Rendering volumetrico: Esplorare il realismo visivo nella visione artificiale

Di Fouad Sabry

Cos'è il rendering volumetrico

Nella visualizzazione scientifica e nella grafica computerizzata, il rendering del volume è un insieme di tecniche utilizzate per visualizzare una proiezione 2D di un set di dati campionati in modo discreto 3D, tipicamente un campo scalare 3D.

Come trarrai beneficio

(I) Approfondimenti e convalide sui seguenti argomenti:

Capitolo 1: Rendering del volume

Capitolo 2: Rendering (computer grafica)

Capitolo 3: Mappatura delle texture

Capitolo 4: Voxel

Capitolo 5: Tomografia

Capitolo 6: Fusione dei raggi

Capitolo 7: Visualizzazione scientifica

Capitolo 8: Rendering di Reyes

Capitolo 9: Ritaglio (computer grafica)

Capitolo 10: Colata del raggio del volume

(II) Rispondere alle principali domande del pubblico sul rendering del volume.

(III) Esempi del mondo reale per l'utilizzo del rendering del volume in molti campi.

A chi è rivolto questo libro

Professionisti, studenti universitari e laureati, appassionati, hobbisti e coloro che vogliono andare oltre le conoscenze o le informazioni di base per qualsiasi tipo di rendering volumetrico.

• Lingua: Italiano
• Editore: Un Miliardo Di Ben Informato [Italian]
• Data di uscita: 14 mag 2024

Anteprima del libro

Capitolo 1: Rendering del volume

Il rendering del volume è un insieme di tecniche utilizzate nella visualizzazione scientifica e nella computer grafica per presentare una proiezione 2D di un set di dati campionato in modo discreto 3D, spesso un campo scalare 3D.

Una raccolta di immagini di fette 2D registrate da uno scanner TC, MRI o MicroCT costituisce un tipico set di dati 3D. Tipicamente acquisito in uno schema regolare (ad esempio, una fetta per millimetro di profondità) e con una quantità regolare di pixel dell'immagine in uno schema regolare. Questo è un esempio di griglia volumetrica regolare in cui ogni elemento di volume, o voxel, è rappresentato da un singolo valore derivato campionando l'area immediatamente circostante il voxel.

Per creare una proiezione 2D di una raccolta di dati 3D, è necessario definire una telecamera nello spazio relativo al volume. Inoltre, è necessario determinare l'opacità e il colore di ciascun voxel. Questo viene in genere definito utilizzando una funzione di trasferimento RGBA (rosso, verde, blu, alfa), che specifica il valore RGBA per ogni valore voxel.

Un volume può essere visualizzato, ad esempio, estraendo isosuperfici (superfici con valori uguali) dal volume e disegnandole come mesh poligonali, oppure visualizzando il volume direttamente come un blocco di dati. Un metodo tipico per estrarre un'isosuperficie dai dati di volume è l'algoritmo dei cubi di marcia. Il rendering diretto del volume è un processo computazionalmente costoso che può essere eseguito in diversi modi.

Il rendering del volume è distinto dalle presentazioni di tomografia a fette sottili e dalle proiezioni di modelli 3D, come la proiezione di massima intensità. Per realizzare raffigurazioni realistiche o percettibili, è necessario:.

Ogni valore di esempio in un renderer volume diretto deve essere mappato all'opacità e al colore. Ciò si ottiene mediante l'uso di una funzione di trasferimento, che può essere una rampa di base, una funzione lineare a tratti o una tabella arbitraria. Dopo essere stato trasformato in un valore RGBA (per rosso, verde, blu e alfa), l'output RGBA viene proiettato sul pixel appropriato del frame buffer. Questo dipende dalla tecnica di rendering utilizzata.

È possibile combinare queste tecniche. Ad esempio, un'implementazione di alterazione di taglio potrebbe utilizzare l'hardware di texturing per eseguire il rendering delle sezioni allineate nel buffer fuori schermo.

L'approccio del ray casting del volume può essere ottenuto direttamente dall'equazione di rendering. Produce immagini di altissima qualità ed è generalmente considerato in grado di offrire la massima qualità dell'immagine. Il ray casting del volume è classificato come una tecnica di rendering del volume basata sull'immagine perché il calcolo deriva dall'immagine di output anziché dai dati del volume di input, come con le tecniche basate su oggetti. In questo metodo, viene generato un raggio per ogni pixel dell'immagine desiderato. Utilizzando un semplice modello di fotocamera, il raggio inizia dal centro di proiezione della fotocamera (spesso il punto di osservazione) e attraversa il pixel dell'immagine su un piano artificiale dell'immagine fluttuante tra la fotocamera e il volume da produrre. Per risparmiare tempo, il raggio viene ritagliato dai limiti del volume. Quindi, il raggio viene campionato in tutto il volume a intervalli regolari o adattativi. In ogni posizione del campione, i dati vengono interpolati, la funzione di trasferimento viene applicata per generare un campione RGBA, il campione viene composto sull'RGBA accumulato dal raggio e il processo viene ripetuto fino a quando il raggio non esce dal volume. Il colore RGBA viene trasformato in un colore RGB e memorizzato nel pixel corrispondente a quel colore. La procedura viene ripetuta per ogni pixel sul display per creare l'immagine finale.

Questo metodo sacrifica la qualità per la velocità. Qui, ogni elemento del volume viene spruzzato sulla superficie di visualizzazione in ordine inverso, come descritto da Lee Westover. Questi schizzi vengono visualizzati come dischi con tonalità e opacità (gaussiane) radicalmente variabili. A seconda dell'applicazione, vengono utilizzati anche dischi piatti e quelli con vari tipi di distribuzione delle proprietà.

Cameron e Undrill hanno creato l'approccio shear warp al rendering del volume, che è stato reso popolare da Philippe Lacroute e Marc Levoy. Questa tecnica trasforma la trasformazione di visualizzazione in modo che la faccia più vicina del volume sia allineata con un buffer di dati dell'immagine fuori dallo schermo con una scala fissa da voxel a pixel. Il volume viene quindi visualizzato in questo buffer utilizzando l'allineamento della memoria, i parametri di ridimensionamento e fusione che sono significativamente più vantaggiosi. Una volta che tutte le sezioni di volume sono state prodotte, il buffer viene deformato nell'orientamento corretto e l'immagine visualizzata viene ridimensionata.

Rispetto al ray casting, questa tecnica è relativamente veloce nel software a scapito di un campionamento meno accurato e forse di una qualità dell'immagine inferiore. È necessario archiviare più copie del volume in memoria per poter avere volumi allineati vicino all'asse. Questo onere può essere ridotto dalla codifica della lunghezza di esecuzione.

Numerosi sistemi di grafica 3D applicano immagini o texture a oggetti geometrici tramite texture mapping. Le schede grafiche standard per PC sono veloci nella texturizzazione e possono creare sezioni di volume 3D con funzionalità di interazione in tempo reale. Le GPU per workstation sono la base per la maggior parte della visualizzazione dei volumi di produzione utilizzata nell'imaging medico, nel settore petrolifero e del gas e in altri settori (2007). In passato, i metodi di mappatura delle texture 3D dedicati venivano utilizzati su sistemi grafici come Silicon Graphics InfiniteReality, HP Visualize FX e altri. Questo metodo è stato inizialmente descritto da Bill Hibbard e David Santek.

Queste sezioni possono essere allineate con il volume e presentate ad angolo rispetto all'osservatore, oppure possono essere allineate con il piano di visualizzazione e campionate da sezioni non allineate attraverso il volume. Per il secondo metodo è necessario un hardware grafico che supporti le trame 3D.

Le immagini prodotte dalla texturizzazione allineata al volume sono di qualità accettabile, anche se spesso c'è una transizione percettibile quando il volume viene ruotato.

A causa della natura altamente parallela del rendering diretto del volume, l'hardware specializzato per il rendering del volume era un'area di ricerca popolare prima dell'avvento del rendering del volume GPU. Il sistema di ray-casting in tempo reale VolumePro del 2007, sviluppato da Hanspeter Pfister e dagli esperti dei laboratori di ricerca Mitsubishi Electric, è stata la tecnologia a cui si fa riferimento più spesso.

L'utilizzo di schede grafiche contemporanee è un modo recentemente implementato per accelerare i tradizionali algoritmi di rendering dei volumi come il ray-casting. A partire dai pixel shader programmabili, le persone si sono rese conto della potenza delle operazioni parallele su molti pixel e hanno iniziato a eseguire il calcolo generico su unità di elaborazione grafica (GPGPU). I pixel shader sono in grado di leggere e scrivere in modo casuale dalla memoria video e di eseguire alcune operazioni matematiche e logiche elementari. Questi processori SIMD sono stati utilizzati per calcoli generali, tra cui il rendering poligonale e l'elaborazione del segnale. Le versioni recenti della GPU consentono ai pixel shader di funzionare come processori MIMD (ora in grado di ramificare in modo indipendente) impiegando fino a 1 GB di memoria di texture con formati a virgola mobile. Con tale capacità di elaborazione, quasi tutti gli algoritmi con fasi parallelizzabili, come il ray casting volumetrico o