Objemové vykreslování

Objemové vykreslování  je technika používaná k získání plochého obrazu ( projekce ) trojrozměrného diskrétního souboru dat.

Vstupní datový soubor často odkazuje na soubor plochých obrazů získaných z počítačové tomografie nebo magnetické rezonance . Typicky mají vrstvy stejnou tloušťku (například se fotografuje jedna vrstva na milimetr) a stejný počet pixelů na vrstvu. Vstupními daty je tedy pravidelná mřížka voxelů , kde každý voxel odpovídá průměrné hodnotě (teplota, hustota materiálu) v daném bodě trojrozměrného objektu.

Objemový model lze získat buď vytvořením polygonové sítě na základě vstupních dat, nebo přímým vykreslením objemu. Algoritmus Marching cubes je standardem pro převod sady voxelů na polygonální model. Přímé vykreslování objemu je složitý výpočetní úkol, který lze provést několika způsoby.

Přímé vykreslování hlasitosti

Dopředný vykreslovací modul hlasitosti [1] [2] mapuje každou hodnotu voxelu na barvu a průhlednost. To se provádí pomocí přenosové funkce, která může být dána po částech lineární funkcí nebo tabulkou hodnot. Poté je výsledná hodnota RGBA odeslána do framebufferu. Po nakreslení celého objemu se získá pevný obrázek.

Objemové raycasting

Objemové raycasting je aplikace rovnice vykreslování v praxi a vytváří velmi kvalitní snímky.

Splatting

Rychlejší metoda, která vytváří obrázky horší kvality. Lee Westover nazývá tuto metodu „házení sněhových koulí“ (eng. splatting ). Voxely jsou „hozeny“ na pozorovací plochu v pořadí vzdálenosti od ní, od nejvzdálenější k nejbližší. Výsledné "stopy sněhové koule" (splats) jsou vykresleny jako disky, jejichž barva a průhlednost se mění v závislosti na průměru v souladu s normálním (Gaussovým) rozdělením . Různé implementace mohou používat různé prvky nebo různé alokace.


Hardwarově akcelerované vykreslování hlasitosti

Vzhledem k tomu, že objemové vykreslování lze snadno paralelizovat, specializovaný hardware pro jeho implementaci byl předmětem mnoha vědeckých studií až do okamžiku, kdy se běžné grafické karty začaly s tímto úkolem vypořádat v přijatelném čase. Nejoblíbenější technologií byla VolumePro [3] , která byla náročná na paměť a používala jako svůj základní algoritmus neoptimalizované raycasting.


Optimalizace

Přeskakování prázdného místa

Systém objemového vykreslování často přijímá dodatečné informace jako vstup, který identifikuje oblasti, které neobsahují materiál, který je třeba vykreslit. Tyto informace lze použít, aby se zabránilo plýtvání časem při vykreslování průhledných oblastí [4] .

Předčasné zastavení paprsku

Tato technika se používá při vykreslování z blízké do vzdálené roviny zobrazení. Ve skutečnosti jde o povrchový raycasting .

Octree a BSP

Použití hierarchických struktur, jako je octree a BSP strom, může být užitečné jak pro vstupní kompresi, tak pro optimalizaci volumetrického raycastingu .

Segmentace prostoru

Alokací nezajímavých částí prostoru před vykreslením můžete výrazně snížit počet výpočtů při raycastingu nebo míchání textur. V závislosti na použitém algoritmu se výpočetní složitost sníží z O(n) na O(log n) pro n po sobě jdoucích voxelů. Použití segmentace prostoru pomáhá výrazně urychlit vykreslovací algoritmy, které využívají raycasting.

Multi-Resolution a Adaptive-Resolution View

Oblasti, které jsou méně zajímavé pro zobrazení, lze také vykreslit v nižším rozlišení, čímž odpadá nutnost zpracovávat zbytečná vstupní data. Pokud potřebujete vidět tyto oblasti blíže, můžete je dále upřesnit načtením příslušných informací z disku a provedením dodatečného vykreslení, nebo použít interpolaci .

Viz také

Poznámky

  1. ↑  Marc Levoy, "Display of Surfaces from Volume Data", IEEE CG&A, květen 1988.Archive of Paper Archived29. března 2010 naWayback Machine
  2. ↑  Drebin, R.A., Carpenter, L., Hanrahan, P., "Volume Rendering", Computer Graphics, SIGGRAPH88. Odkaz na citaci DOI
  3. ↑  „Rychlé vykreslování objemu pomocí faktorizace smykové-warpové transformace zobrazení“ Archivováno3. listopadu 2020 naWayback Machine
  4. ↑  Pfister H., Hardenbergh J., Knittel J., Lauer H., Seiler L.:The VolumePro real-time ray-casting systemIn Proceeding of SIGGRAPH99DOI
  5. ↑  Sherbondy A., Houston M., Napel S.:Rychlá segmentace objemu se současnou vizualizací pomocí programovatelného grafického hardwaru. In Proceedings of IEEE Visualization (2003), pp. 171-176.
  6. ↑  Max N., Hanrahan P., Crawfis R.: Plošnáa objemová koherence pro efektivní vizualizaci 3D skalárních funkcí. In Computer Graphics (San Diego Workshop on Volume Visualization) (1990) sv. 24, str. 27-33.
  7. ↑   Stein C., Backer B., Max N.:Třídění a hardwarově podporované vykreslování pro vizualizaci objemu. In Symposium on Volume Visualization (1994), pp. 83-90.
  8. ↑  Engel K., Kraus M., Ertl T.:Vysoce kvalitní předintegrované vykreslování objemu pomocí hardwarově akcelerovaného stínování pixelů. In Proceedings of Eurographics/SIGGRAPH Workshop on Graphics Hardware (2001), pp. 9-16.
  9. ↑  Lum E., Wilson B., Ma K.:Vysoce kvalitní osvětlení a efektivní předintegrace pro objemové vykreslování. In Eurographics/IEEE Symposium on Visualization 2004.
  10. Barthold Lichtenbelt, Randy Crane, Shaz Naqvi, Úvod do objemového vykreslování (Hewlett-Packard Professional Books), Hewlett-Packard Company 1998.
  11. ↑  Peng H., Ruan, Z, Long, F, Simpson, JH, Myers, EW:V3D umožňuje 3D vizualizaci a kvantitativní analýzu rozsáhlých souborů biologických obrazů v reálném čase. Nature Biotechnology, 2010 (DOI: 10.1038/nbt.1612)Volume Rendering velkých vysokorozměrných obrazových dat.

Odkazy