볼륨 렌더링

아티클
03/21/2023

볼륨 렌더링을 익숙하지 않은 경우 개요를 읽어보는 것이 좋습니다.

3D 텍스처 표시

CPU에서:

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); }
   }
   /* ... */
 }

GPU에서:

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];
 }

음영 및 그라데이션

유용한 시각화를 위해 MRI와 같은 볼륨을 음영하는 방법입니다. 기본 방법은 내의 강도를 보려는 '강도 창'(최소 및 최대)을 갖는 것이며, 단순히 해당 공간으로 스케일링하여 흑백 강도를 확인하는 것입니다. 그런 다음, '색 램프'를 해당 범위 내의 값에 적용하고 텍스처로 저장하여 강도 스펙트럼의 다른 부분을 다른 색으로 음영 처리할 수 있습니다.

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 ) );

대부분의 애플리케이션에서는 볼륨에 원시 강도 값과 '세분화 인덱스'를 모두 저장합니다(피부와 뼈와 같은 다른 부분을 분할하기 위해, 이러한 세그먼트는 전용 도구 전문가에 의해 생성됨). 이는 위의 접근 방식과 결합하여 각 세그먼트 인덱스에서 다른 색 또는 다른 색 램프를 배치할 수 있습니다.

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

셰이더의 볼륨 조각화

첫 번째 단계는 볼륨을 통해 이동할 수 있는 "조각화 평면", '조각화', 각 지점에서 값을 검사하는 방법을 만드는 것입니다. 이렇게 하면 볼륨이 월드 공간에 있는 위치를 나타내는 'VolumeSpace' 큐브가 있다고 가정합니다. 이 큐브는 점을 배치하기 위한 참조로 사용할 수 있습니다.

// 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 ) );

셰이더의 볼륨 추적

GPU를 사용하여 하위 복셀 추적을 수행하는 방법(몇 개의 복셀 깊이를 안내한 다음, 데이터를 뒤에서 앞으로 계층화).

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 );

전체 볼륨 렌더링

위의 하위 명령 코드를 수정하면 다음을 얻을 수 있습니다.

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

혼합 해상도 장면 렌더링

낮은 해상도로 장면의 일부를 렌더링하고 다시 배치하는 방법:

두 개의 오프 스크린 카메라 설정, 각 프레임을 업데이트 하는 각 눈을 따라 하나
카메라가 렌더링하는 두 개의 저해상도 렌더링 대상(즉, 각각 200x200)을 설정합니다.
사용자 앞에서 이동하는 쿼드 설정

각 프레임:

저해상도(볼륨 데이터, 비용이 많이 드는 셰이더 등)에서 각 눈의 렌더링 대상을 그립니다.
일반적으로 장면을 전체 해상도(메시, UI 등)로 그립니다.
장면 위에 사용자 앞에 쿼드를 그리고 저해선 렌더링을 해당 위치에 프로젝션합니다.
결과: 해상도가 낮지만 고밀도 볼륨 데이터와 전체 해상도 요소의 시각적 조합

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