Objemový paprsek - Volume ray casting

Ray lití objem , někdy nazývaný objemový lití paprsek , objemový ray tracing , nebo svazku paprsků pochodující , je obrazový vykreslování objemu technika . Vypočítává 2D obrazy z 3D objemových datových sad (3D skalární pole ). Odlévání paprsků objemu, které zpracovává objemová data, se nesmí mýlit s odléváním paprsků ve smyslu používaném při sledování paprsků , který zpracovává povrchová data. V volumetrické variantě se výpočet nezastaví na povrchu, ale „protlačí“ objekt a vzorkuje objekt podél paprsku. Na rozdíl od trasování paprsků se při odlévání objemových paprsků neobjevují sekundární paprsky. Když je kontext / aplikace jasná, někteří autoři to jednoduše nazývají ray casting . Protože raymarching nutně nevyžaduje přesné řešení průniku paprsků a kolizí, je vhodný pro výpočet v reálném čase pro mnoho aplikací, pro které je sledování paprsků nevhodné.

Klasifikace

Techniku ​​lití objemovým paprskem lze odvodit přímo z vykreslovací rovnice . Poskytuje výsledky velmi kvalitního vykreslení. Casting svazku paprsků je klasifikován jako technika vykreslování svazků na základě obrazu, protože výpočet vychází z výstupního obrazu a nikoli ze vstupních údajů o objemu, jak je tomu u objektových technik.

Základní algoritmus

Čtyři základní kroky odlévání objemových paprsků: (1) Odlévání paprskem (2) Odběr vzorků (3) Stínování (4) Kompozice.

Algoritmus lití svazku paprsků v základní formě zahrnuje čtyři kroky:

1. Ray casting. U každého pixelu výsledného obrazu je paprskem paprsku („vrhá se“) natočen svazek. V této fázi je užitečné vzít v úvahu objem, který se dotýká a je uzavřen v ohraničujícím primitivu , jednoduchém geometrickém objektu - obvykle kvádru - který se používá k protnutí paprsku zraku a objemu.
2. Vzorkování. Podél části paprsku pohledu, který leží v objemu, jsou vybrány ekvidistantní vzorkovací body nebo vzorky . Obecně platí, že hlasitost není zarovnána s paprskem zraku a místa vzorkování budou obvykle umístěna mezi voxely . Z tohoto důvodu je nutné interpolovat hodnoty vzorků z okolních voxelů (obvykle pomocí trilineární interpolace ).
3. Stínování. Pro každý vzorkovací bod načte přenosová funkce barvu materiálu RGBA a vypočítá se gradient hodnot osvětlení. Přechod představuje orientaci místních povrchů v objemu. Poté jsou vzorky stínovány (tj. Barevně a osvětleny) podle jejich povrchové orientace a umístění světelného zdroje ve scéně.
4. Skládání. Poté, co jsou všechny vzorkovací body zastíněny, jsou složeny podél paprsku pohledu, což má za následek konečnou hodnotu barvy pro právě zpracovávaný pixel. Složení je odvozeno přímo z vykreslovací rovnice a je podobné míchání acetátových listů na zpětném projektoru. Může to fungovat back-to-front , tj. Výpočet začíná vzorkem nejdál od prohlížeče a končí tím, který je nejblíže k divákovi. Tento směr pracovního toku zajišťuje, že maskované části svazku neovlivní výsledný pixel. Pořadí zepředu dozadu by mohlo být výpočetně účinnější, protože zbytková energie paprsku klesá, zatímco paprsek odchází od kamery; příspěvek k vykreslovacímu integrálu se tak snižuje, proto lze použít agresivnější kompromis rychlost / kvalita (jedním z takových kompromisů rychlost / kvalita je zvětšení vzdáleností mezi vzorky podél paprsku).

Pokročilé adaptivní algoritmy

Strategie adaptivního vzorkování dramaticky snižuje dobu vykreslování pro vysoce kvalitní vykreslování - čím vyšší kvalita a / nebo velikost souboru dat, tím významnější výhoda oproti strategii pravidelného / rovnoměrného vzorkování. Adaptivní odlévání paprsků na projekční rovinu a adaptivní vzorkování podél každého jednotlivého paprsku však dobře neodpovídají architektuře SIMD moderního GPU. Vícejádrové procesory se však pro tuto techniku ​​dokonale hodí, takže jsou vhodné pro interaktivní objemové vykreslování ve velmi vysoké kvalitě.

Příklady vysoce kvalitního odlévání objemovým paprskem

Krokodýlí mumie poskytnuté Phoebe A. Hearst Museum of Anthropology, UC Berkeley. Data CT byla získána Dr. Rebeccou Fahrigovou, katedrou radiologie, Stanford University, pomocí definice Siemens SOMATOM, Siemens Healthcare. Obrázek byl vykreslen motorem Fovia High Definition Volume Rendering®

Tato galerie představuje kolekci obrázků vykreslených pomocí vysoce kvalitního castingu paprsků. Obyčejně ostrý vzhled obrazů pro hromadné snímání paprskem je odlišuje od výstupu VR pro mapování textury díky vyšší přesnosti vykreslování objemových paprsků.

CT sken krokodýlí mumie má rozlišení 3000 × 512 × 512 (16 bitů), soubor dat lebky má rozlišení 512 × 512 × 750 (16 bitů).

Viz také

• Amira - komerční 3D vizualizační a analytický software (pro vědy o živé přírodě a biomedicínu), který používá modul pro vykreslování svazku paprsků (založený na Open Inventor )
• Avizo - komerční 3D vizualizační a analytický software, který využívá ray-casting volume rendering engine (také založený na Open Inventor)
• Shadertoy - online komunita a platforma pro profesionály počítačové grafiky, akademické pracovníky a nadšence, kteří sdílejí, učí se a experimentují s technikami vykreslování a procedurálním uměním prostřednictvím kódu GLSL

Reference

externí odkazy

• Akcelerační techniky pro objemové vykreslování založené na GPU (J. Krüger, R. Westermann, IEEE Visualization 2003)
• Jednopásmový rámec pro odlévání paprsků GPU pro interaktivní vykreslování rozsáhlých objemových datových sad mimo jádro (E. Gobbetti, F. Marton, JA Iglesias Guitian, The Visual Computer 2008)