Volumerendering

Artikel
07/12/2023

Als u niet bekend bent met volumerendering, raden we u aan ons overzicht te lezen.

3D-patronen vertegenwoordigen

Op de CPU:

public struct Int3 { public int X, Y, Z; /* ... */ }
 public class VolumeHeader  {
   public readonly Int3 Size;
   public VolumeHeader(Int3 size) { this.Size = size;  }
   public int CubicToLinearIndex(Int3 index) {
     return index.X + (index.Y * (Size.X)) + (index.Z * (Size.X * Size.Y));
   }
   public Int3 LinearToCubicIndex(int linearIndex)
   {
     return new Int3((linearIndex / 1) % Size.X,
       (linearIndex / Size.X) % Size.Y,
       (linearIndex / (Size.X * Size.Y)) % Size.Z);
   }
   /* ... */
 }
 public class VolumeBuffer<T> {
   public readonly VolumeHeader Header;
   public readonly T[] DataArray;
   public T GetVoxel(Int3 pos)        {
     return this.DataArray[this.Header.CubicToLinearIndex(pos)];
   }
   public void SetVoxel(Int3 pos, T val)        {
     this.DataArray[this.Header.CubicToLinearIndex(pos)] = val;
   }
   public T this[Int3 pos] {
     get { return this.GetVoxel(pos); }
     set { this.SetVoxel(pos, value); }
   }
   /* ... */
 }

Op de GPU:

float3 _VolBufferSize;
 int3 UnitVolumeToIntVolume(float3 coord) {
   return (int3)( coord * _VolBufferSize.xyz );
 }
 int IntVolumeToLinearIndex(int3 coord, int3 size) {
   return coord.x + ( coord.y * size.x ) + ( coord.z * ( size.x * size.y ) );
 }
 uniform StructuredBuffer<float> _VolBuffer;
 float SampleVol(float3 coord3 ) {
   int3 intIndex3 = UnitVolumeToIntVolume( coord3 );
   int index1D = IntVolumeToLinearIndex( intIndex3, _VolBufferSize.xyz);
   return __VolBuffer[index1D];
 }

Arcering en kleurovergangen

Het arceringsscherm van een volume, zoals MRI, voor nuttige visualisatie. De primaire methode is om een 'intensiteitsvenster' (een min en max) te hebben waarbinnen u de intensiteiten wilt zien en gewoon in die ruimte te schalen om de zwart-witintensiteit te zien. Een 'kleurhelling' kan vervolgens worden toegepast op de waarden binnen dat bereik en worden opgeslagen als een patroon, zodat verschillende delen van het intensiteitsspectrum verschillende kleuren kunnen worden gearceerd:

float4 ShadeVol( float intensity ) {
   float unitIntensity = saturate( intensity - IntensityMin / ( IntensityMax - IntensityMin ) );
   // Simple two point black and white intensity:
   color.rgba = unitIntensity;
   // Color ramp method:
   color.rgba = tex2d( ColorRampTexture, float2( unitIntensity, 0 ) );

In veel van onze toepassingen slaan we in ons volume zowel een onbewerkte intensiteitswaarde als een 'segmentatie-index' op (om verschillende delen zoals huid en bot te segmenteren; deze segmenten worden gemaakt door experts in speciale hulpmiddelen). Dit kan worden gecombineerd met de bovenstaande benadering om een andere kleur of zelfs een andere kleur voor elk segmentindex te plaatsen:

// Change color to match segment index (fade each segment towards black):
 color.rgb = SegmentColors[ segment_index ] * color.a; // brighter alpha gives brighter color

Volume segmenteren in een shader

Een goede eerste stap is het maken van een 'segmentvlak' dat door het volume kan worden verplaatst, 'segmenteren' en hoe de scanwaarden op elk punt worden uitgevoerd. Hierbij wordt ervan uitgegaan dat er een 'VolumeSpace'-kubus is, die aangeeft waar het volume zich in de wereldruimte bevindt, die kan worden gebruikt als referentie voor het plaatsen van de punten:

// In the vertex shader:
 float4 worldPos = mul(_Object2World, float4(input.vertex.xyz, 1));
 float4 volSpace = mul(_WorldToVolume, float4(worldPos, 1));

// In the pixel shader:
 float4 color = ShadeVol( SampleVol( volSpace ) );

Volumetracering in Shaders

De GPU gebruiken om subvolumetracering uit te voeren (voert een paar voxels diep en vervolgens lagen op de gegevens van achter naar voren):

float4 AlphaBlend(float4 dst, float4 src) {
   float4 res = (src * src.a) + (dst - dst * src.a);
   res.a = src.a + (dst.a - dst.a*src.a);
   return res;
 }
 float4 volTraceSubVolume(float3 objPosStart, float3 cameraPosVolSpace) {
   float maxDepth = 0.15; // depth in volume space, customize!!!
   float numLoops = 10; // can be 400 on nice PC
   float4 curColor = float4(0, 0, 0, 0);
   // Figure out front and back volume coords to walk through:
   float3 frontCoord = objPosStart;
   float3 backCoord = frontPos + (normalize(cameraPosVolSpace - objPosStart) * maxDepth);
   float3 stepCoord = (frontCoord - backCoord) / numLoops;
   float3 curCoord = backCoord;
   // Add per-pixel random offset, avoids layer aliasing:
   curCoord += stepCoord * RandomFromPositionFast(objPosStart);
   // Walk from back to front (to make front appear in-front of back):
   for (float i = 0; i < numLoops; i++) {
     float intensity = SampleVol(curCoord);
     float4 shaded = ShadeVol(intensity);
     curColor = AlphaBlend(curColor, shaded);
     curCoord += stepCoord;
   }
   return curColor;
 }

// In the vertex shader:
 float4 worldPos = mul(_Object2World, float4(input.vertex.xyz, 1));
 float4 volSpace = mul(_WorldToVolume, float4(worldPos.xyz, 1));
 float4 cameraInVolSpace = mul(_WorldToVolume, float4(_WorldSpaceCameraPos.xyz, 1));

// In the pixel shader:
 float4 color = volTraceSubVolume( volSpace, cameraInVolSpace );

Volledige volumerendering

Als u de bovenstaande subvolumecode wijzigt, krijgen we het volgende:

float4 volTraceSubVolume(float3 objPosStart, float3 cameraPosVolSpace) {
   float maxDepth = 1.73; // sqrt(3), max distance from point on cube to any other point on cube
   int maxSamples = 400; // just in case, keep this value within bounds
   // not shown: trim front and back positions to both be within the cube
   int distanceInVoxels = length(UnitVolumeToIntVolume(frontPos - backPos)); // measure distance in voxels
   int numLoops = min( distanceInVoxels, maxSamples ); // put a min on the voxels to sample

Scènerendering met gemengde resolutie

Een deel van de scène weergeven met een lage resolutie en het weer op zijn plaats zetten:

Stel twee camera's buiten het scherm in, één om elk oog te volgen dat elk frame bijwerkt
Twee renderdoelen met lage resolutie instellen (elk 200 x 200) die door de camera's worden weergegeven
Een quad instellen die zich voor de gebruiker beweegt

Elk frame:

Teken de renderdoelen voor elk oog met een lage resolutie (volumegegevens, dure shaders, enzovoort)
Teken de scène normaal als volledige resolutie (meshes, UI, enzovoort)
Teken een quad voor de gebruiker, over de scène en projecteert de weergaven met een lage grootte erop
Resultaat: visuele combinatie van elementen met volledige resolutie met lage resolutie, maar high-densityvolumegegevens

Delen via