河是中华民族的母亲河,黄河流域水文变迁给人类文明发展带来了巨大的影响。随着年份的增加,关于黄河的时空数据日益增多,如气象数据、地理数据等,黄河流域产生的数据大小和价值是不可估量的。如何更加直观、便捷地管理与展现黄河时空数据带来了挑战,同时也带来了机遇。为了解决黄河流域时空大数据管理不易、可视化不直观等问题,本文采用大数据处理技术和三维数据可视化的技术进行了融合研究,探索了如何高效、准确地对黄河时空数据进行处理和渲染可视化的问题,对黄河流域的科学治理与决策有着重要研究价值和社会意义,同时为时空数据处理与可视化提供了一种思路。本文在时空数据与仿真渲染引擎的研究基础上设计并实现了一款面向黄河时空数据由数据驱动、三维渲染、可视化仿真于一体的轻量级仿真渲染引擎YellowRiverEngine。本文的主要工作如下:(1)设计了YellowRiverEngine引擎整体架构。首先为解决跨平台问题,本文引擎结构采用B/S结构;为解决时空大数据计算问题,服务器端采用MapReduce模型进行并行化计算;为解决时空数据直观化问题,浏览器端面向黄河时空数据基于WebGL进行开发和封装,提供三维仿真和数据可视化渲染,二者协同工作完成本文引擎数据驱动和仿真渲染数据。(2)提出了处理黄河时空数据的方法。为解决黄河时空数据的多源性和异构性,抽象出黄河时空数据模型YRDataModel标准化时空数据结构,实现了基于MapReduce模型并行计算黄河时空数据,提出了一种抽稀插值法提取黄河流域DEM格网数据并映射到场景顶点坐标,实现了以关系型数据库存储和仿真场景导出两种方式对时空数据进行存储。(3)实现了面向黄河时空数据仿真渲染。基于WebGL图形库,实现了基于八叉树算法的场景管理优化、多线程渲染、渲染资源管理、基于扫描线增量插值法的网格z值提取、渲染着色器、海量数据加载LOD调度、三维模型导入、人机交互事件监听、数据序列化、基于向量场预插值算法的粒子计算、物理效果等功能,为引擎可视化提供支撑。基于YellowRiverEngine引擎实现了配套的可视化在线编辑器YellowRiverEngine-Editor,简化使用者操作,旨在快速开发三维场景和仿真数据可视化。(4)实现了引擎的应用。基于YellowRiverEngine引擎,实现了黄河流域三维地形快速建模、风场数据可视化、水流含沙量可视化、洪水灾害仿真模拟,验证本文引擎数据渲染效果良好。本文研究解决了黄河时空数据多源性和异构性,仿真渲染引擎大数据渲染和计算等难题,并通过实现的YellowRiverEngine引擎和YellowRiverEngine-Editor编辑器对黄河时空数据进行三维仿真渲染,解决了黄河流域数据的长时间和广空间特征展现不直观问题。同时对引擎的性能进行了测试,验证了本文引擎能支持数据的实时交互。本文研究成果对黄河流域的科学决策、生态保护有着研究价值和现实意义。
基于WebGL的设备三维可视化系统研究与实现
这是一篇关于设备,三维可视化,拆卸序列,WebGL的论文, 主要内容为针对目前现有的设备管理Web应用大多采用传统的图片、文字等二维数据信息的形式展现设备信息,用户使用缺乏交互性与体验感等问题。本文研发一种基于WebGL的交互式设备三维可视化系统,使用户能够直观的获取设备三维图像与数据信息,并在系统中实现与三维场景的交互,有利于拓展了三维可视化系统的应用,有效提升企业的数字化水平,并满足用户不断提升的体验需求。本论文的主要工作如下:论文首先基于WebGL与HTML5等技术开展设备三维可视化系统的研究,通过三维建模软件进行设备三维模型构建,为设备三维可视化系统提供三维模型及基础数据,在数据交互上采用基于Ajax的Web异步交互技术,获取三维设备模型数据信息。其次,针对设备三维可视化虚拟拆装仿真功能需求,以设备拆卸序列规划优化为目标,将设备拆卸工具的变换次数与拆卸方向的改变次数最小作为拆卸序列规划的目标函数,建立了优化模型,通过改进蚁群算法求解拆卸序列的最优解,为设备的虚拟拆装规划提供依据。最后,根据软件工程思想,论文设计开发了一套基于WebGL的设备三维可视化系统,系统前端使用Vue框架,后端框架采用表示层、业务逻辑层、数据访问层三层架构的SSM框架,三维场景的加载与渲染基于WebGL技术,并实现用户虚拟拆装等关键功能三维场景交互。论文设计研发的基于WebGL的设备三维可视化系统利用HTML5与WebGL技术在三维图形可视化渲染上的优势结合SSM后端开发框架及Ajax技术的数据动态交互能力,实现了从设备三维模型的设计、展示到后端设备数据信息的获取、处理、交互,提升了用户体验,满足了用户使用需求。
移动时空轨迹的Web可视化技术研究
这是一篇关于时空轨迹,Web可视化,HTML5,WebGL,WebSocket的论文, 主要内容为伴随着以智能终端设备为载体的移动互联网的快速发展及普及,使人们可以实时动态的对各种移动对象的时空轨迹数据进行采集和存储,同时还有大量移动时空轨迹数据通过各种手段被在无形当中记录下来,积累了海量的历史轨迹数据。时空轨迹数据记录了城市空间中人和车辆等的位置变化和活动规律,对大规模移动目标的时空轨迹进行可视化可以直观形象的观察轨迹数据背后隐藏的时空规律和特征,进而帮助有关用户有效地分析人群的移动分布特征、城市的交通状况、社会活动特征和城市的动态性等。此外,随着浏览器性能的提升和HMTL5技术的不断发展完善,使在网页中实现免插件的时空轨迹数据可视化成为可能,实现网络环境下时空轨迹数据的免插件可视化表达和实时发布是时空轨迹可化研究的重要方向。目前对基于HTML5实现免插件时空轨迹Web可视化研究还比较少,所以研究移动时空轨迹的Web可视化与实时发布并从中提取时空特征信息具有重要的理论和实际价值。本文围绕移动时空轨迹的Web可视化技术为中心进行研究,在对HTML5关键技术研究的基础上实现了基于粒子追踪技术的群体时空轨迹动态可视化方法和基于WebGL的时空路径三维可视化方法,可以在真实时空轨迹数据的支持下对城市空间的交通、人群等移动对象的连续变化过程进行可视化模拟。论文的主要工作及取得的研究成果如下：(1)基于HTML5的移动时空轨迹Web可视化架构的设计与实现通过对数据库、浏览器和Web服务器相关内容和技术进行研究,利用WebSocket进行前后台数据传输和HTML5图形绘制方法进行浏览器端图形绘制,设计完成了基于HTML5的时空轨迹网络可视化架构,形成了时空轨迹浏览器免插件网络发布的解决方案。架构利用MVC模式进行开发,将整个可视化流程整体划分为数据层、服务层和表现层三个部分,实现了各不同层之间的低耦合性,易于扩展到不同的应用目的。(2)移动时空轨迹数据的处理算法研究实现对无效时空轨迹数据清洗算法、基于Cat-mull的曲线插值算法和地图坐标与Canvas坐标的转换方法,实现了数据的预处理。(3)基于粒子追踪技术的群体时空轨迹动态可视化方法利用HTML5 Canvas、WebSocket和粒子系统实现了矢量数据的分层绘制、时空轨迹数据的动态加载实时快速传输、时空轨迹的动态可视化模拟,具有跨平台、免插件、易维护等特点。(4)基于WebGL的时空路径三维可视化方法利用WebGL实现三维时空路径的Web可视化,并实现三维时空路径的可视化交互,包括放大、缩小、漫游、视角调整,从长的连续时间尺度上对个体或群体的时空路径进行可视化。时空路径三维可视化为连续时空环境下移动对象的活动特征分析和展示提供了一个形象有效的表示方法,是时空轨迹可视化表达的一个重要手段。(5)移动时空轨迹Web可视化方法应用实践在对移动时空轨迹Web可视化方法研究的基础上,设计实现了青岛公交动态可视化系统和基于移动出行数据采集器的三维时空路径可视化应用案例对提出的可视化方法进行了应用实践,验证提出的可视化方法的可行性与实用性。本文在网页浏览器上实现了免插件的时空轨迹数据可视化显示与实时发布,为网络环境下时空轨迹数据的二维动态和三维时空路径的免插件可视化提供了一个新的技术方法和思路。实践证明,本文提出的时空轨迹Web可视化方法可以方便快捷的对时空轨迹数据进行动态可视化、模拟时空过程,具有跨平台、免插件、响应快和易维护等特点。
基于云的虚拟仿真关键技术研究
这是一篇关于WebGL,Three.js,Unity3D,AWS,虚拟现实的论文, 主要内容为随着科学技术水平的提高和Web GL技术的快速发展,Web浏览器端实现三维图形交互已成为可能。早期的三维技术存在诸多不足,如平台的兼容性较差、占用资源较多等问题,使用当前的Web GL技术可以解决早期技术的不足之处。受新冠疫情影响,远程线上教学已成为很多高校的教学模式,教师和学生足不出户就可以完成教学任务,但对于实操课,例如虚拟仿真类课程需要学生动手操作,仅依靠普通的二维图形技术无法满足教师和学生对实验课程的需求。因此,三维实验教学平台的出现能够解决此问题,老师在网页端发布实验,学生登录网页操作实操类实验,方便教学授课,同时极大地提高学生的学习效率和学习的质量。因此,设计并实现该平台具有重要的研究意义和应用价值。本文采用Web技术的B/S结构实现前端和后端的分离,通过Web GL渲染技术实现三维模型在浏览器中的应用与交互;利用Vue框架、三维建模技术、虚拟现实技术和Web GL图形渲染技术完成了平台前端页面的设计、数据可视化和三维模型的加载与交互,实现了虚拟实验教学平台的各项功能模块,包含用户数据管理、虚拟仿真实验、三维图形的展示与操作、项目管理等;并利用Solidworks软件建立三维实验模型,通过Three.js三维引擎和Unity3D引擎实现了三维模型在浏览器中的加载与交互控制,完成虚拟实验的可视化设计与实现;同时将开发好的功能模块部署到实验教学平台中,实现各模块的功能交互,完成整个系统的搭建,然后对整个系统进行测试,测试主要分为功能性测试和非功能性测试,功能性测试采用了黑盒测试,主要对教学平台的各个功能进行了正确性验证,非功能性测试分为性能测试和界面测试,测试结果表明了虚拟教学平台功能满足用户的实际需求;最后将已测试好的教学平台部署到AWS云服务器中,方便用户可以远程访问,完成课程实验。本系统的开发和部署解决了三维实验不能远程线上实操问题,可以满足老师和学生的相关实验课程操作任务的要求,具有一定的实验价值。
数字孪生驱动的高温双轴试验装备智慧监控平台实现
这是一篇关于数字孪生,高温双轴试验装备,远程监控平台,WebGL的论文, 主要内容为随着测试技术和信息技术的快速发展,现代高端试验装备不断向着智能化和数字化转变,然而极端工况下材料力学性能试验装备运行时内部环境复杂苛刻,会存在运行状态不可知、人机交互效果不理想等问题,影响试验装备的稳定性和测试过程的精准性。为了实现试验装备的状态可视化,采用数字孪生技术作为物理世界与数字世界的融合方法。本文从高温双轴试验装备的全生命周期需求出发,基于数字孪生技术对试验装备的设计、验证、运行和运维阶段进行分析,并为其搭建智慧监控平台,提升试验装备的可视化程度和人机交互性,降低故障风险,减少维护成本。本文以高温双轴试验装备为研究对象,首先,通过实际调研和鱼骨图分析等方法分析当前该存在的问题,结合其实际需求提出智慧监控平台的设计目标及整体架构,确定了以数字孪生五维模型作为研究框架;然后,根据数字装备的几何、物理、行为、规则四维模型分析了试验装备在设计阶段的形状尺寸、验证阶段的物理场构成以及运行阶段的功能实现和运维阶段的异常状态提前预警;进而,基于Web GL技术绘制试验装备的三维可视化模型,并通过集成控制器及各类数据采集终端采集装备实时运行数据和测试数据,在数据整合后远程传输至服务器端并采用Websocket协议完成浏览器端与服务器端的实时通信;最后实现智慧监控平台的搭建,选择B/S架构、采用Vue.js+Spring Boot框架作为平台开发的手段,完成数据库的设计,并信息加工经济原则的指导下完成各个功能模块UI界面的设计。该平台的实现,使用户能够实时监测试验装备的运行参数,更全面地掌握其运行状态,有利于提高测试过程的稳定性和可视化程度,为数字孪生应用于试验装备的智慧监控提供了值得借鉴的方法,对材料试验装备的数智化升级以及疫情防控下的远程试验工作具有一定的参考价值。
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