体绘制——医学体绘制

1. 概要

体绘制（Volume rendering）在医疗领域有着重要作用，CT/MRI数据的三维成像能够辅助疾病的诊疗。

医学体绘制在学术和工业界已经发展了多年，国外在这方面的研究和应用比较深入，但国内还比较薄弱。

本文从体绘制的几个研究类别着手，介绍一些体绘制方法，能够让初涉该领域的研究者对体绘制过程有所了解。

图1 Rain-Water (https://draemm.li/various/volumeRendering/webgl2/)

2. 方法

2.1 直接体绘制

直接体绘制（Direct Volume Rendering, DVR）就是从体数据中直接获取其三维表示。这里介绍Ray casting方法（[1]第七章“GPU-based ray casting”）和Slice-based方法（[1]第三章“Viewport-aligned slices”）。

2.1.1 Ray casting

图2 Ray casting过程

如上图所示，从相机位置发射的一条穿过屏幕空间的光线，按照一定的步长经过体数据，在每个位置进行采样得到密度值，直到光线退出体积或颜色的alpha值达到饱和。同时，光线遍历过程所获得的采样以一定的方式被合成。

2.1.2 Slice-based

Slice-based方式的一种简单方法3D texture slicing，以front-to-back或back-to-front方式划分体积成一系列切片，然后进行混合。

2.2 间接体绘制

这里介绍Marching Tetrahedra（MT）[2]方法，该方法遍历整个体积数据，根据求交标准拟合形成特定的多边形，进而形成整个体积的多边形网格。

2.3 体积光照

体绘制过程中，增加光照效果能够增强数据的结构和深度感知。这里介绍Half-angle slicing（[1]第六章“Global volume illumination”）。

Half-angle slicing能够逐切片模拟光照吸收过程。类似于Shadow mapping的计算过程，但需要多个pass才能绘制整个体积的光照的效果。

3. 总结

体绘制是一个有趣的研究方向，推荐参考文献如下。

[1] Real-time volume graphics

[2] An implementation of Marching Cubes and Marching Tetrahedrons