Representación de volumen: Explorando el realismo visual en la visión por computadora

Por Fouad Sabry

¿Qué es la renderización de volumen?

En visualización científica y gráficos por computadora, la renderización de volumen es un conjunto de técnicas que se utilizan para mostrar una proyección 2D de un conjunto de datos muestreados discretamente en 3D, generalmente un campo escalar 3D.

Cómo se beneficiará

(I) Insights y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Representación de volumen

Capítulo 2: Representación (gráficos por computadora)

Capítulo 3: Mapeo de textura

Capítulo 4: Voxel

Capítulo 5: Tomografía

Capítulo 6: Fundición de rayos

Capítulo 7: Visualización científica

Capítulo 8: Representación de Reyes

Capítulo 9: Recorte (gráficos por computadora)

Capítulo 10: Fundición de rayos de volumen

(II) Respondiendo a las principales preguntas del público sobre la renderización de volumen.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de la renderización de volumen en muchos campos.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado, entusiastas, aficionados y aquellos que quieran para ir más allá del conocimiento o la información básica para cualquier tipo de renderizado de volumen.

 

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 14 may 2024

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Capítulo 1: Representación de volúmenes

La representación de volúmenes es un conjunto de técnicas utilizadas en la visualización científica y los gráficos por ordenador para presentar una proyección 2D de un conjunto de datos muestreados discretamente en 3D, a menudo un campo escalar 3D.

Una colección de imágenes de cortes en 2D registradas por un escáner de tomografía computarizada, resonancia magnética o microtomografía computarizada constituye un conjunto de datos 3D típico. Por lo general, se adquiere en un patrón regular (por ejemplo, un corte por milímetro de profundidad) y con una cantidad regular de píxeles de imagen en un patrón regular. Este es un ejemplo de una cuadrícula volumétrica regular en la que cada elemento de volumen, o vóxel, está representado por un único valor derivado del muestreo del área que rodea inmediatamente al vóxel.

Para crear una proyección 2D de una colección de datos 3D, se debe definir una cámara en el espacio relativo al volumen. Además, se debe determinar la opacidad y el color de cada vóxel. Por lo general, esto se define mediante una función de transferencia RGBA (rojo, verde, azul, alfa), que especifica el valor RGBA para cada valor de vóxel.

Un volumen se puede visualizar, por ejemplo, extrayendo isosuperficies (superficies con valores iguales) del volumen y dibujándolas como mallas poligonales, o representando el volumen directamente como un bloque de datos. Un método típico para extraer una isosuperficie de datos de volumen es el algoritmo de cubos de marcha. La representación directa de volúmenes es un proceso costoso desde el punto de vista computacional que se puede lograr de varias maneras.

La representación de volumen es distinta de las presentaciones de tomografía de corte fino, así como de las proyecciones de modelos 3D, como la proyección de máxima intensidad. Para hacer representaciones realistas o perceptibles, es necesario:.

Cada valor de muestra en un procesador de volumen directo debe asignarse a la opacidad y el color. Esto se logra mediante el uso de una función de transferencia, que puede ser una rampa básica, una función lineal a trozos o una tabla arbitraria. Después de transformarse en un valor RGBA (para rojo, verde, azul y alfa), la salida RGBA se proyecta en el píxel apropiado del búfer de fotogramas. Esto depende de la técnica de renderizado empleada.

Es factible que estas técnicas se combinen. Por ejemplo, una implementación de deformación de distorsión podría utilizar hardware de texturizado para representar sectores alineados en el búfer fuera de la pantalla.

El enfoque de proyección de rayos volumétricos se puede obtener directamente de la ecuación de representación. Produce imágenes de muy alta calidad y, por lo general, se considera que ofrece la más alta calidad de imagen. La proyección de rayos de volumen se clasifica como una técnica de representación de volumen basada en imágenes porque el cálculo se deriva de la imagen de salida en lugar de los datos de volumen de entrada, como ocurre con las técnicas basadas en objetos. En este método, se genera un rayo para cada píxel de imagen que se desee. Usando un modelo de cámara simple, el rayo comienza en el centro de proyección de la cámara (a menudo el punto del ojo) y atraviesa el píxel de la imagen en un plano de imagen artificial que flota entre la cámara y el volumen que se va a producir. Para ahorrar tiempo, el rayo se recorta por los límites del volumen. A continuación, el rayo se muestrea a lo largo del volumen a intervalos regulares o adaptativos. En cada ubicación de la muestra, los datos se interpolan, se aplica la función de transferencia para generar una muestra RGBA, la muestra se compone en el RGBA acumulado del rayo y el proceso se repite hasta que el rayo sale del volumen. El color RGBA se transforma en un color RGB y se almacena en el píxel correspondiente a ese color. El procedimiento se repite para cada píxel de la pantalla para crear la imagen final.

Este método sacrifica la calidad por la velocidad. Aquí, cada elemento de volumen se salpica en la superficie de visualización en orden inverso, como lo describe Lee Westover. Estas salpicaduras se muestran como discos con un tono y una opacidad (gaussianos) que varían radicalmente. Dependiendo de la aplicación, también se utilizan discos planos y aquellos con varios tipos de distribución de propiedades.

Cameron y Undrill crearon el enfoque de urdimbre cortante para el renderizado de volúmenes, que fue popularizado por Philippe Lacroute y Marc Levoy. Esta técnica transforma la transformación de visualización de modo que la cara más cercana del volumen esté alineada con un búfer de datos de imagen fuera de la pantalla con una escala fija de vóxel a píxel. A continuación, el volumen se muestra en este búfer mediante la alineación de la memoria y los parámetros de escalado y combinación que son significativamente más ventajosos. Una vez que se han producido todos los segmentos de volumen, el búfer se deforma en la orientación correcta y se cambia el tamaño de la imagen mostrada.

En comparación con la proyección de rayos, esta técnica es comparativamente rápida en el software a expensas de un muestreo menos preciso y quizás una calidad de imagen inferior. Se deben almacenar varias copias del volumen en la memoria para que los volúmenes se puedan alinear cerca del eje. Esta carga se puede reducir mediante la codificación de la longitud de la tirada.

Numerosos sistemas de gráficos 3D aplican imágenes o texturas a objetos geométricos a través del mapeo de texturas. Las tarjetas gráficas estándar para PC son rápidas en el texturizado y pueden crear segmentos de volumen 3D con capacidades de interacción en tiempo real. Las GPU de las estaciones de trabajo son la base de la mayor parte de la visualización del volumen de producción utilizada en las industrias de imágenes médicas, petróleo y gas, y otras (2007). En el pasado, se utilizaron métodos dedicados de mapeo de texturas 3D en sistemas gráficos como Silicon Graphics InfiniteReality, HP Visualize FX y otros. Este método fue descrito inicialmente por Bill Hibbard y David Santek.

Estos sectores pueden alinearse con el volumen y presentarse en ángulo con respecto al espectador, o pueden alinearse con el plano de visualización y muestrearse a partir de sectores no alineados a través del volumen. Para el segundo método se requiere hardware de gráficos que admita texturas 3D.

Las imágenes producidas por el texturizado alineado con el volumen son de calidad aceptable, aunque con frecuencia hay una transición perceptible cuando se gira el volumen.

Debido a la naturaleza altamente paralela de la representación directa de volúmenes, el hardware especializado de renderizado de volúmenes era un área de investigación popular antes de la llegada de la renderización de volúmenes de GPU. El sistema de proyección de rayos en tiempo real VolumePro de 2007, desarrollado por Hanspeter Pfister y expertos de los Laboratorios de Investigación de Mitsubishi Electric, fue la tecnología a la que se hizo referencia con más frecuencia.

El uso de tarjetas gráficas contemporáneas es una forma implementada recientemente para acelerar los algoritmos tradicionales de renderizado de volumen, como la proyección de rayos. Comenzando con sombreadores de píxeles programables, la gente se dio cuenta del poder de las operaciones paralelas en muchos píxeles y comenzó a realizar computación de propósito general en unidades de procesamiento de gráficos (GPGPU). Los sombreadores de píxeles son capaces de leer y escribir aleatoriamente desde la memoria de video y realizar ciertas operaciones matemáticas y lógicas elementales. Estos procesadores SIMD se utilizaron para cálculos generales, incluido el renderizado de polígonos y el procesamiento de señales. Las versiones recientes de GPU permiten que los sombreadores de píxeles funcionen como procesadores MIMD (ahora capaces de ramificaciones independientes) empleando hasta 1 GB de memoria de textura