光线投射体素和 OpenGL

Question

我目前正在研究光线投射和体素，这是一个很好的组合。 Sebastian Scholz 的 Voxelrenderer 很好地实现了这一点，而且还使用了 OpenGL。我想知道他的公式是如何运作的；如何将 OpenGL 与光线投射和体素结合使用？光线投射的想法不是为每个像素（或 Doom 中的线条）投射光线，然后绘制结果吗？

Answer 1

提到的光线投射器是体素渲染器，即一种可视化体积数据的方法，例如存储在 3D 纹理中的不透明度。 Doom 的光线投射算法还有另一个目的：对于屏幕上的每个像素，找到地图的第一个平面并在那里绘制它的颜色。现代 GPU 的光栅化功能取代了光线投射器的这种使用。

实时可视化体积数据仍然是由特殊硬件完成的任务，通常在医学和测地成像系统中找到。基本上，这些是保存体积 RGBA 数据的大量 RAM（几十 GB）。然后，对于屏幕上的每个像素，都会通过体积投射一条光线，并在该光线上集成 RGBA 数据。 GPU 体素渲染器通过片段着色器执行相同的操作；伪代码：

vec4f prev_color;
for(i=0; i<STEPS; i++) {
    p = ray_direction * i*STEP_DELTA;
    voxel = texture3D(volumedata, p);
    prev_color = combine(voxel, prev_color);
}
final_color = finalize(prev_color);

finalize 和 combine 取决于数据类型和您想要可视化的内容。例如，如果您想要对密度进行积分（例如在 X 射线图像中），combine 将是求和操作并最终确定归一化。如果您要可视化云，则需要在体素之间进行 alpha 混合。

Answer 2

体素空间中的光线投射不会使用像素，效率很低。

您已经有一个数组来说明哪些空间是空的以及哪些空间具有体素立方体。

因此，快速版本是跟踪一条线，检查该线方向上每个体素的空度，直到达到完整的体素。

这将需要从内存中执行数百次读取操作，并为每个读取操作执行 2-3 次光线矢量乘法。

读取 10 亿个体素的内存位置大约需要 1 秒，因此几百个体素的速度非常快，并且总是在一帧内。

光线投射通常使用优化来检测空间中的小数位置，其中数学公式星形，网格顶点基于其边界框，然后是网格，在体素中，它只是逐步检查整数数组中的一条线，直到找到一个非空白。