Rendu de volume

Le rendu de volume de est une technique employée pour montrer projection une 2D d'un ensemble de données prélevé par de de 3D discret .

Un ensemble de données 3D typique est un groupe des 2D images de tranche acquises par a Module de balayage du CT ou du MRI . Habituellement ceux-ci sont acquis dans un modèle régulier (par exemple, une tranche chaque millimètre) et avoir habituellement un nombre régulier des Pixel d'image dans un modèle régulier. C'est un exemple d'une grille volumétrique régulière, avec chaque élément de volume, ou du Voxel représenté près une valeur simple qui est obtenue en prélevant le secteur immédiat entourant le voxel.

Pour rendre une 2D projection de l'ensemble de données 3D, les premiers besoins un de définir un appareil-photo dans l'espace relativement au volume. En outre, on doit définir l'opacité et la couleur de chaque voxel. Ceci est habituellement défini using une fonction de transfert du RGBA (pour rouge, vert, bleu, alpha) cela définit la valeur de RGBA pour chaque valeur possible de voxel.

Un volume peut être regardé en extrayant des surfaces des valeurs égales à partir du volume et en les rendant comme mailles polygonales ou en rendant le volume directement comme bloc de données. L'algorithme de marche des cubes en est une technique commune pour extraire une surface à partir des données de volume. Le rendu direct de volume est une tâche comportant de nombreux calculs qui peut être effectuée de plusieurs manières.

Rendu direct de volume

Un renderer direct de volume exige de chaque valeur d'échantillon d'être tracée à l'opacité et à une couleur. Ceci est fait avec une « fonction de transfert » qui peut être une rampe simple, une fonction par morceaux linéaire ou une table arbitraire. Une fois converti en valeur du RGBA (pour rouge, vert, bleu, alpha), le résultat composé de RGBA est projeté sur le Pixel correspondant de l'amortisseur d'armature. La manière que ceci est fait dépend de la technique de rendu.

Une combinaison de ces techniques est possible. Par exemple, une exécution de chaîne de cisaillement a pu employer donner au matériel une consistance rugueuse pour dessiner les tranches alignées dans l'amortisseur hors-écran.

Bâti de rayon de volume

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La manière la plus simple de projeter l'image est de mouler des rayons par le volume using le bâti de rayon. Dans cette technique, un rayon est produit pour chaque Pixel désiré d'image. Using un modèle simple d'appareil-photo, le rayon commence au centre de la projection de l'appareil-photo (habituellement le point d'oeil) et traverse le Pixel d'image sur l'avion d'image imaginaire flottant entre l'appareil-photo et le volume à rendre. Le rayon est coupé par les frontières du volume afin d'épargner le temps. Alors le rayon est prélevé à intervalles réguliers dans tout le volume. Les données sont interpolées à chaque point témoin, la fonction de transfert appliquée pour former un échantillon de RGBA, l'échantillon composited sur le RGBA accumulé du rayon, et le processus répété jusqu'à ce que le rayon sorte le volume. La couleur de RGBA est convertie en couleur de RVB et déposée dans le Pixel correspondant d'image. Le processus est répété pour chaque Pixel sur l'écran pour former l'image réalisée. Des exemples du rendu de volume de bâti de rayon de qualité peuvent être vus dessus.

Splatting

C'est une technique qui commerce la qualité pour la vitesse. Ici, chaque élément de volume splatted (comme des boules de neige) dessus sur la surface de visionnement dedans de nouveau à l'ordre avant. Ces splats sont rendus comme disques dont les propriétés (couleur et transparent) varier diamétralement dans la normale (gaussienne) façon. Des disques plats et ceux avec d'autres genres de distribution de propriété sont également employés selon l'application.

Chaîne de cisaillement

Une nouvelle approche au rendu de volume a été développée par Cameron et Undrill, popularisée par Philippe Lacroute et le marc Levoy , et décrite dans le " de papier ; Le rendu rapide de volume Using Cisailler-Déforment la factorisation du Transformation" de visionnement ; Dans cette technique, la transformation fenêtre clôture est transformée tels que le visage le plus proche du volume devient axe aligné avec un amortisseur hors-écran d'image avec un à échelle fixe des voxels sur des Pixel. Le volume renderered alors dans cet amortisseur using l'alignement bien plus favorable de mémoire et les facteurs de mesurage et de mélange fixes. Une fois toutes les tranches du volume ont été rendues, l'amortisseur est alors déformé dans l'orientation et la balance désirées dans l'image montrée.

Cette technique est relativement rapidement dans le logiciel au coût de prélèvement moins précis et de qualité potentiellement plus mauvaise d'image comparés au bâti de rayon. Les frais généraux prévus sont les copies multiples de stockage du volume pour que la capacité ait près des volumes alignés par axe. Et cela est atténué par le codage de longueur de course utilisé.

Cartographie de texture

Texture de d'utilisation de beaucoup de systèmes de graphiques 3D traçant pour s'appliquer des images, ou des textures, aux objets géométriques. Les cartes graphiques de PC des produits sont rapides à la texturisation et peuvent efficacement rendre des tranches d'un volume 3D, avec des possibilités d'interaction en temps réel. Le poste de travail GPU sont encore plus rapide, et sont la base pour une grande partie de la visualisation de volume de production utilisée dans la formation image médicale, pétrole et gaz, et d'autres marchés (2007). En premières années, des systèmes de cartographie consacrés de la texture 3D ont été employés sur des systèmes de poste de travail tels que la réalité infinie de Silicon Graphics, la HP visualisent FX, et d'autres.

Ces tranches peuvent être alignées avec le volume et être rendues sous un angle à la visionneuse, ou être alignées avec l'avion de visionnement et être prélevées des tranches unaligned par le volume. Le soutien de matériel de graphiques des textures 3D est nécessaire pour la deuxième technique.

La texturisation alignée par volume produit des images de qualité raisonnable, bien qu'il y ait souvent une transition apparente quand le volume est tourné. La texturisation alignée par vue crée des images de qualité semblable à ceux du bâti de rayon, et en effet le modèle de prélèvement est identique.

Rendu Matériel-Accéléré de volume

Une technique récemment exploitée pour accélérer le rendu est l'utilisation des cartes graphiques modernes d'accélérer des algorithmes traditionnels de rendu de volume tels que le rayon-bâti. Commençant par les shaders programmables de Pixel de , les gens ont identifié la puissance des opérations parallèles sur les Pixel multiples et ont commencé à exécuter des calculs d'usage universel sur le morceau de graphiques. Les shaders de Pixel de peuvent lire et écrire aléatoirement de la mémoire visuelle et exécuter quelques calculs mathématiques et logiques de base. Ces processeurs du SIMD ont été employés pour exécuter des calculs généraux tels que des polygones de rendu et le traitement des signaux. Dans les générations récentes du GPU , les shaders de Pixel peuvent maintenant fonctionner comme processeurs du MIMD (maintenant indépendamment branche capable) utilisant jusqu'à 1GB de mémoire de texture avec des formats de virgule flottante. Avec une telle puissance, pratiquement n'importe quel algorithme avec les étapes qui peuvent être exécutées en parallèle, tel que le bâti de rayon de volume ou la reconstruction de CT, peut être exécuté avec l'accélération énorme. L'introduction des langues aiment le GLSL , il est possible aux renderers de volume tels que le Drishti pour employer leurs propres algorithmes optimisés pour la tâche actuelle. Des shaders faits sur commande peuvent être écrits pour des variations du processus de rendu de volume, telles que les shaders de volume, l'ombre et l'éclairage multiples, couleur émissive et ainsi de suite.

Techniques d'optimisation

Sauter vide de l'espace

Souvent, un système de rendu de volume aura un système pour identifier des régions du volume ne contenant aucun matériel évident. Cette information peut être employée pour éviter de rendre ces régions transparentes.

Arrêt tôt de rayon

C'est une technique utilisée quand le volume est rendu dans l'avant pour remettre en commande. Pour un rayon par un Pixel, une fois que le suffisamment de matériel dense a été produit, d'autres échantillons n'apporteront aucune contribution significative au Pixel et ainsi peuvent être ignorés.

Subdivision de l'espace d'Octree et de BSP

L'utilisation des structures hiérarchisées telles que le Octree et le BSP - l'arbre pourrait être très utile pour la compression de l'optimisation de données et de vitesse de volume du processus volumétrique de bâti de rayon.

Segmentation de volume

En sectionnant dehors de grandes parties du volume qu'on considère inintéressant avant le rendu, la quantité de calculs qui doivent être effectués par le bâti de rayon ou le mélange de texture peut être sensiblement réduite. Cette réduction peut être autant que d'O (n) à O (la notation n) pour n a séquentiellement indexé des voxels. La segmentation de volume a également les avantages significatifs d'exécution pour d'autres algorithmes de lancer de rayon.

Représentation multiple et adaptative de résolution

En représentant des régions moins intéressantes du volume dans une résolution plus brute, les frais généraux d'entrée de données peuvent être réduits. Sur une observation plus étroite, les données dans ces régions peuvent être peuplées par la lecture à partir de la mémoire ou du disque, ou par l'interpolation .

rendu Pré-integrated de volume

le rendu Pré-integrated de volume est une méthode qui peut réduire des objets façonnés de prélèvement pré-en calculant une grande partie des données required. Il est particulièrement utile dans des applications matériel-accélérées parce qu'il améliore la qualité sans grand impact d'exécution.

Sources

R. Drebin, charpentier de L. Hanrahan : Rendu de volume de . 1988
Barthold Lichtenbelt, grue excitée, Shaz Naqvi, introduction de au rendu (livres professionnels de Hewlett-Packard), Hewlett-Packard Company 1998 de volume. : Rendu pré-integrated de haute qualité de volume de using l'ombrage matériel-accéléré de Pixel. dans les démarches de l'atelier d'Eurographics/SIGGRAPH sur le matériel de graphiques (2001), Pp. : Éclairage de haute qualité de et Pré-Intégration efficace pour le rendu de volume. dans le colloque d'Eurographics/IEEE sur la visualisation 2004. : Secteur de et concordance de volume pour la visualisation efficace des fonctions 3D scalaires. dans les infographies (atelier de San Diego sur la visualisation de volume) (1990) vol. : Segmentation de volume rapide de avec la visualisation simultanée using le matériel programmable de graphiques. dans les démarches de la visualisation d'IEEE (2003), Pp. maximum : Tri de et rendu assisté par le matériel pour la visualisation de volume. dans le colloque sur le volume Visualization (1994), Pp.

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