体绘制（Volume Rendering）概述之4：光线投射算法（Ray Casting）实现流程和代码（基于CPU的实现
摘抄“GPU Programming And Cg Language Primer 1rd Edition” 中文 名“GPU编程与CG语言之阳春白雪下里巴人”
算法流程
图 47 展示了使用光线投射算法进行体绘制的实现流程。
首先要渲染出正向面深度图和背向面深度图，这是为了计算射线穿越的最大距离，做为循环采样控制的结束依据；然后在顶点着色程序中计算顶点位置和射线方向，射线方向由视线方向和点的世界坐标决定，其实射线方向也可以放在片段着色程序中进行计算。然后到了最关键的地方，就是循环纹理采样、合成。
每一次循环都要计算新的采样纹理坐标和采样距离，然后进行颜色合成和透明度累加，如果采样距离超过了最大穿越距离，或者透明度累加到 1 ，则循环结束。将合成得到的颜色值输出即可。
图 48 给出了使用光线投射算法进行体绘制的效果图：
15.4 光线投射算法实现
本节给出光线投射算法的着色程序实现代码。依然是分为三个部分：结构体、顶点着色程序和片段着色程序。
代码 22 光线投射算法结构体
struct VertexIn
{
float4 position : POSITION;
float4 texCoord: TEXCOORD;
};
struct VertexScreen
{
float4 position : POSITION;
float4 worldPos : TEXCOORD0;
float4 projPos : TEXCOORD1;
float4 texCoord : TEXCOORD2;
};
代码 23 光线投射算法顶点着色程序
VertexScreen main_v(VertexIn posIn,
uniform float4x4 world,
uniform float4x4 worldViewProj,
uniform float4x4 texViewProj)
{
VertexScreen posOut;
posOut.position = mul(worldViewProj, posIn.position);
posOut.worldPos = mul(world,posIn.position);
posOut.projPos = mul(texViewProj, posOut.worldPos);
posOut.texCoord = posIn.texCoord;
return posOut;
}
代码 24 光线投射算法片段着色程序
void main_f(VertexScreen posIn,
uniform float3 eyePosition,
uniform sampler3D volumeTex: register(s0),
uniform sampler2D frontDepthTex: register(s1) ,
uniform sampler2D backDepthTex: register(s2) ,
out float4 result : COLOR)
{
// 根据视点和当前顶点世界坐标计算方向
float3 dir = posIn.worldPos.xyz-eyePosition;
dir = normalize(dir);
float3 deltaDir = float3(0.0, 0.0, 0.0);
// 获取当前顶点的三维纹理坐标
float3 tex = posIn.texCoord.xyz;
float2 uvDelta;
uvDelta.x = 0.0;//ddx( tex ).x;
uvDelta.y = 0.0;//ddy( tex ).y;
// 取出深度间隔值 , 并设置采样间隔
float2 uv= posIn.projPos.xy/posIn.projPos.w;
float frontDis = tex2D(frontDepthTex,uv).x;
float backDis = tex2D(backDepthTex,uv).x;
float len = backDis-frontDis;
// 初始化颜色值、采样值、透明度
float3 norm_dir = normalize(dir);
float stepsize = 0.01;
float delta = stepsize;
float3 delta_dir = norm_dir * delta;
float delta_dir_len = length(delta_dir);
float3 vec = posIn.texCoord.xyz;
float4 col_acc = float4(0,0,0,0);
float alpha_acc = 0;
float length_acc = 0;
float4 color_sample;
float alpha_sample;
for(int i = 0; i < 800; i++){
color_sample = tex3D(volumeTex,vec);
alpha_sample = color_sample.a * stepsize;
col_acc += (1.0 - alpha_acc) * color_sample * alpha_sample * 3;
alpha_acc += alpha_sample;
vec += delta_dir;
length_acc += delta_dir_len;
if(length_acc >= len || alpha_acc > 1.0) break; // 采样循环控制条件
}
result.xyz = col_acc.xyz*2.0+float3(0.2,0.2,0.2);
result.w = col_acc.w;
}
15.5 本章小结
本书的第14 、15 章阐述了体绘制中光线投射算法的基本原理和实现流程。实际上，在此基础上可以对光线投射算法加以扩展，例如将光线投射算法和阴影绘制算法相结合，可以渲染出真实感更强的图像。
此外，有些体数据是中间是空的，在射线方向上进行采样时需要跳过空区域，这其中也需要额外的算法处理，在英文中称为“Object-Order Empty Space Skipping ”。
目前我所发现关于体绘制以及光线投射算法最好的教材是Markus Hadwiger 等人所写的“Advanced Illumination Techniques for GPU-Based Volume Raycasting ”。此书发表在SIGGRAPH ASIA2008 上，是目前所能找到最新也是非常权威的教材，共166 页。英文阅读能力比较好的同学可以尝试着看一下。
本章已经是此书的最后一章，最后希望中国的计算机科学可以真正上升到科学研究的层次，而不是一直在混沌中热衷做泥瓦匠的工作。