文档介绍：第八章 三维体数据的表现和绘制
概述
“… in 10 years, all rendering will be volume rendering.”
Jim Kajiya, SIGGRAPH’91
面图形学适合于描述形状比较规则的人造物体,像机械零件、建筑物等。
在飞机、汽车等复杂曲面造型设计上,面图形学已经显出了描述能力差的弱点。
面图形学的只能描述物体的表面,而无法表述物体内部细微的结构变化。
对三维空间数据场的描述,体视法可能更容易完成。
图形学的发展:
60~70年代:矢量图形学(线图形学)
70~90年代:光栅图形学(面图形学)
90~: 体图形学
帧存储器(Frame Buffer)的使用
体存储器(Volume Buffer)
- 颜色、密度、阻光度、反射系数、速度、对体素的占有率等。
在过去30年里,面图形学及与之相配的硬件系统风靡于三维图形领域,成为一种时尚。
数据场:
医学图像
气象场
温度场
力场
数据场的显示:
投影成像
切片成像
MRI
CT
f MRI
PET
核医学图像
三维超声
由数据场分割、插值而制造几何图素(线、片),然后利用表面绘制方法(照明、浓淡、纹理) 绘制。 -对分割精度要求高,无法保证数据完整性。
不构造中间几何图素,直接由三维场体素的介质属性而产生二维图像(直接体绘制)
流体力学
有限元分析
边界元分析
图形绘制的两种思路:
假设物体为刚体表面,模拟表面对光的反射、折射现象
假设物体无固定表面,但形成均匀的随机场,光线在随机场中表现为散射、吸收、衰减等特性。-需要考虑随机介质的光照模型。
生物组织具有特殊性:具有确定性介质和随机介质的双重特性。需要考虑更加复杂的光照模型。
- 考虑体散射和面反射的混合光照模型光照模型
- 基于图像的图形绘制
例:MRI数据场的显示
体图形学(Volume Graphics) : 研究体素化物体的合成、操作和显示问题。
体视图形的概念
体图形学侧重几何形体的体素化及其后续的操作,弥补了传统面图形学的缺陷,丰富和发展了计算机图形学的理论和方法。
体图形学使用一种称为体缓存(Volume-buffer) 的存储介质,存放三维物体的离散数据集合。
体缓存可以看成是一种“三维光栅”,它的每一个小单位立方体就是一个体元素,简称体素。三维光栅中体素的概念源于二维光栅的像素,是像素在三维空间中的推广。
每个体素有一个或多个值,这些值可以表示占有该体素的物体的某种可检测到的属性,例如颜色、密度、对该体素的占有率等。
体素可看成可接受或发出光线的粒子,其视觉属性取决于光照和粒子本身的介质属性。
对景物的复杂度不敏感。场景经过体素化过程都将以一种相同的形式存储载体缓存中。只有体素化过程的效率与景物的复杂度有关。
体视图形的优点
对纹理不敏感。在体图形学中纹理映射和实体纹理化都在体素化过程中一次性完成,在每个体素上计算出的纹理值(颜色)保存在那个体素中,供以后的显示算法使用。
与视点无关。“与视点无关”是指显示算法是不随视点而变的。在体图形学中,不仅景物在体素化过程中一次性固定下来,一些与视点无关的属性(颜色、纹理、透明度、法向量等)也可以一次性计算出来并记录在体素中,而不需要在每次显示中重复计算。
适合内部结构的显示。体缓存中的体素就含有物体内部和外部的信息,体图形学通过对这些信息的加工、变换和显示,再现物体内部原本看不到的结构。
适应面更广、包含的信息更全面。体图形学不仅可以利用体素化间接的接收和处理几何定义的形体,,同时它特别擅长处理三维采样和模拟的数据集,例如 CT 和 MRI 产生的体数据。这些体数据包含着物体的内部信息,甚至可以表示无形的对象。
便于集合运算和块操作。由于体素阵列的离散性和规则性,使得体图形学可以方便的对体素组成的某个连通域(块)进行修改、移位、复制等操作。