体绘制（Volume Rendering）概述之1：什么是体绘制？

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”

1982 年2 月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了科学可视化技术的首次会议，会议认为“科学家不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中的数据变换，而这些都需要借助于计算机图形学以及图像处理技术”。

---- 《三维数据场可视化》1.1 节科学计算可视化概述

自 20 世纪 80 年代科学计算可视化（ Visualization in Scientific Computing ）被提出后，三维体数据的可视化逐渐称为发展的重点，并最终形成了体绘制技术领域。

一些文章，甚至是优秀硕博士论文库上的文章，解释体绘制概念时，通常都说 “ 体绘制技术是直接根据三维体数据场信息产生屏幕上的二维图像 ” ，这种说法太过含糊，如果根据三维体数据场信息随便产生一张图像，难道也是体绘制吗？我查找相关文献后，发现这种说法是国外一些文献的误译，例如， M.Levoy 在文章 “Display of surfaces from volume data”( 文献【 14 】 ) 中提到 “volume rendering describes a wide range of techniques for generating images from three-dimensional scalar data” ，翻译过来就是 “ 体绘制描述了一系列的 “ 根据三维标量数据产生二维图片 ” 的技术 ” 。注意，人家文章中用的是 “ 描述 ” ，而不是对体绘制下定义。老实说，老外的这种说法虽然挑不出毛病，但是我依然感觉没有落实到重点。

体绘制的核心在于 “ 展示体细节！而不是表面细节 ” 。我给出的定义是：依据三维体数据，将所有体细节同时展现在二维图片上的技术，称之为体绘制技术。利用体绘制技术，可以在一幅图像中显示多种物质的综合分布情况，并且可以通过不透明度的控制，反应等值面的情况。

例如， CT 图片中展示的是人体的肌肉和骨骼信息，而不是表面信息（那是照片）。所以理解体绘制和面绘制技术的区别的 , 一个很直观的比喻是：普通照相机照出的相片和 CT 仪器拍出的 CT 照片，虽然都是二维图片，但是展现的对象是不同的！

国外自上世纪 80 年代末以来，在体绘制技术方面已经取得了长足的进步，西门子、东芝、通用电器，都有对 GPU 编程领域以及体绘制技术进行研究，并将体绘制技术运用到医疗器材中。然而，体绘制技术在中国的发展，如果说还处于萌芽阶段，实不为过！我在学习和研究过程中，在国内网站上甚至只找到了一个可用的体数据，还是国外代码中附带的演示数据，而国内的 openGPU 网站上关于体绘制的论坛板块则是根本是空白。国外已经常用的医疗器材和算法，在中国还没有成形，这实在是一种悲哀。一个讽刺的现象是，外国公司从事体绘制算法研究的却不乏中国人，这更是一种悲哀。写到这里，作为一名以 server the people 为毕生理想的有志青年，我有点伤感，有些沮丧，所以，还是先洗洗睡了，明天再来写下面的章节。

14.1 体绘制与科学可视化
科学可视化技术是运用计算机图形学、图像处理、计算机视觉等方法，将科学、工程学、医学等计算、测量过程中的符号、数字信息转换为直观的图形图像，并在屏幕上显示的理论、技术和方法。

体绘制是科学可视化领域中的一个技术方向。如前所述，体绘制的目标是在一副图片上展示空间体细节。举例而言，你面前有一间房子，房子中有家具、家电，站在房子外面只能看到外部形状，无法观察到房子的布局或者房子中的物体；假设房子和房子中的物体都是半透明的，这样你就可以同时查看到所有的细节。这就是体绘制所要达到的效果。

14.2 体绘制应用领域
人类发展史上的重大技术带来的影响大致分为两种：其一，技术首先改变生活本身，然后改变人类对世界的看法，例如电视、电话等；还有一种技术，是首先改变人类对世界的看法，然后改变生活本身，例如伦琴射线、望远镜。

体绘制技术应该属于后者，通过改变所见，而改变生活。体绘制计算的重要意义，首先在于可以在医疗领域 server the people, 有助于疾病的诊断，这一点应该不用多说，计算机断层扫描（ CT ）已经广泛应用于疾病的诊断。医疗领域的巨大需求推动了体绘制技术的告诉发展，如果了解 CT 的工作原理，也就大致了解了体绘制技术原理和流程，所以本书在附录 B 给出了医学体绘制的有关文献，作为补充阅读资料，当您对体素、光线投射等术语缺乏感性认识时，可以参阅理解；其二，体绘制计算可以用于地质勘探、气象分析、分子模型构造等科学领域。我在工作期间承担的一个较大的项目便是有关 “ 三维气象可视化 ” ，气象数据通常非常庞大，完全可以号称海量数据，每一个气压面上都有温度、湿度、风力风向等格点数据，气象研究人员希望可以同时观察到很多气压面的情况，这时就可以采用体绘制技术，对每个切面（气压面）进行同时显示。

体绘制技术也能用于强化视觉效果，自然界中很多视觉效果是不规则的体，如流体、云、烟等，它们很难用常规的几何元素进行建模，使用粒子系统的模拟方法也不能尽善尽美，而使用体绘制可以达到较好的模拟效果。如 图 41 所示，这是使用体绘制技术进行烟的模拟效果。

14.3 体绘制与光照模型
尽管光照模型通常用于面绘制，但是并不意味着体绘制技术中不能使用光照模型。实际上 , 体绘制技术以物体对光的吸收原理为理论基础，在实现方式上，最终要基于透明度合成计算模型。此外，经典的光照模型，例如 phong 模型， cook-torrance 模型都可以做为体绘制技术的补充，完善体绘制效果，增强真实感。

往往有初学者会分不清 “ 体绘制技术 ” 以及 “ 透明光照模型 ” 之间的区别。这个问题很有意思。实际上，体绘制技术与透明光照模型在感性认识上十分类似，在很多教程中对体绘制技术的阐述也涉及到透明物体。但是，透明光照模型，一般侧重于分析光在透明介质中的传播方式（折射，发散，散射，衰减等），并对这种传播方式所带来的效果进行模拟；而体绘制技术偏重于物体内部层次细节的真实展现。举例而言，对于一个透明的三棱镜，使用透明光照模型的目的在于 “ 模拟光的散射，折射现象（彩虹） ” ；而对于地形切片数据或者人体数据，则需要使用体绘制技术观察到其中的组织结构。此外，在实现方式上，透明光照模型一般是跟踪光线的交互过程，并在一系列的交互过程中计算颜色值；而体绘制技术是在同一射线方向上对体数据进行采样，获取多个体素的颜色值，然后根据其透明度进行颜色的合成。

总的来说，透明光照模型侧重于光照效果展现，并偏向艺术化；而体绘制技术侧重展现物质内部细节，要求真实！

不过，现在体绘制技术实际上也可以用于艺术领域，因为体绘制技术所使用的方法，实际上具有很强的通用性，尤其是传统的 ray-cast 方法，完全可以应用到透明光照模型中（绘制烟雾等）。不同的技术之间会存在共融性，将技术和领域的关系近固化，是研究人员的大忌。科学史上很多前例都说明了一个事实：不同领域的交合点，往往会出现重大发现或发明。在爱因斯坦之前，又有谁知道时间、空间和质量之间的关系呢？