Representación de volúmenes

Artículo
07/12/2023

Si no está familiarizado con la representación de volúmenes, le recomendamos que lea nuestra introducción.

Representación de texturas 3D

En la 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); }
   }
   /* ... */
 }

En la GPU:

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];
 }

Sombreado y degradados

Cómo sombrear un volumen, como resonancia magnética, para una visualización útil. El método principal es tener una "ventana de intensidad" (un mínimo y un máximo) dentro de la que desea ver las intensidades y simplemente escalar a ese espacio para ver la intensidad de blanco y negro. A continuación, se puede aplicar una "rampa de color" a los valores dentro de ese intervalo y almacenarse como una textura, de modo que diferentes partes del espectro de intensidad se puedan sombrear diferentes colores:

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 ) );

En muchas de nuestras aplicaciones, almacenamos en nuestro volumen un valor de intensidad sin procesar y un "índice de segmentación" (para segmentar diferentes partes como la piel y el hueso; estos segmentos los crean expertos en herramientas dedicadas). Esto se puede combinar con el enfoque anterior para colocar un color diferente, o incluso una rampa de color diferente para cada índice de segmento:

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

Segmentación de volumen en un sombreador

Un gran primer paso es crear un "plano de segmentación" que pueda moverse por el volumen, "segmentarlo" y cómo los valores de examen en cada punto. Esto supone que hay un cubo "VolumeSpace", que representa dónde se encuentra el volumen en el espacio mundial, que se puede usar como referencia para colocar los puntos:

// 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 ) );

Seguimiento de volúmenes en sombreadores

Cómo usar la GPU para realizar el seguimiento de subvolumes (recorre algunos vóxeles profundos y, a continuación, capas de los datos de atrás a delante):

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 );

Representación de todo el volumen

Al modificar el código de subvolume anterior, se obtiene lo siguiente:

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

Representación de escenas de resolución mixta

Cómo representar una parte de la escena con una resolución baja y volver a colocarla en su lugar:

Configure dos cámaras fuera de pantalla, una para seguir cada ojo que actualice cada fotograma
Configure dos destinos de representación de baja resolución (es decir, 200 x 200 cada uno) en los que las cámaras se representan en
Configurar un cuadrante que se mueve delante del usuario

Cada fotograma:

Dibujar los destinos de representación para cada ojo en baja resolución (datos de volumen, sombreadores caros, etc.)
Dibujar la escena normalmente como resolución completa (mallas, interfaz de usuario, etc.)
Dibuje un cuadrante delante del usuario, sobre la escena y proyecta las representaciones de baja res en esa
Resultado: combinación visual de elementos de resolución completa con datos de volumen de baja resolución pero alta densidad