Kötetmegjelenítés áttekintése
Orvosi MRI- vagy mérnöki kötetekért lásd: Kötetmegjelenítés a Wikipédián. Ezek a "kötetes képek" a köteten átlátszatlan és színes információkat tartalmaznak, amelyek nem fejezhetők ki könnyen felületekként, például sokszöghálókként.
Fő megoldások a teljesítmény javításához
- ROSSZ: Naiv megközelítés: Teljes kötet megjelenítése, általában túl lassan fut
- JÓ: Vágósík: Csak a kötet egyetlen szeletének megjelenítése
- JÓ: Részkötet vágása: A kötetnek csak néhány rétegét jeleníti meg
- JÓ: Csökkentse a kötetmegjelenítés felbontását (lásd a vegyes felbontású jelenet renderelését)
Csak bizonyos mennyiségű információ továbbítható az alkalmazásból a képernyőre egy adott keretben, ami a teljes memória-sávszélesség. Emellett az adatok bemutatóhoz való átalakításához szükséges összes feldolgozás (vagy árnyékolás) időt igényel. A kötetek renderelésének elsődleges szempontjai a következők:
- Screen-Width * Screen-Height * Screen-Count * Volume-Layers-On-That-Pixel = Total-Volume-Samples-Per-Frame
- 1028 * 720 * 2 * 256 = 378961920 (100%) (teljes térfogat: túl sok minta)
- 1028 * 720 * 2 * 1 = 1480320 (0,3% a teljes) (vékony szelet: 1 minta képpontonként, zökkenőmentesen fut)
- 1028 * 720 * 2 * 10 = 14803200 (a teljes rész 3,9%-a) (subvolume szelet: 10 minta képpontonként, meglehetősen zökkenőmentesen fut, 3d)
- 200 * 200 * 2 * 256 = 20480000 (5% a teljes) (alacsonyabb res kötet: kevesebb képpont, teljes kötet, úgy néz ki, 3d, de egy kicsit homályos)
Térhatású textúrák ábrázolása
A CPU-n:
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); }
}
/* ... */
}
A GPU-n:
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];
}
Árnyékolás és színátmenetek
Kötet árnyékolása, például MRI a hasznos vizualizációkhoz. Az elsődleges módszer az, hogy legyen egy "intenzitási ablak" (min és max), amelyet belül szeretne látni, és egyszerűen skálázza be a térbe a fekete-fehér intenzitás megtekintéséhez. A "színrámpa" ezután alkalmazható az adott tartományon belüli értékekre, és textúraként tárolható, hogy az intenzitásspektrum különböző részei különböző színeket árnyékoljanak:
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 ) );
Számos alkalmazásunkban nyers intenzitási értéket és "szegmentálási indexet" is tárolunk a kötetünkben (a különböző részek, például a bőr és a csont szegmentálására; ezeket a szegmenseket dedikált eszközök szakértői hozzák létre). Ez kombinálható a fenti megközelítéssel, hogy egy másik színt vagy akár különböző színrámpát helyezzen el az egyes szegmensindexekhez:
// Change color to match segment index (fade each segment towards black):
color.rgb = SegmentColors[ segment_index ] * color.a; // brighter alpha gives brighter color
Kötet szeletelése árnyékolóban
Első lépésként hozzon létre egy "szeletelősíkot", amely képes átmozdulni a köteten, "szeleteli", és hogy a vizsgálati értékek hogyan változnak az egyes pontokon. Ez feltételezi, hogy van egy "VolumeSpace" kocka, amely azt jelzi, hogy a kötet a világűrben hol található, és amely referenciaként használható a pontok elhelyezéséhez:
// 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 ) );
Kötetkövetés a Shaderekben
Hogyan használhatja a GPU-t a subvolume-nyomkövetéshez (néhány voxelt mélyen, majd rétegeket követ az adatokon hátulról elölre):
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 );
Teljes kötet renderelése
A fenti alvolume-kód módosításával a következőt kapjuk:
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
Vegyes felbontású jelenet renderelése
Hogyan jelenítheti meg a jelenet egy részét alacsony felbontással, és hogyan helyezheti vissza a helyére:
- Állíts be két képernyőn kívüli kamerát, egyet, hogy minden egyes szemet követve frissítse az egyes kereteket
- Állíts be két alacsony felbontású renderelési célt (azaz egyenként 200x200-t), amelyekbe a kamerák
- A felhasználó előtt mozgó quad beállítása
Minden keret:
- Rajzolja meg a renderelési célokat minden szem számára alacsony felbontással (kötetadatok, drága árnyékolók stb.)
- Rajzolja meg a jelenetet általában teljes felbontásként (hálók, felhasználói felület stb.)
- Rajzoljon egy quadot a felhasználó elé, a jelenet fölé, és kivetítse az alacsony res renderelést erre
- Eredmény: teljes felbontású elemek vizuális kombinációja alacsony felbontású, de nagy sűrűségű kötetadatokkal