4.3.2 直接体绘制
体绘制是一种直接由三维数据场产生屏幕上二维图像的技术。在自然环境和计算模型中,许多对象和现象只能用三维数据场表示,对象体不是用几何曲线和几何曲面表示的三维实体,而是以体素作为基本造型单位。例如,人体内部构造就十分复杂,如果仅仅用几何方式表示器官表面,不可能完整显示人体的内部信息。体绘制的目的就在于提供一种基于体素的绘制技术,它有别于传统的基于面的绘制技术,能显示出对象体内部丰富的细节信息。
数字图像对应的是描述数据元素的颜色和光强的二维阵列,这些元素成为像素,同理一个三维数据场可以用一个具有相应值的三维阵列来描述,这些值称为体素。类似于数字图像的二维光栅,可以把体数据场看为一个三维光栅。一个典型的三维数据场是医学图像三维数据场,由CT(计算机断层成像)或MRI(核磁共振)扫描获得一系列的医学图像切片数据,把这些切片数据按照位置和角度信息进行规则化处理,然后就形成一个三维空间中由均匀网格组成的规则的数据场,网格上的每个节点描述了对象的密度等属性信息,相邻层之间对应的八个节点包围的小立方体称为体素。体绘制以这种体素为基本操作单位,计算出每个体素对显示图像的影响。
图4.6展示了直接体绘制技术在CT数据、流场模拟数据(涡量)、飓风模拟数据方面的应用。直接体绘制的代表算法主要包括光线投射法(ray casting)、最大强度投影算法(maximum intensity projection)、抛雪球法(splatting)和剪切曲变法(shear-warp)等。其中光线投射法是图像空间的经典绘制算法,它从投影平面的每个点发出投射光线,穿过三维数据场,通过光线方程计算衰减后的光线强度并绘制成图像,如图4.7所示。
图4.6 直接体绘制示意图
图4.7 光线投射法体绘制示意图(https://www.daowen.com)
以光线投射法为例,它从图像平面的每个像素向数据场投射光线,在光线上采样或沿线段积分计算光亮度和不透明度,按采样顺序进行图像合成,生成结果图像。光线投射方法是一种以图像空间为序的方法。它从反方向模拟光线穿过物体的全过程,并最终计算这条光线到达穿过数据场后的颜色。
其算法主要包括如下过程:
(1)数据预处理:包括采样网格的调整,数据对比增强等。
(2)数据分类和光照效应计算:分别建立场值到颜色值和不透明度之间的映射,并采用中心差分方法计算法向量,进行光照效应的计算。
(3)光线投射:从屏幕上的每个像素沿观察方向投射光线,穿过数据场。在每一根光线上采样,插值计算出颜色值和不透明度。
(4)合成与绘制:在每一根光线上,将每一根采样点的颜色值按前后顺序合成,得到像素的颜色值,并显示像素。
