斯图加特大学GPU光线投射体渲染技术提携

斯图加特大学GPU光线投射体渲染技术介绍

前言：在以往人们的印象中，美国的CG技术是一世界第一流的，而没有注意德国CG技术的发展。事实上，德国大学的CG是相当高的，与美国第一流的大学学术交往非常频繁。与美国人不同的是，德国以往将CG技术主要用于医学诊断设备与机械设备，现在也逐渐涉足于游戏领域，比如赫赫有名的Crytek公司，还有主要在光线跟踪硬件领域实践的Saarland大学计算机图形学系，取得的成果也是相当瞩目的。斯图加特是德国的科研大省，许多跨国公司都在这里设有研究机构。至于斯图加特大学也是实力雄厚的世界级名校，他们在CG的研究上也是建树颇丰，很多技术已经应用到了第一流的医学设备上，这里给大家介绍的就是他们的光线投射体渲染技术，以后还有我自己实现全动态场景的光线投射技术。

       体渲染技术的历史已经相当悠久，可是由于硬件性能，迟迟没有在普通PC上得到广泛应用，大部分使用的还是使用古老的扫描线光栅化操作。体渲染技术的普通应用主要有，3D纹理中的几何形体重建（断层扫描数据的几何体重建），自然特效的实现（云雾、火）。普遍的体渲染方法是，在场景中计算从摄像机到Voxel之间的几何切片，显卡可以根据计算出来的纹理坐标自动进行插值。而后随着GPU硬件技术的发展，可编程管线的强大功能大大的激发了人们的创造力。此外还诞生了一些在GPU上进行加速的算法，如[1]所实现的GPU KD树加速。

       斯图加特大学的这个实现的特点有：

       Single Pass 单通道
       Shader Independent 与Shader独立
    High Performance 高性能
       Platform Cross 跨平台

       他们仅仅使用单通道渲染，对比同时期的一些基于深度的技术来说，单通道在现有硬件平台的效率更高，因为没有数据回读。只要以后需要，可以在不更改大部分代码的情况下加入阴影、微平面遮挡等效果，也可以加入全局光照等。目前可以下载的代码是完全基于标准C与glut的，所以说可以自由的在Windows与Unix-like系统上运行。至于性能，虽然说渲染时依旧是在一个Uniform Grid中，但是性能依旧是相当高的，并没有明显的下降，而且实现上简单了许多许多。

在我的P4 1.8G、6200A上运行的结果，光线投射渲染IBL贴图的头盖骨。

方法概述：

Compute volume entry position
Compute ray of sight direction
While in volume
    Lookup data value at ray position
    Accumulate color and opacity
    Advance along ray

   首先摄制MV（MV = ModelView，MVP = ModelViewProjection，MVIT = MVInverseTranspose，etc.）矩阵，渲染Proxy Geometry，把需要渲染的3D纹理对齐上去。然后把屏幕坐标系（Eye\Camere\Screen Coordinates，以下简称SC）SC中，屏幕的四角用gluUnporject函数转换会到对象坐标系统中，获得了一个平板似的矩形，也就是屏幕上每个像素的空间位置。把这4个顶点与MVI矩阵中的摄像机位置相减，得到光线矢量，用GPU插值。由此得到了一个Volumn，事实上就是几何变换后的Normalized Device Coordinate。从每个屏幕像素的位置（纹理）开始，沿着计算好的方向开始跟踪（光线投射）。如果碰到了那个Proxy Geometry，那么就可以开始读取颜色和计算光学特性，如果最后光线碰到了Far Plane，那么就判定为这个像素显示背景。

数据：

       事实上目前还没有多少实用的3D纹理，这些纹理大多数来自于医学研究领域，通过断层扫描（CT）取得人体骨骼的切片数据。大家在Volvis[3]这个网站可以得到一些相当精确的人体骨骼、神经系统的3D数据。NVIDIA OpenGL SDK 10中已经包含了一个渲染场景到3D纹理的DEMO，使得3D纹理的快速实时生成成为可能。由于3D纹理非常巨大，对GPU-CPU的传输压力明显，所以在一段时间内在桌面游戏淋浴还不太可能得到应用。但是体渲染已经在DirectX10游戏中得到使用，实现了最为逼真的光学特性和立体的自然特效，如云朵，火焰等等。

相关下载：
　　全套源代码和技术文章可以在这里下载 http://www.vis.uni-stuttgart.de/eng/research/fields/current/spvolren/
  [1]Tim Foley and Jeremy Sugerman : KD-Tree Acceleration Structures for a GPU Raytracer
[2]Simon Stegmaier etc. A Simple and Flexible Volume Rendering Framework for Graphics-Hardware based Raycasting
[3] Volvis.org http://www.volvis.org/