體積渲染概述

關於醫療MRI或工程體積，請參見維基百科的體積渲染。這些「體積影像」包含豐富資訊，包含整個體積的不透明度與色彩，這些資訊不容易用多邊形網格等表面來表達。

提升效能的關鍵解決方案

壞：天真方法：顯示整卷，通常跑得太慢
GOOD：切割平面：只顯示體積的單一切片
GOOD：切割子體積：只顯示體積的幾層
GOOD：降低體積渲染的解析度 (查看「混合解析度場景渲染」)

你只能在每個特定畫面中，將應用程式中有限量的資訊傳送到螢幕。這個總記憶體頻寬限制了你能傳輸的資料量。此外，任何處理 (或「著色」) 將資料轉換以呈現所需的工作都需要時間。進行體積渲染時，主要考量如下：

Screen-Width * Screen-Height * Screen-Count * 該像素的體積層數 = 每幀總體積取樣數
1028 * 720 * 2 * 256 = 378961920 (100%) (全解析度體積：樣本太多)
1028 * 720 * 2 * 1 = 1480320 (0.3% 的) (薄切片：每個像素取樣 1 個，運行順暢)
1028 * 720 * 2 * 10 = 14803200 (3.9%) (子體積切片：每個像素 10 個取樣，運行相當順暢，看起來 3D)
200 * 200 * 2 * 256 = 20480000 (5%) (較低解析度的體積：像素較少，體積滿，看起來 3D 但有點模糊)

表示 3D 貼圖

關於 CPU：

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

關於 GPU 的說明：

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];
 }

陰影與漸層

如何為體積（如MRI）提供陰影，以便視覺化。主要方法是有一個「強度視窗」 (一個最小和最大) ，想在裡面看到強度，然後縮放到那個空間裡就能看到黑白強度。接著可以對該範圍內的數值套用「色斜坡」，並儲存為貼圖，讓強度譜的不同部分能以不同顏色著色：

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 ) );

在許多應用中，我們會在體積中儲存原始強度值和「分割指數」 (用來分割不同部位，如皮膚和骨骼;這些片段由專業工具) 製作。這可以與上述方法結合，為每個區段索引放置不同顏色，甚至不同的色階：

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

著色器中的體積切片

一個很好的第一步是建立一個「切片平面」，可以穿過體積，並「切片」它，以及每個點的掃描值。這假設有一個「VolumeSpace」立方體，代表體積在世界空間中的位置，可以用來作為放置點的參考：

// 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 ) );

著色器中的體積追蹤

如何使用 GPU 進行子體積追蹤 (深入幾個體素，然後從後到前層疊加資料) ：

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 );

全體渲染

修改上述子卷碼後，我們得到：

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

混合解析度場景渲染

如何渲染場景中低解析度的部分並放回原位：

設置兩台螢幕外攝影機，分別追蹤每隻眼睛，更新每一幀
設置兩個低解析度渲染目標，每個 200x200 (，攝影機渲染成 200x200)
設置一個四人形，讓它在使用者前方移動

每一幀：

用低解析度 (體積資料、昂貴的著色器等方式，為每隻眼睛繪製渲染目標)
像全解析度一樣繪製場景， (網格、介面等等)
在使用者前方畫一個四邊形，覆蓋整個場景，然後把低解析度渲染投影到上面
結果：全解析度元素與低解析度但高密度體積資料的視覺結合

另請參閱

使用 C# 和 HLSL 取樣的體積渲染 ()

意見反應

此頁面對您有幫助嗎？

Last updated on 2025-12-03