光传输理论在3D标量场可视化中的应用

体渲染技术的起源和发展-精品文(超长预警)

Table of Contents

光传输理论在3D标量场可视化中的应用

渲染方程

数据特征映射

源项

衰减项

散射项

颜色映射

增强重要区域

结论


光传输理论在3D标量场可视化中的应用

一个里程碑式的文章,诞生于1990年,由Krüger发表于IEEE Vis会议。

以前很多研究主要是将3D标量场里面的所有体素都当成粒子,然后研究光传输是如何与这些粒子交互的。这篇论文乍看一眼其实和最早的研究很相近,但是实际上它们之间还是有区别的,它是假设有一些虚拟的粒子,这些粒子穿过3D标量场,与场内发生作用,最后投到成像面上的过程。

渲染方程

s·D可以理解为 求微分。\sigma _a 表示的是吸收,\sigma _s 表示的是总的散射,\sigma _a + \sigma _s = \sigma _t 表示衰减系数。

即可以理解为:(注意减号表示的是衰减的正值,相当于“加上负值”)

光强度在x点的变化率 = 光在x点的衰减值(包括被吸收和被散射) + x点自己发出的光 + 抑制能量变化过大的项(Sin乘以能量变化率,例如如果能量上升,就减去一些,上升越大减的值就越大) + 从四面八方散射到x点上的光的总和

做一下积分,就能够得到:

我们可以把这个公式理解为:

在x点(已经传输了距离R)的总能量 = 原始能量Is到x点以后的衰减 + 沿途中每个点(连续点)的能量之和(包含被吸收被周围散射过来的光增强以及自发射能量这三部分)

数据特征映射

源项

这里的模型叫做“源——衰减 模型”,其实也就是“吸收发射模型”。

我们定义3D标量场为 F(x) :

但是这种方程适用性不好,不能显示深度信息和场覆盖作用(遮挡),所以使用下面的方程:

s表示采样光线(积累)的方向,e_s 表示的是当前位置的梯度(法向量)。表示的是场梯度的绝对值。

这种方程很适用于医学影像体渲染,因为可以很好的区分边界。

衰减项

还是分了两种情况,根据场标量值决定的衰减值以及根据场梯度决定的衰减值

散射项

是散射系数:

以及散射相位函数:

注意该相位函数描述了从前面看当前粒子的透明度C_f 以及 从后面看当前粒子的透明度C_b 。

颜色映射

通过简单映射的方法:

可以实现的效果是:

加入与物理有关的“停止能量”项:

可以得到:

增强重要区域

我们更换新的数据场:

在原始数据场F1上加一个偏离项。偏离场  可以用方差,自相关来进行描述:

括号里面代表空间平均值,Cr表示自相关长度,与空间网格大小有关。粒子密度 I 也需要矫正:

  H 和 N取决于映射。密度方差可以表示为:

增强显示出一些点:

但是因为描述原因,并不是很清楚里面的更深层次的设计细节,所以这里也只是简单提一下。

结论

给个结论吧。上个世纪的老论文了,很多描述都不清不楚的,但是总体思想其实就是把成像当成粒子穿过体空间,然后粒子与体空间的粒子进行交互,然后最终结果作为成像结果的过程。

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转载自blog.csdn.net/tiao_god/article/details/107896425