什麼是體數據可視化(Volume data visualization)？及體繪製的各類算法和技術的特色？

該文對體數據進行綜述,並介紹了體數據的各類算法和技術的特色。

前言

因爲3D數據採集領域的高速發展，以及在具備交互式幀率的現代化工做站上執行高級可視化的可能性，體數據的重要性將繼續迅速增加。

數據集能夠經過MRI，CT，PET，USCT或回聲定位等技術捕獲，也能夠經過物理模擬(流體動力學或粒子系統)產生。以上提到的一系列技術證實了體數據信息在醫療行業中起着相當重要的做用。體數據信息被用於癌症檢測，動脈瘤可視化和治療計劃。這種數據對使用計算機斷層掃描或超聲波的非破壞性材料測試很是有用。此外, 來源於地震研究的巨大三維數據集，也能夠經過體渲染引擎可視化。

 

體數據概述

體數據由體素組成。 體素是基本體積元素，也能夠理解爲三維空間內的具備排列和顏色的點或一小塊區域，這也是爲何能夠保持高達六個標量參數的緣由。

一般體素屬於固定網格，所以體數據能夠做爲表格儲存。在這種狀況下，運行能夠被認爲是多維數組，體數據能夠被看成爲本地儲存的*.csv文件。然而，更常見的是，數據集被分紅若干片，而且每一個片被存儲爲位圖圖像。因爲能夠應用於圖像的複雜壓縮算法，明顯減少模型尺寸。

 

體數據可視化算法

可視化體數據包括四種主要算法。如下將討論各類算法和技術的特色及目前存在的問題。

1. 基於切片方法

最直接的解決方案，這意味着給予每一個體數據切片滾動交互單獨可視化機會。

此技術的優勢在於操做簡單和複雜計算少。而它的缺點是可視化人員須要想象重建整個對象結構。所以，基於切片方法不是分析極其複雜和不明確結構的最佳選擇。可是此方法很是適合可視化已知對象的內部狀況，好比，人體內部結構。這也是爲何此方法在醫療行業中被普遍應用的緣由。如，最經常使用於MRI 和CT。 值得提醒的是, 通常的CT和MRI研究在一個維度中的分辨率比較低，這致使利用具備更先進技術數據集的一些困難。

　　2. 其餘技術仿真

這種方法很適合於熟悉必定技術的專家可視化分析應用。好比，應用於醫療和地震行業的新技術開發，專家們能夠從舊技術解決方案平穩過渡到現代化技術。此方法不常被採納的緣由以下: 首先，它須要使用很是詳細的體數據集，而其它主要信息可能在經過模仿另外一種技術時而丟失或損壞。 所以，在將新技術集成到專家工做流程中的過程當中，可視化的普及將逐漸減小。其次，這種可視化類型的開發須要大量的時間才能接近可視化初始圖像，在轉換後部分圖像將被丟棄使用。另一個問題是須要有必定技術經驗的人才能正確解釋結果。

 

　　3. 體渲染

3D渲染指用2D圖像可視化3D對象。最經常使用的3D渲染基於多邊形網格表面的逼真圖像可視化。該技術被普遍應用，由於現代顯卡架構加速應用操做。

 

·        間接體繪製

間接體渲染能夠有多種工具用於多邊形網格模型。此方法包含兩個階段，第一階段是根據特定閾值從數據集中提取等值面，有幾種算法能夠進行該任務(最受歡迎的是Marching Cubes )。 有時，能夠經過開發基於特定數據集的特定特徵的特殊算法來改進等值面提取。而後用三維圖像引擎或其它工具可視化多邊形曲面模型，好比: LightningChart的網格模型很是合適於該方法。

該方法的主要優勢基於發揮舊技術優點。它包含3D對象可視化的全部典型特徵，例如旋轉，不一樣數量光源的使用，與其餘3D對象的交互等。 所以，它使複雜的3D結構分析更簡單。 它對於視覺檢測未知數據集中的重要細節特別有用。 3D渲染引擎的性能優化容許任何現代辦公電腦可視化數據。 此外，該技術容許開發人員使用更復雜的降噪算法。

此方法第一階段的可視化程序有必定的缺陷。由於從多邊形體數據集轉換數據時致使內部不須要的數據丟失。等面提取算法可能須要複雜的計算，也就是說預處理須要花費大量的時間，這一般是爲何不可能交互地改變表面提取的閾值。

 

·        直接體繪製

 

直接體繪製不要求預處理。 直接從原始數據集觀察數據，爲算法提供了動態修改傳遞功能和閾值的機會。並且有些方法容許以半透明的方式可視化數據集的內部結構。

直接體繪製是目前可視化數據最強大的方法。可視化具備多邊網格模型的全部優勢，而且能夠在同一場景中輕鬆綁定。此外，能夠切割模型的一部分來查看被物體表面隱藏的結構。

高配置硬件要求是此方法的缺點，可是隨着現代顯卡的不斷優化，即便用最便宜的硬件也能夠運行可視化。它的缺點是體渲染引擎開發成本高問題。

實現直接體繪製有幾種不一樣的技術。最經常使用的是經過工具以本身的方式渲染，此工具是爲多邊形網格模型的GPU加速建立的。基於紋理體積和體積射線投射是目前最成功的直接體繪製方法。

基於紋理的體繪製技術使用一系列平面來構造對象。數據集投射到平面成爲紋理。最後的圖形是由混合平面上α粒子組成。光線投射算法(Volume Ray Casting) 使用立方體做爲體模型中的佔位節點。模型自己經過光線投射算法投射到立方體的兩側，此算法使用射線來累積數據，並將其與稱爲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徵。它容許設定射線是如何執行數據採樣和像素顏色計算的。不一樣射線功能能夠從數據中提取不一樣特徵。咱們來討論下三個射線功能例子:

累積功能嘗試收集和組合儘量多的數據，爲觀衆提供探索對象內部結構的機會。 使用這種技術的可視化看起來像一個半透明的凝膠。

最大強度功能僅顯示由射線採樣的最亮值。 視覺效果類似於X射線圖像類。 能夠經過此功能獲取關於對象的內部結構的附加信息。

等值面繪製的模型表面看起來像多邊形模型渲染。最終結果與間接體繪製的結果很是類似。

 

結論

硬件的開發爲不一樣數據採集技術的興趣增加作好準備。 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的普及產生積極的影響。

LightningChart有一個出色的工具，用於實現體數據的基於片斷和間接體繪製的可視化。 此外，LightningChart的直接體渲染引擎爲數據可視化提供許多高級功能。