Fundición de rayos de volumen

La fundición de rayos volumétricos , a veces llamada fundición de rayos volumétricos , trazado de rayos volumétricos o marcha de rayos volumétricos , es una técnica de representación de volúmenes basada en imágenes . Calcula imágenes 2D a partir de conjuntos de datos volumétricos 3D ( campos escalares 3D ). La fundición de rayos volumétrica, que procesa datos de volumen, no debe confundirse con la fundición de rayos en el sentido utilizado en el trazado de rayos , que procesa datos de superficie. En la variante volumétrica, el cálculo no se detiene en la superficie sino que "atraviesa" el objeto, muestreándolo a lo largo del rayo. A diferencia del trazado de rayos, la emisión de rayos en volumen no genera rayos secundarios. ^[1] Cuando el contexto/aplicación es claro, algunos autores simplemente lo llaman ray casting . ^[1]^[2] Debido a que la marcha de rayos no requiere necesariamente una solución exacta para las intersecciones y colisiones de rayos, es adecuada para la computación en tiempo real para muchas aplicaciones para las cuales el trazado de rayos no es adecuado.

Clasificación

La técnica de fundición de rayos volumétricos se puede derivar directamente de la ecuación de renderizado . Proporciona resultados de renderizado de muy alta calidad. La fundición de rayos de volumen se clasifica como una técnica de representación de volumen basada en imágenes, ya que el cálculo emana de la imagen de salida y no de los datos de volumen de entrada, como es el caso de las técnicas basadas en objetos.

Algoritmo básico

En su forma básica, el algoritmo de emisión de rayos volumétricos consta de cuatro pasos:

Fundición de rayos. Para cada píxel de la imagen final, se dispara ("proyecta") un rayo de visión a través del volumen. En esta etapa es útil considerar el volumen que se toca y se incluye dentro de una primitiva delimitadora , un objeto geométrico simple (normalmente un cuboide ) que se utiliza para intersectar el rayo de visión y el volumen.
Muestreo. A lo largo de la parte del rayo de visión que se encuentra dentro del volumen, se seleccionan puntos de muestreo o muestras equidistantes. En general, el volumen no está alineado con el rayo de visión y los puntos de muestreo generalmente estarán ubicados entre los vóxeles . Por eso, es necesario interpolar los valores de las muestras de los vóxeles circundantes (comúnmente usando interpolación trilineal ).
Sombreado. Para cada punto de muestreo, una función de transferencia recupera un color de material RGBA y se calcula un gradiente de valores de iluminación. El gradiente representa la orientación de las superficies locales dentro del volumen. Luego, las muestras se sombrean (es decir, se colorean e iluminan) según la orientación de su superficie y la ubicación de la fuente de luz en la escena.
Componiendo. Una vez que se han sombreado todos los puntos de muestreo, se componen a lo largo del rayo de visión, lo que da como resultado el valor de color final para el píxel que se está procesando actualmente. La composición se deriva directamente de la ecuación de renderizado y es similar a mezclar láminas de acetato en un retroproyector. Puede funcionar al revés , es decir, el cálculo comienza con la muestra más alejada del espectador y termina con la más cercana al espectador. Esta dirección del flujo de trabajo garantiza que las partes enmascaradas del volumen no afecten al píxel resultante. El orden de adelante hacia atrás podría ser más eficiente desde el punto de vista computacional ya que la energía residual del rayo disminuye mientras el rayo se aleja de la cámara; por lo tanto, la contribución a la integral de renderizado está disminuyendo, por lo que se puede aplicar un compromiso más agresivo entre velocidad y calidad (el aumento de las distancias entre muestras a lo largo del rayo es una de esas compensaciones entre velocidad y calidad).

Algoritmos adaptativos avanzados

La estrategia de muestreo adaptativo reduce drásticamente el tiempo de renderizado para una renderización de alta calidad: cuanto mayor sea la calidad y/o el tamaño del conjunto de datos, más significativa será la ventaja sobre la estrategia de muestreo regular/par. ^[1] Sin embargo, la proyección de rayos adaptativos en un plano de proyección y el muestreo adaptativo a lo largo de cada rayo individual no se corresponden bien con la arquitectura SIMD de la GPU moderna. Sin embargo, las CPU multinúcleo se adaptan perfectamente a esta técnica, lo que las hace adecuadas para la renderización volumétrica interactiva de altísima calidad .

Ejemplos de fundición de rayos volumétricos de alta calidad.

Esta galería representa una colección de imágenes renderizadas mediante transmisión de rayos volumétricos de alta calidad. Por lo general, la apariencia nítida de las imágenes de emisión de rayos de volumen las distingue de la salida del mapeo de texturas de realidad virtual debido a la mayor precisión de las representaciones de emisión de rayos de volumen.

La tomografía computarizada de la momia de cocodrilo tiene una resolución de 3000 × 512 × 512 (16 bits), el conjunto de datos del cráneo tiene una resolución de 512 × 512 × 750 (16 bits).

Rayo marchando

El término marcha de rayos es más amplio y se refiere a métodos en los que los rayos simulados se atraviesan de forma iterativa, dividiendo efectivamente cada rayo en segmentos de rayos más pequeños, muestreando alguna función en cada paso. Estos métodos se utilizan a menudo en casos en los que crear geometría explícita, como triángulos, no es una buena opción.

Otros ejemplos de marcha de rayos.

En la marcha de rayos SDF , o trazado de esferas , ^[3] se aproxima un punto de intersección entre el rayo y una superficie definida por una función de distancia con signo (SDF). El SDF se evalúa en cada iteración para poder dar pasos tan grandes como sea posible sin perder ninguna parte de la superficie. Se utiliza un umbral para cancelar iteraciones adicionales cuando se alcanza un punto que está lo suficientemente cerca de la superficie. Este método se utiliza a menudo para la representación fractal 3D. ^[4]
Al renderizar efectos del espacio de la pantalla , como la reflexión del espacio de la pantalla (SSR) y las sombras del espacio de la pantalla, los rayos se trazan utilizando búferes G , donde se almacenan datos normales de profundidad y superficie por cada píxel 2D.

Ver también

Amira : software comercial de análisis y visualización 3D (para ciencias biológicas y biomédicas) que utiliza un motor de renderizado de volumen de emisión de rayos (basado en Open Inventor )
Avizo : software comercial de análisis y visualización 3D que utiliza un motor de renderizado de volumen de transmisión de rayos (también basado en Open Inventor)
Shadertoy : comunidad y plataforma en línea para profesionales, académicos y entusiastas de los gráficos por computadora que comparten, aprenden y experimentan con técnicas de renderizado y arte procedimental a través del código GLSL.
Seguimiento de trayectoria volumétrica

Referencias

^ a b C Daniel Weiskopf (2006). Técnicas de visualización interactiva basadas en GPU . Medios de ciencia y negocios de Springer. pag. 21.ISBN 978-3-540-33263-3.
^ Barton F. Branstetter (2009). Informática práctica de imágenes: fundamentos y aplicaciones para profesionales de PACS. Medios de ciencia y negocios de Springer. pag. 126.ISBN 978-1-4419-0485-0.
^ Hart, John C. (junio de 1995), "Trazado de esferas: un método geométrico para el trazado de rayos suavizado de superficies implícitas" (PDF) , The Visual Computer
^ Hart, John C.; Sandín, Daniel J.; Kauffman, Louis H. (julio de 1989), "Fractales tridimensionales deterministas de trazado de rayos" (PDF) , gráficos por computadora

enlaces externos

Técnicas de aceleración para la representación de volúmenes basada en GPU (J. Krüger, R. Westermann, IEEE Visualization 2003)
Un marco de fundición de rayos GPU de un solo paso para la representación interactiva fuera del núcleo de conjuntos de datos volumétricos masivos (E. Gobbetti, F. Marton, JA Iglesias Guitian, The Visual Computer 2008)