【LightningChart 體數(shù)據(jù)】帶你領(lǐng)略體數(shù)據(jù)渲染的前世今生

前言  

3D數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的高速發(fā)展，在具有交互式幀率的現(xiàn)代化工作站上執(zhí)行高級可視化，體數(shù)據(jù)的重要性將越來越重要。

體數(shù)據(jù)集可以通過MRI，CT，PET，USCT或回聲定位等技術(shù)捕獲，也可以通過物理模擬(流體動力學(xué)或粒子系統(tǒng))產(chǎn)生。體數(shù)據(jù)渲染: 版本8的核心突破是其高性能體渲染擴展，它能夠與圖表庫的其他3D對象進行交互。該數(shù)據(jù)信息已被廣泛用于×××檢測，動脈瘤可視化和治療計劃。數(shù)據(jù)對使用計算機斷層掃描或超聲波的非破壞性材料測試非常有用。

此外, 來源于地震研究的巨大三維數(shù)據(jù)集，也可以通過我們的體渲染引擎可視化。同時為金融和科研提供更強大更靈活功能: 金融和科學(xué)應(yīng)用的新特征包括具有新的自動定位選項的多個圖例，以及從日期范圍排除不活動的交易期。功能更強大的熱圖和光譜圖提高先進科學(xué)應(yīng)用效益。

體數(shù)據(jù)概述

體數(shù)據(jù)由體素組成。體素是基本體積元素，也可以理解為三維空間內(nèi)的具有排列和顏色的點或一小塊區(qū)域，這也是為什么可以保持高達六個標量參數(shù)的原因。

通常體素屬于固定網(wǎng)格，因此體數(shù)據(jù)可以作為表格儲存。在這種情況下，運行可以被認為是多維數(shù)組，體數(shù)據(jù)可以被當作為本地儲存的*.csv文件。更常見的是，數(shù)據(jù)集被分成若干片，并將每個片存儲為位圖圖像，同時可以應(yīng)用于圖像的復(fù)雜壓縮算法， 實現(xiàn)減小模型尺寸。

體數(shù)據(jù)可視化

視化體數(shù)據(jù)包括四種主要算法。以下將討論各種算法和技術(shù)的特點及目前存在的問題。

基于切片方法最直接的解決方案，這意味著給予每個體數(shù)據(jù)切片滾動交互單獨可視化機會。

此技術(shù)的優(yōu)點在于操作簡單和復(fù)雜計算少。而它的缺點是可視化人員需要想象重建整個對象結(jié)構(gòu)。因此，基于切片方法不是分析極其復(fù)雜和不明確結(jié)構(gòu)的最佳選擇。但是此方法非常適合可視化已知對象的內(nèi)部情況，比如，人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這也是為什么此方法在醫(yī)療行業(yè)中被廣泛應(yīng)用的原因。如，最常用于MRI 和CT。 值得提醒的是, 一般的CT和MRI研究在一個維度中的分辨率比較低，這導(dǎo)致利用具有更先進技術(shù)數(shù)據(jù)集的一些困難。

其他技術(shù)仿真

這種方法很適合于熟悉一定技術(shù)的專家可視化分析應(yīng)用。比如，應(yīng)用于醫(yī)療和地震行業(yè)的新技術(shù)開發(fā)，專家們可以從舊技術(shù)解決方案平穩(wěn)過渡到現(xiàn)代化技術(shù)。此方法不常被采納的原因如下: 首先，它需要使用非常詳細的體數(shù)據(jù)集，而其它主要信息可能在通過模仿另一種技術(shù)時而丟失或損壞。 因此，在將新技術(shù)集成到專家工作流程中的過程中，可視化的普及將逐漸減少。其次，這種可視化類型的開發(fā)需要大量的時間才能接近可視化初始圖像，在轉(zhuǎn)換后部分圖像將被丟棄使用。另外一個問題是需要有一定技術(shù)經(jīng)驗的人才能正確解釋結(jié)果。

體渲染

3D渲染指用2D圖像可視化3D對象。最常用的3D渲染基于多邊形網(wǎng)格表面的逼真圖像可視化。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用，因為現(xiàn)代顯卡架構(gòu)加速應(yīng)用操作。

• 間接體繪制
  
  

間接體渲染可以有多種工具用于多邊形網(wǎng)格模型。此方法包含兩個階段，第一階段是根據(jù)特定閾值從數(shù)據(jù)集中提取等值面，有幾種算法可以進行該任務(wù)(最受歡迎的是Marching Cubes )。 有時，可以通過開發(fā)基于特定數(shù)據(jù)集的特定特征的特殊算法來改進等值面提取。然后用三維圖像引擎或其它工具可視化多邊形曲面模型，比如: LightningChart的網(wǎng)格模型非常合適于該方法。

該方法的主要優(yōu)點基于發(fā)揮舊技術(shù)優(yōu)勢。它包含3D對象可視化的所有典型特征，例如旋轉(zhuǎn)，不同數(shù)量光源的使用，與其他3D對象的交互等。 因此，它使復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)分析更簡單。 它對于視覺檢測未知數(shù)據(jù)集中的重要細節(jié)特別有用。 3D渲染引擎的性能優(yōu)化允許任何現(xiàn)×××公電腦可視化數(shù)據(jù)。 此外，該技術(shù)允許開發(fā)人員使用更復(fù)雜的降噪算法。

此方法第一階段的可視化程序有一定的缺陷。因為從多邊形體數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時導(dǎo)致內(nèi)部不需要的數(shù)據(jù)丟失。等面提取算法可能需要復(fù)雜的計算，也就是說預(yù)處理需要花費大量的時間，這通常是為什么不可能交互地改變表面提取的閾值。

• 直接體繪制
  
  

直接體繪制不要求預(yù)處理。 直接從原始數(shù)據(jù)集觀察數(shù)據(jù)，為算法提供了動態(tài)修改傳遞功能和閾值的機會。而且有些方法允許以半透明的方式可視化數(shù)據(jù)集的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

直接體繪制是目前可視化數(shù)據(jù)最強大的方法?？梢暬哂卸噙吘W(wǎng)格模型的所有優(yōu)點，并且可以在同一場景中輕松綁定。此外，可以切割模型的一部分來查看被物體表面隱藏的結(jié)構(gòu)。

高配置硬件要求是此方法的缺點，但是隨著現(xiàn)代顯卡的不斷優(yōu)化，即使用最便宜的硬件也可以運行可視化。另外一個缺點是體渲染引擎開發(fā)成本高問題。

實現(xiàn)直接體繪制有幾種不同的技術(shù)。最常用的是通過工具以自己的方式渲染，此工具是為多邊形網(wǎng)格模型的GPU加速創(chuàng)建的?；诩y理體積和體積射線投射是目前最成功的直接體繪制方法。

基于紋理的體繪制技術(shù)使用一系列平面來構(gòu)造對象。數(shù)據(jù)集投射到平面成為紋理。最后的圖形是由混合平面上α粒子組成。光線投射算法(Volume Ray Casting) 使用立方體作為體模型中的占位節(jié)點。模型本身通過光線投射算法投射到立方體的兩側(cè)，此算法使用射線來累積數(shù)據(jù)，并將其與稱為Ray Function的特定方程合成。

射線功能是光線投射算法真正迷人的特征。它允許設(shè)定射線是如何執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣和像素顏色計算的。不同射線功能可以從數(shù)據(jù)中提取不同特征。我們來討論下三個射線功能例子:

累積功能嘗試收集和組合盡可能多的數(shù)據(jù)，為觀眾提供探索對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機會。 使用這種技術(shù)的可視化看起來像一個半透明的凝膠。體數(shù)據(jù)可視化進展

最大強度功能僅顯示由射線采樣的最亮值。 視覺效果相似于X射線圖像類。 可以通過此功能獲取關(guān)于對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的附加信息。體數(shù)據(jù)可視化進展

等值面繪制的模型表面看起來像多邊形模型渲染。最終結(jié)果與間接體繪制的結(jié)果非常相似。

結(jié)論

硬件的開發(fā)為不同數(shù)據(jù)采集技術(shù)的興趣增長做好準備。消費者電腦性能的改善將對直接和間接體積渲染等先進的體可視化技術(shù)的普及產(chǎn)生積極的影響。

LightningChart有一個出色的工具，用于實現(xiàn)體數(shù)據(jù)的基于片段和間接體繪制的可視化。 此外，LightningChart的直接體渲染引擎為數(shù)據(jù)可視化提供許多高級功能。