基于多分辨率裁剪紋理的體裁剪技術

羅月童1，薛 曄1，龍鵬程2，伍國永1

?

基于多分辨率裁剪紋理的體裁剪技術

羅月童，薛 曄，龍鵬程，伍國永

（1. 合肥工業大學計算機與信息學院VCC研究室，安徽合肥 230009；2. 中國科學院等離子體物理研究所，安徽合肥 230031）

為解決單分辨率裁剪紋理的數據規模過大的問題，該文提出了一種具有INDEX-DATA二級結構的多分辨率裁剪紋理。文章主要介紹了多分辨率裁剪紋理的定義和結構，并討論多分辨率紋理的構建方法和基于多分辨率紋理的體裁剪方法，最后對實驗結果進行了分析討論。該文方法已在自主知識產權可視化軟件SVIP中得到應用，取得了令人滿意的結果。

計算機應用；INDEX-DATA紋理；多分辨率；體裁剪；直接體繪制

直接體繪制(DVR: Direct Volume Rendering)是可視化復雜數據集的重要工具，用戶通過調節傳遞函數(TF: Transform Function)來顯示/隱藏數據集中的特征。因為TF函數是全局函數，所以它難以凸顯數據中的局部特征，雖然人們對TF函數進行了大量研究，但這個問題至今依沒能得到有效解決。

雖然人們對TF函數進行了大量研究，但關于體裁剪技術的研究很少，深入的研究就更少。最簡單的體裁剪方法是基于OpenGL、DirectX裁剪面的體裁剪方法，但這類方法只能裁剪出簡單的形狀，難以實現如圖1(c)和圖1(d)所示的常用效果。Westerman和Ertl提出基于蒙板測試的體裁剪方法，該方法能實現復雜的裁剪效果，但實現困難。隨著可編程GPU技術的出現，研究基于GPU的體裁剪技術成為主流，Daniel Weiskop等人提出基于深度的體裁剪技術，該技術能實現精確裁剪且額外開銷小，但它難以應用于非凸裁剪體。基于裁剪紋理的體裁剪技術一方面對裁剪體形狀沒有限制，另一方面基于可編程GPU很容易實現，所以它的應用非常廣泛，但為了保持裁剪的準確性，通常需要很高分辨率的裁剪紋理，從而使得裁剪紋理過大。針對裁剪紋理太大的問題，本文提出多分辨率裁剪紋理，在保持體裁剪效果不變的情況下壓縮裁剪紋理。

圖1 體數據裁剪

1 基于裁剪紋理的體裁剪技術

體裁剪技術是指在DVR方法中實現顯示指定內容的方法和技術，通常使用3D實體指定裁剪區域，并將3D實體稱作裁剪體，如圖2所示（為便于表達采用2D圖表示）。基于裁剪紋理的體裁剪技術首先將3D實體離散成裁剪紋理，然后基于裁剪紋理實現體裁剪。最簡單的裁剪紋理是0/1裁剪紋理，裁剪體內部的體元用1表示，其它體元用0表示。基于0/1裁剪紋理的體裁剪容易在邊界處引起鋸齒走樣或使邊界變得模糊不清的問題，所以文獻[2]對0/1裁剪進行改進，提出距離場裁剪紋理。在距離場裁剪紋理中，每個體元中存儲了按下述方法計算得到的距離：首先計算該體元中心點到裁剪體邊界的距離（內部點的距離為正，外部點的距離為負），然后按公式化。其中表示裁剪紋理中體元對角線距離，表示采樣點到裁剪體邊界的最近距離。表示體元完全處于裁剪體外部，表示體元有可能和裁剪體邊界相交，而表示體元完全處于裁剪體內部。在基于距離裁剪紋理的體裁剪算法中，在自定義的片段程序中查詢距離裁剪紋理，如果該片段的裁剪紋理值不小于0.5則保留該片段，否則將該片段裁減掉。因為這種方法使用距離場裁剪紋理中ISOVALUE=0.5的等值面表示裁剪體邊界，能有效克服0/1裁剪紋理的問題，所以本文在距離場裁剪紋理的基礎上實現多分辨率裁剪紋理。

圖2 體裁剪過程示意圖

2 多分辨率裁剪紋理

雖然基于裁剪紋理的體裁剪技術具有靈活、方便實現等優點，但高分辨率裁剪紋理需要占用大量紋理內存空間。觀察發現，裁剪紋理只在裁剪體邊界附近需要高分辨率，其它部分可以使用較低分辨率并不影響效果，因此本文提出如圖3(b)所示多分辨率裁剪紋理——INDEX-DATA裁剪紋理，其中INDEX紋理采用低分辨率，描述裁剪體的總體結構，DATA紋理采用高分辨率，用于刻畫裁剪體的邊界細節。INDEX紋理中體元的可能取值及它們的意義如表1所示，DATA紋理保存INDEX紋理中(r, s, t, 0.5 )體元所對應的高分辨率采樣數據。

圖3 單分辨率裁剪紋理與多分辨率裁剪紋理的對比

表1 INDEX紋理體元的取值范圍

2.1 多分辨率裁剪紋理的構建方法

（2）然后按下述方法處理每個方塊：

1）遍歷子塊中所有元素的值：如果值都為1，則轉向2)；如果值均為0，則轉向3)；否則轉向4)；

2）將INDEX紋理中對應體元設為(0, 0, 0, 1)，然后轉到5)；

3）將INDEX紋理中對應體元設為(0, 0, 0, 0)，然后轉到5)；

4）按圖3(b)所示方式將“擴展子塊”移動到DATA紋理中并依次排列，“擴展子塊”是將當前子塊在上、下、左、右、前、后六個方向各擴展一個體元所形成的(+2)子塊，擴張的目的是解決紋理查詢中的邊界問題；然后將INDEX紋理中對應體元設為(r, s, t, 0.5)，其中(r, s, t)為子塊中心點的DATA紋理坐標；

5） 結束對當前子塊的處理。

（3）保存INDEX紋理和DATA紋理，結束。

2.2 基于多分辨率裁剪紋理的體裁剪

基于多分辨率裁剪紋理的體裁剪技術也是通過在自定義片段程序中查詢裁剪紋理，然后根據查詢結果決定對應片段的去留。假設當前片段的INDEX紋理坐標為，那么在片段程序首先以紋理坐標按GL_NEAREST方式查詢INDEX紋理獲取紋理值；然后基于的值進行以下處理：

1）計算DATA紋理坐標(s, t, r)；

2）按GL_LINEAR方式查詢(s, t, r)處的DATA紋理值；

本文基于文獻[5]中的方法計算(s, t, r)，計算公式為

3 實驗結果與分析

本文算法已在自主開發可視化軟件SVIP (Scientific Visualization Integrated Platform)中實現和應用，并且作者基于SVIP對本文算法進行了測試。測試環境如表2所示，實驗結果如表3所示。由實驗結果本文得如下結論：

·多分辨率紋理能有效壓縮裁剪紋理，且壓縮比和裁剪體形狀有關。雖然對復雜結構裁剪體的壓縮效果相對較差，但仍能獲取很高的壓縮比。

· 和單分辨率裁剪紋理的相比，使用多分辨率裁剪紋理會降低渲染速度，但依舊能夠實現實時的渲染效果。渲染速度下降主要是因為在片段著色器程序中存在二級紋理查詢。

表2 測試環境

表3 實驗結果

注：壓縮率 =（INDEX紋理+ DATA紋理）/單分辨率紋理

4 結 論

體裁剪技術是對TF函數的重要補充，在解決DVR難以揭示數據集內部細節特征的問題上有重要價值。隨著可編程GPU技術的發展，基于裁剪紋理的體裁剪技術得到廣泛使用，但該方法的不足之處是其體紋理太大。本文基于“僅裁剪體邊界處需高分辨率裁剪紋理”的事實，提出INDEX-DATA結構的多分辨率裁剪紋理，以減少裁剪紋理的內存需求。實驗表明IDEX-DATA結構的多分辨率裁剪紋理能有效節約紋理內存，盡管同時它也影響了渲染速度，不過仍能獲得實時渲染效果。

[1] Pfister H, Lorensen B, Bajaj C, et al. The transfer function bake-off [J]. IEEE Computer Graphics and Applications, 2001, 21(3): 16-22.

[2] Daniel Weiskopf, Klaus Engel, Thomas Ertl. Interactive clipping techniques for texture-based volume visualization and volume shading [J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2003, 9(3): 298-312.

[3] Volz W R. Gigabyte volume viewing using split software/hardware interpolation [C]//Proc. 2000 Symp. Volume Visualization, 2000: 15-22.

[4] Westermann R, Ertl T. Efficiently using graphics hardware in volume rendering applications [C]// SIGGRAPH 1998 Conf. Proc., 1998: 169-179.

[5]Kraus M, Ertl T. Adaptive texture maps [C]// Proceedings of Graphics Hardware 2002, 2002: 7-15.

[6] Binotto A P, Comba J L, Freitas C M. Real-time volume rendering of time-varying data using a fragment-shader compression approach [C]// Proceedings of the 6th IEEE Symposium on Parallel and Large-data Visualization and Graphics (PVG'03), 2003: 69-76.

[7] 羅月童, 龍鵬程, 薛 曄, 等. 面向中子學分析的集成可視化平臺SVIP的發展研究[J]. 核科學與工程, 2007, 27(4): 374-378.

Volume Clipping Technology Based on Multi-resolution Clipping Texture

LUO Yue-tong, XUE Ye, LONG Peng-cheng, WU Guo-yong

( 1. VCC Division, School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China;2. Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei Anhui 230031, China )

A multi-resolution clipping texture with INDEX-DATA structure is presented to solve the huge size problem of single-resolution clipping texture data. Firstly, definition and structure of multi-resolution clipping texture are introduced; then multi-resolution clipping texture’s construction method and volume clipping technology based on multi-resolution clipping texture are discussed; finally, experiment results are discussed. The method presented in the paper has been applied in visualization software SVIP and the result is satisfactory.

computer application; INDEX-DATA texture; multi-resolution; volume clipping; direct volume rendering

TP 391

A

1003-0158(2011)03-0001-05

2009-12-18

安徽省自然科學基金資助項目（090412066）；合肥工業大學博士學位專項基金資助項目；國家自然科學基金資助項目（60573174；60673028）

羅月童（1978-），男，安徽青陽人，副教授，博士，主要研究方向為計算機圖形學，科學計算可視化，虛擬現實。