볼륨 렌더링: 컴퓨터 비전의 시각적 현실감 탐구

By Fouad Sabry

볼륨 렌더링이란 무엇인가요?

과학적 시각화 및 컴퓨터 그래픽에서 볼륨 렌더링은 일반적으로 3D 개별 샘플링 데이터 세트의 2D 투영을 표시하는 데 사용되는 일련의 기술입니다. 3D 스칼라 필드.

혜택을 받는 방법

(I) 다음 주제에 대한 통찰력 및 검증:

장 1: 볼륨 렌더링

2장: 렌더링(컴퓨터 그래픽)

3장: 텍스처 매핑

4장: 복셀

5: 단층촬영

6장: 광선 캐스팅

7장: 과학적 시각화

8장: Reyes 렌더링

9장: 클리핑 (컴퓨터 그래픽)

10장: 볼륨 레이 캐스팅

(II) 볼륨 렌더링에 대한 대중의 주요 질문에 답합니다.

(III) 실제 사례 다양한 분야에서 볼륨 렌더링의 활용에 대해 설명합니다.

이 책은 누구를 위한 책인가요?

전문가, 학부생 및 대학원생, 열광적인 팬, 취미로 즐기는 사람, 그리고 이를 원하는 사람들을 위한 책입니다. 모든 종류의 볼륨 렌더링에 대한 기본 지식이나 정보를 뛰어넘습니다.

 

• Language: 한국어
• Publisher: 10 억 지식이 걸립니다 [Korean]
• Release date: May 14, 2024

Book preview

1장: 볼륨 렌더링

볼륨 렌더링은 과학 시각화 및 컴퓨터 그래픽에서 사용되는 일련의 기술로, 3D 불연속 샘플링 데이터 세트(종종 3D 스칼라 필드)의 2D 프로젝션을 제공합니다.

CT, MRI 또는 MicroCT 스캐너로 기록된 2D 슬라이스 사진 모음은 일반적인 3D 데이터 세트를 구성합니다. 일반적으로 규칙적인 패턴(예: 깊이의 밀리미터당 하나의 슬라이스)과 규칙적인 패턴의 규칙적인 양의 그림 픽셀로 획득됩니다. 이것은 각 볼륨 요소 또는 복셀이 복셀을 바로 둘러싼 영역을 샘플링하여 파생된 단일 값으로 표현되는 일반 체적 그리드의 예입니다.

3D 데이터 컬렉션의 2D 투영을 만들려면 볼륨을 기준으로 공간에 카메라를 정의해야 합니다. 또한 각 복셀의 불투명도와 색상을 결정해야 합니다. 이는 일반적으로 각 복셀 값에 대한 RGBA 값을 지정하는 RGBA(빨간색, 녹색, 파란색, 알파) 전달 함수를 사용하여 정의됩니다.

예를 들어, 볼륨에서 등가곡면(동일한 값을 가진 표면)을 추출하여 다각형 메시로 그리거나 볼륨을 데이터 블록으로 직접 렌더링하여 볼륨을 볼 수 있습니다. 볼륨 데이터에서 등가곡면을 추출하는 일반적인 방법은 행진 큐브 알고리즘입니다. 직접 볼륨 렌더링은 여러 가지 방법으로 수행할 수 있는 계산 비용이 많이 드는 프로세스입니다.

볼륨 렌더링은 얇은 슬라이스 단층 촬영 프레젠테이션 및 최대 강도 투영과 같은 3D 모델의 투영과 구별됩니다. 사실적이거나 인지할 수 있는 묘사를 하기 위해서는 다음이 필요합니다.

직접 볼륨 렌더러의 모든 샘플 값은 opacity 및 color에 매핑되어야 합니다. 이것은 전달 함수를 사용하여 수행되며, 이는 기본 램프, 조각별 선형 함수 또는 임의의 테이블일 수 있습니다. RGBA 값(빨강, 녹색, 파랑 및 알파의 경우)으로 변환된 후 RGBA 출력은 프레임 버퍼의 적절한 픽셀에 프로젝션됩니다. 이는 사용된 렌더링 기술에 따라 다릅니다.

이러한 기술을 결합하는 것이 가능합니다. 예를 들어 전단 워프 구현은 텍스처링 하드웨어를 활용하여 오프스크린 버퍼에서 정렬된 조각을 렌더링할 수 있습니다.

볼륨 광선 캐스팅 접근 방식은 렌더링 방정식에서 직접 얻을 수 있습니다. 매우 높은 품질의 이미지를 생성하며 일반적으로 최고의 이미지 품질을 제공하는 것으로 간주됩니다. 볼륨 광선 캐스팅은 개체 기반 기술과 마찬가지로 입력 볼륨 데이터가 아닌 출력 이미지에서 계산이 파생되기 때문에 이미지 기반 볼륨 렌더링 기술로 분류됩니다. 이 방법에서는 원하는 각 이미지 픽셀에 대해 광선이 생성됩니다. 간단한 카메라 모델을 사용하면 광선이 카메라의 투영 중심(종종 시선)에서 시작하여 카메라와 생성할 볼륨 사이에 떠 있는 인공 이미지 평면의 이미지 픽셀을 통과합니다. 시간을 절약하기 위해 광선은 볼륨의 경계에 의해 잘립니다. 그런 다음 광선은 정기적으로 또는 적응적인 간격으로 볼륨 전체에서 샘플링됩니다. 각 샘플 위치에서 데이터가 보간되고, 전달 함수가 적용되어 RGBA 샘플을 생성하고, 샘플이 광선의 누적 RGBA에 합성되고, 광선이 볼륨을 벗어날 때까지 프로세스가 반복됩니다. RGBA 색은 RGB 색으로 변환되어 해당 색에 해당하는 픽셀에 저장됩니다. 디스플레이의 각 픽셀에 대해 이 절차를 반복하여 최종 이미지를 만듭니다.

이 방법은 속도를 위해 품질을 희생합니다. 여기서, 각 볼륨 요소는 Lee Westover가 설명한 대로 역순으로 보기 표면에 흩뿌려집니다. 이러한 스플래터는 근본적으로 변화하는(가우스) 색조와 불투명도를 가진 디스크로 표시됩니다. 응용 프로그램에 따라 플랫 디스크와 다양한 유형의 속성 분포가 있는 디스크도 활용됩니다.

Cameron과 Undrill은 볼륨 렌더링에 대한 전단 워프 접근 방식을 만들었으며, 이는 Philippe Lacroute와 Marc Levoy에 의해 대중화되었습니다. 이 기술은 볼륨의 가장 가까운 면이 고정된 복셀-픽셀 배율을 사용하여 화면 외부 그림 데이터 버퍼와 축이 정렬되도록 보기 변환을 변환합니다. 그런 다음 볼륨은 훨씬 더 유리한 메모리 정렬과 스케일링 및 블렌딩 파라미터를 사용하여 이 버퍼에 표시됩니다. 모든 볼륨 슬라이스가 생성되면 버퍼가 올바른 방향으로 워프되고 표시된 이미지의 크기가 조정됩니다.

레이 캐스팅과 비교할 때 이 기술은 소프트웨어에서 비교적 빠르지만 샘플링 정확도가 떨어지고 이미지 품질이 떨어질 수 있습니다. 볼륨의 여러 복사본은 볼륨을 축에 가깝게 정렬할 수 있도록 메모리에 저장해야 합니다. 이 부담은 실행 길이 인코딩을 통해 줄일 수 있습니다.

수많은 3D 그래픽 시스템이 텍스처 매핑을 통해 기하학적 개체에 이미지나 텍스처를 적용합니다. 표준 PC 그래픽 카드는 텍스처링이 빠르며 실시간 상호 작용 기능을 통해 3D 볼륨 슬라이스를 생성할 수 있습니다. 워크스테이션 GPU는 의료 영상, 석유 및 가스 및 기타 산업에서 사용되는 대부분의 생산량 시각화의 기반입니다(2007). 과거에는 Silicon Graphics InfiniteReality, HP Visualize FX 등과 같은 그래픽 시스템에서 전용 3D 텍스처 매핑 방법을 사용했습니다. 이 방법은 Bill Hibbard와 David Santek에 의해 처음 설명되었습니다.

이러한 슬라이스는 볼륨에 정렬되어 뷰어에 비스듬히 제공되거나 보기 평면에 정렬되고 볼륨을 통해 정렬되지 않은 슬라이스에서 샘플링될 수 있습니다. 두 번째 방법에는 3D 텍스처를 지원하는 그래픽 하드웨어가 필요합니다.

볼륨 정렬된 텍스처링으로 생성된 이미지는 허용 가능한 품질이지만 볼륨을 회전할 때 식별 가능한 전환이 있는 경우가 많습니다.

다이렉트 볼륨 렌더링의 고도의 병렬 특성으로 인해, GPU 볼륨 렌더링이 등장하기 전에는 특수 볼륨 렌더링 하드웨어가 인기 있는 연구 분야였습니다. Hanspeter Pfister와 Mitsubishi Electric Research Laboratories의 전문가들이 개발한 2007 VolumePro 실시간 레이캐스팅 시스템은 가장 자주 참조되는 기술이었습니다.

최신 그래픽 카드를 활용하는 것은 레이 캐스팅과 같은 전통적인 볼륨 렌더링 알고리즘을 가속화하기 위해 최근에 구현된 방법입니다. 프로그래밍 가능한 픽셀 셰이더를 시작으로 사람들은 많은 픽셀에서 병렬 연산의 힘을 깨닫고 GPGPU(그래픽 처리 장치)에서 범용 컴퓨팅을 수행하기 시작했습니다. 픽셀 셰이더는 비디오 메모리에서 임의로 읽고 쓸 수 있으며 특정 기본 수학 및 논리 연산을 수행할 수 있습니다. 이러한 SIMD 프로세서는 폴리곤 렌더링 및 신호 처리를 포함한 일반적인 계산에 사용되었습니다. 최신 GPU 버전을 사용하면 픽셀 셰이더가 부동 소수점 형식으로 최대 1GB의 텍스처 메모리를 사용하는 MIMD 프로세서(이제 독립 분기 가능)로 작동할 수 있습니다. 이러한 처리 능력을 통해 볼륨 광선 캐스팅 또는 단층 촬영 재구성과 같은 병렬화 가능한 위상을 가진 거의 모든 알고리즘을 놀라운 속도로 실행할 수 있습니다. 프로그래밍 가능한 픽셀 셰이더는 다른 속성 중에서