（计算机应用技术专业论文）基于软硬件协同设计的实时并行体绘制研究.pdf

了高质量图像的生成，而且增强了图像的细节信息。算法框架的提出 使便携式小型化的诊断系统的实现成为可能。 关键词体绘制；光线投射；f p g a ；并行；自适应性局部传递函数； 软硬件协同设计 r e a l - t i m ep a r a l l e lv o l u m er e n d e r i n g b a s e do nh a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g n a b s t r a c t v o l u m er e n d e r i n gi sas i g n i f i c a n tp a r to f3 dd a t av i s u a l i z a t i o n ，i s w i d e l yu s e di nm e d i c i n e ，g e o l o g i c a ls u r v e y ，h y d r o d y n a m i c s ，a n ds oo n r e s e a r c h e r sp r o p o s es e v e r a lv o l u m er e n d e r i n ga l g o r i t h m s ，i nw h i c hr a y c a s t i n gi sm o r ee f f i c i e n t ，b u te n o r m o u sr a y sa n ds a m p l i n gl e a dt ol o n g e r t i m e f r o mn o wo n ，t h e r ea r e m a i n l yt w oi m p l e m e n t a t i o n so fv o l u m e r e n d e r i n g ，o n ei ss o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，t h eo t h e ri sh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o ni s w i d e l yu s e di nv o l u m e r e n d e r i n g ，b u te n o r m o u sv o l u m ed a t ar e s u l t s i nw o r s ep e r f o r m a n c e t h e r e a f t e rr e s e a r c h e r st e n dt o g r a p h i ch a r d w a r et oi m p r o v er e n d e r i n g p e r f o r m a n c e t h e s es p e c i a lh a r d w a r er e n d e r i n gs y s t e m sc a na c h i e v e r e a l - t i m er e q u i r e m e n t ，a n da l g o r i t h mp i p e l i n e sc a nb eo p t i m i z e d ，y e t a l g o r i t h mf l o wi sf i x e d ，t h ef l e x i b i l i t yi sb a d ，r e q u i r e m e n to fh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o ni sg r e a t ，a n dt h ep r i c ei se x p e n s i v e t h i sp a p e ru s e sc o n f i g u r a b l ef p g ar e s o l u t i o n ，a n dp r o p o s e sa n i i i e f f i c i e n tp a r a l l e lr a yc a s t i n gb a s e do nh a r d w a r e s o f t w a r ec o - d e s i g n ， w h i c h i m p l e m e n t sc o m p l i c a t e d b u tl e s s c o m p u t a t i o n a lj o b s a n d h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nb ys o f t w a r e ，a n di m p l e m e m ss i m p l eb u t c o m p u t a t i o n i n t e n s i v ej o b sp a r a l l e lb yh a r d w a m t h u sr e n d e r i n gs p e e d i s i m p r o v e d ，a n di th a sg o o dh c i n t e r a c t i o na n dp r a c t i c a b i l i t y p r o p o s a lo f h i s t o g r a mg u i d e da d a p t i v el o c a lt r a n s f e rf u n c t i o nc a ni m p r o v et h eq u a l i t y o fr e n d e r i n gi m a g ea n de n h a n c ed e t a i l so fi m a g e t h ep r o p o s a lo f a l g o r i t h mf r a m e w o r km a k e si m p l e m e n t a t i o no fp o r t a b l em i n id i a g n o s e s y s t e mp o s s i b l e k e yw o r d sv o l u m er e n d e r i n g ；r a yc a s t i n g ；f p g a ；p a r a l l e l ；a d a p t i v e l o c a lt r a n s f e rf u n c t i o n ；h a r d w a r e s o r w a r ec o - d e s i g n i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪 念1 1 1 课题研究的背景与意义l 1 2 体绘制研究现状及存在的问题2 1 2 1 基于软件的体绘制2 1 2 2 基于硬件的体绘制3 1 2 3 基于g p u 的体绘制5 1 2 4 体绘制存在的问题6 1 3 采用方案7 1 4 论文结构7 1 5 所作贡献8 2 直接体绘制技术综述9 2 1 体绘制体系结构9 2 1 1v o g u e 9 2 1 1 1v o g u e 描述。l o 2 1 1 2v o g u e 性能1 1 2 1 2v i r i m 1l 2 1 2 1v i r i m 描述1 2 2 1 2 2v i r i m 性能13 2 1 3a r r a yb a s e dr a y c a s t i n g 13 2 1 3 1a r r a yb a s e dr a yc a s t i n g 描述1 4 2 1 3 2a r r a yb a s e dr a yc a s t i n g 性能1 5 2 1 4e m c u b e 15 2 1 4 1e m c u b e 描述16 2 1 4 2e m c u b e 性能17 2 1 5v i z a r di i 17 2 1 5 1v i z a r di i 描述18 2 1 5 2v i z a r di i 性能19 2 1 6 本节小结19 2 2 体绘制方法2 1 2 2 1 基于像序的体绘制方法2 l 2 2 1 1 光线投影算法2 l 2 2 2 基于物序的体绘制方法2 3 2 2 2 1 足迹法2 3 2 2 2 2 基于错切一变形技术的体绘制算法2 3 2 2 3 本节小结2 5 v 3 体绘制关键技术研究2 6 3 1 体数据2 6 3 1 1 体数据来源。2 6 3 1 2 体数据类型2 6 3 1 3 体素的定义2 8 3 2 三维数据场的分类问题2 8 3 3 体绘制转换函数的设计2 9 3 4 梯度估计31 3 5 三次线性插值3l 3 6 空间变换3 2 3 7 投影变换3 4 3 8 图像合成3 5 3 9 本节小结3 6 4 基于软硬件协同设计的实时并行体绘制研究3 7 4 1 投影引导的r a yc a s t i n g 算法3 7 4 2 软硬件协同设计3 8 4 - 3 基于软硬件协同设计的r a yc a s t i n g 体系结构3 9 4 4 软件设计4 0 4 4 1 人机交互界面设计4 0 4 4 2 直方图引导的自适应性局部传递函数4 2 4 5 硬件设计4 5 4 5 1h a n d l e - c 4 5 4 5 1 1h a n d l e c 简介4 5 4 5 1 2c 语言到h a n d l e c 的映射4 6 4 5 1 3h a n d l e c 的编译环境简介4 6 4 ：；2r a y p r o c e s s i n gu n i t 4 7 4 5 3 图像合成计算4 8 4 6 并行设计4 9 5 仿真实验结果与分析5 0 6 结 仑5 6 参考文献5 7 致谢6 2 独创性声明6 3 v i 1 1 课题研究的背景与意义 1 绪论 最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技 术使我i 1 1 8 匕够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种 技术就是可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 技术 1 】。可视化技术使人能够在三维图形世界 中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机 器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化无疑将极大地提 高人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互 的能力，这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发 挥自己创造性的思维。机械工程师可以从二维平面图中得以解放直接进入三维世 界，从而很快得到自己设计的三维机械零件模型。医生可以从病人的三维扫描图 象分析病人的病灶。军事指挥员可以面对用三维图形技术生成的战场地形，指挥 具有真实感的三维飞机、军舰、坦克向目标开进并分析战斗方案的效果。 在科学可视化发展的很长一段时间以来，各种算法只能在价值几万、十几万 美元甚至更贵的图形工作站上运行。随着计算机技术的飞速发展，同时，在娱乐 和游戏的巨大市场需求的推动下，p c 上的图形硬件发展迅速，体绘制技术作为 可视化技术的一个重要分支，已不再是高端图形工作站的专利，利用家用市场中 的通用图形硬件，可以实现原先只能在高端硬件上实现的复杂体绘制算法，由于 标准p c 价格更加便宜，而且性能上也能满足相当一部分的科学可视化应用的要 求，因此已经有越来越多的人开始考虑使用标准p c 作为科学可视化的平台 2 】。 研究基于p c 机的三维可视化技术，提高其运算性能是当前学术界的热点之一。 另外，随着近几年来医学影像设备的不断更新换代，采集图像的分辨率越来 越高，相应的数据量也越来越大，其中尤为突出的例子是自从美国的可视人体 ( v i s i b l eh u m a n ) 项目实施以来，虚拟人体采集的图像数据量已经达到4 3 g b ，而 国内研究机构于2 0 0 2 年、2 0 0 3 年完成的中国男性和女性数字化可视人体的数据 量已分别达到9 0 6 5 g b 和1 3 1 0 4 g b 。显然计算机硬件的发展还远没有赶上数据 量的海量增长，上面所提到的隐患也越来越凸显出来。虚拟手术平台、三维实时 数据测量等许多应用都迫切需要一种实时的、高精度和交互性好的体绘制方案的 出现。 1 2 体绘制研究现状及存在的问题 实时交互式可视化技术一直以来都是国内外在利学计算可视化方面研究的 热点。本节主要介绍国内外在体绘制技术方面的一些研究现状，包括软件体绘制 技术、采用专用硬件实现体绘制技术以及使用g p u 辅助体绘制技术的研究现状。 1 2 1 基于软件的体绘制 目前，在基于软件的体绘制算法的研究方面，国内外使用得最多的主要有两 类【3 】，一类是根据图像空间的相关性尽可能地减少投射光线的数目，做到自适 应光线采样，以减少采样次数达到加速绘制的目的；另一类就是对体空间数据结 构进行优化，尽量减少不必要的数据采样点，从而达到加速绘制的目的。 l 、减少投射光线的数目 在体绘制所产生的最终结果图像中，相邻的像素之问存在一定的相关性，甚 至没有什么变化，因此并不需要图像空间每一个像素都投射出光线，因此可以将 最终图像分成若干个颜色变化不大的小区域，再将这些区域的颜色值以一束光线 投射后得到的组合颜色值来代替就可以了。 l e v o y 4 首先提出根据结果图像的质量和计算复杂性来减少光线投射的数 目。他首先将图像空间分成若干规则网格，并设定好它们之间的相关阀值，接着 从每个小网格的四个角分别投射光线，如果计算出来的像素的差值小于该阀值， 则该区域的像素的颜色值就等于该区域投射出光线的像素插值，否则必须对该区 域细化后继续投射光线，再计算相应的像素颜色值。 c h e n g 等 5 使用了不透明度截止的加速技术，其主要原理是：在应用由前向 后( f t b ) 融合算法的体绘制中，当累计的不透明度值达到一个预先设定的阀值时， 光线可以达到的任何其他体素将不做任何处理，从而达到加速采样的目的。j u n g 等 6 】扩展了八叉树结构，结合提前不透明度截止技术，使用光线投射算法在医 学图像绘制中可以提高1 6 2 2 倍的绘制速度。 2 、减少体数据采样点数目 2 这类技术的基本出发点源自于对体绘制计算复杂度的分析，由于一般体绘制 的算法复杂度为o f n 3 ) ，而一般体数据中透明的体素约占整个体数据的7 0 9 5 【7 】，所以通过分析体数据的存储结构，跳过空白体素( s p a c el e a p i n g ) 8 ，也 可以达到加速的目的。 l e v o y t 9 使用金字塔数据结构将体数据分层表示，每个体素对应这个塔的一 个节点，预先将每个空体素指定一个它所在层次的值，当光线遍历遇到这个空体 素时，可以根据它的层次值向前跳到下一个非空的体素。但这种算法较复杂，缺 乏浮点运算支持时会导致绘制结果失真。 a g a t e l 1 0 使用八叉树分层存储结构，并充分考虑了用硬件实现的可能性。 但在计算过程中需要使用乘法和浮点运算，速度虽有提高，但还是不能令人满意。 g l a s s n e r 11 将体数据存储成八叉树的形式而不是网格形状结构，利用快速 的八叉树遍历方法，绘制速度比利用网格结构提高很多。w i h e l m s 1 2 简化了八 叉树的结构，提出了根据需要对体数据进行分叉表示，进一步加快了处理速度。 s u n g u p 1 3 基于空间跳跃思想提出了一种更快的跳跃方法，在预处理阶段对 体数据进行了游程编码压缩，然后快速遍历体空间找出非空体素对应的像素，并 只从这些像素投射出光线，找到投射光线遇到的第一个非空体素和最后一个非空 体素，对在此之间的非空体素按其对像素的贡献进行组合，计算得到对应的像素 值。 文献 1 4 1 5 1 6 币1 j 用小波多分辨率的特性压缩体数据，将体数据表示成多层 结构，按照需要显示多分辨率的图像。同时，文献 1 4 还提出了基于有限元的自 适应网格优化方法。 基于软件的体绘制算法在体绘制中应用得相当的广泛。但绘制的体数据往往 非常庞大，仅仅依靠软件加速尤其是绘制具有整体光照效果的图像时，算法性能 还是十分有限的。因此人们将目光转向图形硬件，希望借助硬件提供的相关功能 加速体绘制。 1 2 2 基于硬件的体绘制 采用软件算法优化的体绘制技术没有利用传统的图形硬件进行加速绘制，绘 制速度不够理想，因此国内外展开了对专用体绘制硬件体系结构的研究工作。 c u b e 3 1 7 、c u b e - 4 1 8 系统是一个比较成功的并行体绘制体系结构设计， 它能在3 0 帧每秒速率下实现5 1 2 级大小数据场的实时绘制。c u b e 5 1 9 是基于 c u b e - 4 在图形芯片上先进行变换( w a r p ) ，然后再进行绘制，只是错切( s h e a r ) 的过 程在硬件上实现，光照模型也只限使用p h o n g 模型，因此绘制效果的真实感不是 很好，适合中等规模数据集的交互体绘制。 k n i t t e 等 2 0 】提出将体数据内存( v o l u m em e m o r y ) 组织成八个可同时访问的 内存模块，以便支持三线性插值计算中对八个相邻体素的同时存取。系统的基本 结构是一个包括体数据内存和四个处理单元的流水线结构，第一个处理单元完成 光线投射；第二个处理单元完成数据的三线性插值和向量的计算；第三个处理单 元采用p h o n g 光照模型计算采样点的光照强度；第四个处理单元完成图像的合 成。 v o l u m e p r o 2 1 可以说是目前最成功的体绘制加速硬件系统，它能做到实时 绘制2 5 6 级的体数据。但由于其核心绘制流水线体系结构是基于c u b e - 4 扩展的， 用于支持s h e a r - w a r p 算法的特殊存储子系统的设计使它还不能做到透视投影绘 制。 v i z a r d 2 2 1 系列能够进行高质量地透视投影绘制，实时绘制的速度介于 c u b e 5 与v o l u m e p r o 之间，它基于图像空间序提供了一种完整的光线追踪算法 的硬件实现方案，这种实现方案具有很大的灵活性，但绘制前需要对体数据进行 几分钟到几十分钟的预处理，导致了实时绘制性能的下降。 m a n n h e i m 大学的v i r i m 2 3 支持灵活的体绘制优化算法，且支持阴影的计 算，绘制的结果真实感强。但v i r i m 绘制算法只是在硬件进行直接固定的映射， 并没有支持空间跳跃和自适应光线终止等优化算法，整个系统显得比较庞大。 国内方面，国防科学技术大学在v i r i m 的基础上提出了一种新的体绘制加 速硬件结构v g e 2 4 ，该结构提供了对如空间跳跃、自适应光线终止等体绘制算 法的有效支持，通过引入启发式优化措施，使体数据预处理时间减少到了小于 3 0 秒，在绘制规模为2 5 6 级的体数据时可以达到7 0 h z 的帧频。该系统同时还支 持平行投影和透视投影绘制。另外，国内的清华大学、上海交通大学、中科院等 单位也对专用体绘制硬件进行了相关研究。 虽然目前的这些专用体绘制硬件系统能够达到大规模数据场实时体绘制的 4 要求，且算法流水线根据硬件结构经过了最优处理，实时绘制性能高，但算法的 流程固定不变，其灵活性相对比较差，其次对硬件配置要求很高，价格昂贵。 1 2 3 基于g p u 的体绘制 与昂贵的专用体绘制硬件不同，通用图形硬件( g p u ) 由于性价比高，目前在 普通p c 机上得到了广泛地应用。许多实时图形的绘制、通用科学计算等开始从 工作站转向普通p c 机进行研究。现阶段基于g p u 加速体绘制技术是国内外在 科学计算可视化研究上的热点，g p u 辅助加速的体绘制技术主要是利用g p u 的 相关特性加速完成体绘制中求交、重采样插值、颜色合成等原来只能由c p u 才 能完成的操作，从而加快体绘制速度。 c u l l i p 等 2 5 】首先将体数据沿投影轴进行切片并依次装入g p u 纹理内存，在 体数据内定义代理几何体元( p r o x yg e o m e t r y ) 进行重采样、颜色合成等操作。类 似算法还有文献 2 6 】。由于体数据往往大于纹理内存，需要将体数据分解成小于 或等于纹理内存的切片装入纹理内存，这种频繁的i o 操作导致体绘制性能严重 下降。m e i l l 3 n e r 等 2 7 1 采取压缩纹理的方式以提高速度，但同时也导致了绘制结 果失真。 。 k r u g e r 等 2 8 1 在g p u 上进行光线投射绘制时，将与光线相交的体元从纹理 表中取出，计算并更新其透明度值和颜色值，在g p u 片元级沿光线方向采用步 进法完成采样进行最终绘制。其次，该方法将提前光线终止和空间跳跃等加速体 绘制技术整合到光线投射中加快g p u 体绘制。类似的方法还有r o e t t g e r 等【2 9 】。 但这些算法在提出时，g p u 上片元着色器还未提供分支控制和动态循环的功能， 因此在绘制时需采用多遍渲染( m u l t i - p a s sr e n d e r i n g ) 的方式，严重影响了绘制性 能。 s t e g m a i e 等【3 0 】利用n v i d i ag e f o r c e 6 系列显卡提供的 n v - 且a g m e n t _ y i r o g r a m 2o p e n g l 扩展具有的动态分支功能，采用一组嵌套的r e p 循环指令( 6 5 0 2 5 次迭代) 执行对体数据进行采样操作，利用g p u 做到了对体数据 的单遍( s i n g l ep a s s ) 绘制，速度大大提高。k l e i n 等 3 1 1 对s t e g m a i e r 等 3 5 1 的方法 进行扩展，利用帧与帧之间的一致一陛( f r a m e t o f r a m ec o h e r e n e e ) j j l 速空间跳跃， 在绘制等值面和半透明体数据时有较高的性价比。 陈为等【3 2 】使用视点相关的层次采样( v d l s ) 将面向多边形绘制的图形引擎 转化为体光线投射算法引擎，在透视投影方式下每秒能处理1 5 亿个插值、后分 类与着色的光线采样点，提供了基于g p u 的一种新的体光线投射绘制方法。 充分利用g p u 提供的顶点级和片元级的可编程性，可提高中小规模体数据 的绘制速度。但由于g p u 的纹理内存有限，且主存到显存的传送带宽也容易形 成绘制瓶颈，不适合那些大规模数据的交互式实时可视化。限于g p u 本身的结 构，目前利用g p u 还只能做到中小规模数据集的实时光线投射体绘制，w o o p 等 3 3 】研制的可编程光线处理芯片r p u ( r a yp r o c e s s i n gu n i t ) 可用来实时光线跟 踪绘制复杂的动态几何场景，且达到了理想的交互绘制要求。相信支持真j 下意义 上的光线跟踪体绘制的图形处理芯片不久也将会出现。 1 2 4 体绘制存在的问题 目前为止体绘制额实现主要有以上三种：软件实现、硬件实现和g p u 实现。 每种实现都有自己的优点，也有相应的缺点。为了评价体绘制的三种实现方法， 本文从硬件配置要求、体规模、效率、灵舌性和实时性等几个方面进行了全面的 比较，如表1 1 所示。 表1 - 1 体绘制三着 l 实现客观比较 软件实现 硬件实现g p u 实现 硬件配置要求低向 中 体规模中小规模大规模 中小规模 效率低高 由 实时性 差优 中 灵活性优差 中 成本低高 低 基于软件的体绘制实现在体绘制中应用得十分广泛，但是绘制效率太低。基 于硬件的体绘制实现虽然能够绘制大规模的体数据，但是其硬件的高配置、巨额 的成本限制了他的应用。基于g p u 的体绘制实现虽然可以提高中小规模数据集 6 的绘制效率，但由于g p u 的纹理内存有限，且主存到显存的传送带宽也容易形 成绘制瓶颈，不适合那些大规模数据的交互式实时可视化。因此迫切需要一种能 实时的绘制大规模数据集、高精度和交互性好的体绘制方案的出现。 1 3 采用方案 本文采用可配置的f p g a 解决方案，通过软硬件协同设计的方法来定制有关 算法。硬件采用x i l i n x 的f p g a 开发板x u p v 5 一l x l1 0 t 作为开发平台，采用 d k 5 0 作为集成开发环境。软件在p c 机上选用v c 6 0 做为开发平台，软硬件通 过p c i e 接口传输数据。 在体绘制系统设计的过程中，首先在一个集成环境中进行仿真系统设计，对 整个系统的功能进行描述，清晰的描述出抽象的行为，软硬件的分工尽可能的往 后推迟。然后依据系统目标要求，通过综合分析系统软硬件功能及现有资源，最 大限度地挖掘系统软硬件之间的并发性，把系统分为若干个一定粒度的子系统和 子功能模块，整个设计过程中不断迭代，以便让系统能工作在最佳工作状态。接 下来通过一定的划分算法进行软硬件的的划分工作，得出符合条件的划分结果。 把计算复杂但计算量少的任务通过软件实现，例如空间变换等。人机交互的操作 也是通过软件来实现，例如视角的调整和传递函数的设置。而那些计算简单且计 算密集型的任务通过硬件实现，例如插值计算，分类计算和最后的合成计算。 在相关硬件上充分挖掘算法中的并行性，提供低成本、高性能的算法实现， 简化了系统结构。因为人机交互等部分任务是由软件来完成的，所以系统灵活性 较高。作为一个平台，基于实际需求的二次开发是不可避免的，所以，清晰的层 次结构和模块定义是保证可读性和扩展性的前提。 除了提出一个基于软硬件协同设计的光线投射算法的体系结构，还设计了一 种直方图引导的自适应局部传递函数的方案。这不仅使传递函数的没置不再像传 统的方法那样费时费力、效果不好，而且增强了图像的细节信息，使得高质量的 图像的生成变得更加容易。 1 4 论文结构 本文主要分成以下几个章节。第一章主要介绍课题研究的目的与意义，课题 7 的研究现状及存在的问题，以及课题所作的贡献。第二章主要从宏观上对直接体 绘制技术进行介绍，作为后续章节的基础，该章节主要介绍的是体绘制的体系结 构，体绘制的常见方法，并对相关工作进行了讨论。第三章主要从微观上详细介 绍了体绘制的关键技术。第四、五章主要详细介绍本文提出的一种基于软硬件协 同设计的实时并行体绘制算法，包括基本方法、算法实现，以及一些方法的提出 和改进，并对仿真实现结果进行了详细分析。第六章是对本文工作的总结，并确 定下一步研究的方向。 1 s 所作贡献 本文对体绘制技术进行了深入的研究，在原有方法的基础上进一步改进和提 出了一些新的思想和方法，并且取得了较好的结果。 概括起来说，本文的主要研究成果有： ( 1 ) 在分析光线投射算法原理的基础上，提出了一种改进的基于软硬件协同 设计的高效并行光线投影算法的体系结构。利用f p g a 的可配置特性，将可并行 处理的模块在用硬件实现细粒度的并行化，从而达到实时计算要求。而那些实时 性要求不高的任务通过软件来实现。 ( 2 ) 为降低内存的要求和提高数据处理的并行性，首先将三维体数据进行均 匀分块，以便提高块间处理的不相关性。然后对每个块实施光线投射算法。 ( 3 ) 提出了一种直方图引导的自适应局部传递函数的方案。这不仅使传递函 数的设置不再像传统的方法那样费时费力、效果不好，而且增强了图像的细节信 息，使得高质量的图像的生成称为可能。 仿真实验结果表明该框架和算法能够实时地绘制海量三维数据集，并保证图 像的高质量要求，具有良好的人机交互性。 2 直接体绘制技术综述 体绘制( v o l u m er e n d e r i n g ) 【3 4 是一种用于可视化三维数据场的技术，直 接根据三维体数据场信息产生屏幕上的二维图像，因此也被称为直接体绘制技术 ( d i r e c tv o l u m er e n d e r i n g ) 。 2 1 体绘制体系结构 本章描述五种专用的体绘制的体系结构。五种体系结构的性能也将在每小节 相应给出。以下各种体系结构是按照开发时问顺序描述的：v o g u e ，v i r i m ， a r r a yb a s e dr a yc a s t i n g , e m c u b e ，a n dv i z a r di i 。 2 1 1v o g u e v o g u e 体系结构是由德国的蒂宾根大学开发的 3 5 3 6 】。一个体绘制引擎通 过使用四个定制的v l s i ：卷片的多光源提供高质量的体绘制图像。该体系结构框 图如图2 1 所示。 m e m o r y c l a s s i f i c a t i o n t a b l e sc o m p o s i t i n g e s t i m a t i o n 图2 - 1v o g u e 体系结构 p h o n g s h a d i n g v o g u e 的主要目标是灵活性和紧凑性。基于梯度估计的方法v o g u e 可以 9 搬 母 、 提供三种绘制模式：快速8 - v o x e l 梯度模式，较慢的3 2 - v o x e l 梯度模式和高质量 的5 6 v o x e l 梯度模式。v o g u e 的硬件包含一个a d d r e s ss e q u e n c e r ( a s q ) ，用于 内存寻址；一个v o l u m em e m o r y ( v o l u m e m ) ，用于数据集的存储；一个 r e c o n s t r u c t o re x t r a c t o r ( r e x ) ，用于插值计算；一个c o l o s s u s 单元，用于着 色；一个c o m e t 单元，用于组合计算。v o g u e 按照景深效果实现了一个非严 格的p h o n e 光照模型。 2 1 1 1v o g u e 描述 v o l u m e m 被组织成为一个八向交错内存系统，允许三线性采样点的周围八 个体素并行存储。 a s q 单元负责提供v o l u m e m 需要的地址。它为重采样和梯度计算涉及到的 体素提供地址。光线的最初位置和到下一个采样点的增量值由主机计算并传给 a s q 。 r e x 单元用来自v o l u m e m 的八个体素进行三线性插值计算重采样点的值。 r e x 包含线性插值的三个阶段。首先来自三线性插值邻域的邻近体素被用来计 算边值，然后成对的边值被用来计算面值，最后邻近的一对相反的面值被用来计 算最终采样点的值。r e x 是一个流水线单元，每个周期内都能产生一个插值。 除了插值计算，r e x 单元也负责梯度计算。梯度计算对于最快的梯度模式 ( 8 - v o x e lg r a d i e n t ) 需要一次内存存取，对于中等模式( 3 2 一v o x e lg r a d i e n t ) 需要4 次内 存存取，对于最高质量梯度模式( 5 6 v o x e lg r a d i e n t ) 需要7 次内存存取。在最快梯 度模式中三线性捅值中对面的一对面值用于计算梯度值。最高质量梯度模式则需 要其他的体素和插值。r e x 单元每个周期内都能产生一个梯度向量和该向量的 幅度。r e x 单元包含三个流水线立方单元和一个立方根单元用于计算梯度的幅 度。 分类信息被存储在三个查询表( l u t ) 中：反射因子表，颜色表和不透明度表。 这些表被索引用于采样值，梯度和梯度大小的计算。这些值随后被用于着色单元 ( c o l o s s u s ) 和组合单元( c o m e t ) 。 c o l o s s u s 单元实现了一个非严格的p h o n e 光照模型和景深效果。来自查 找表的反射系数和梯度向量、光线向量、环境光系数一起传递给c o l o s s u s 单 1 0 元。c o l o s s u s 单元会把操作数转换成对数，以便于把乘除法运算降为相应简 单的加减法运算。 采样值是在c o m e t 单元被组合计算的。c o m e t 单元需要来自不透明度查 询表的不透明度值和来自c o l o s s u s 单元的颜色值。这些值被组合成最后的像 素值被传送到帧缓冲区。 2 1 1 2v o g u e 性能 v o g u e 模型包含四个v l s i 单元( a s q ，r e x ，c o l o s s u s ，a n dc o m e t ) ，对 于2 5 6 x 2 5 6 x 2 5 6 数据集使用最快绘制模式可以达到2 5 帧秒。要想达到更高的 性能，几种绘制模型可以和其他模型连接成一个环形网络。为了达到最大内存吞 吐量，使用子块分割实现全局分割数据集可以并行处理。每个子块使用八向内存 交错机制局部分割，然后存储到v o l u m e m 当中。 v o g u e 可用于透视投影，也可使用提前射线截止方法。对于2 5 6 2 5 6 2 5 6 数据集用最快梯度模式的估计性能为2 0 h z 。v o g u e 的最高品质梯度模式可以 改善图像的质量，然而性能比较低。 2 1 - 2v i r i m v i r i m 体系结构是由曼海姆大学开发的 3 7 ，能够实时绘制中小规模 ( 2 5 6 x 2 5 6 x 2 5 6 ) 的数据集，绘制图像质量高。v i r i m 是一个物序的r a yc a s t i n g 系 统，使用了h e i d e l b e r g 射线追踪算法【3 8 】。v i r i m 体系结构如图2 2 所示。它包 含一个几何单元和一个射线投射单元。几何单元负责插值计算和梯度计算；射线 投射单元负责实现光线投射算法。 # 。72 、，f ，j m o 。7j0 学i 。 一 一 a d d r e s sg e n e r a t o r llillllll 2i n d e p e n d e n t i n t e r p o l a t i o n b a n k so f8u n i t se a d l w e i g h tm e m o r y d e n s i t yl u t llllii llilll i 一 g e o m e t r y i n t e r _ p _ o _ j a f i g nt r e e u n i t ix - ，y g r a d i e n tp r o c e s s o r i p7 ，。，“， l ：， i ll i lllllllli d s p s d s p s l l i lliliiil ， 一 i t b o a r dm a s t e r b o a r dm a s t e r 脚i n i 咖t 唱i h o s t b u s 1r1r 2 1 2 1v i r i m 描述 图2 2 v i r i m 体系结构 数据集的旋转是由旋转硬件r o t a t o rb o a r d 完成的，它存在与几何单元内 部。r o t a t o rb o a r d 沿着视口方向排列对齐数据集。r o t a t o rb o a r d 包含体内存，几 何处理器，插值处理器和一个梯度处理器。 数据集以八向交错内存系统方式存储。数据集按照后向映射方式旋转，以采 样点周围的八个体素来计算插值，任何插值方法都可以选择用来代替三线性插 值。几何处理器通过一个旋转矩阵产生采样点周围的八个体素的地址。 构不一样的是，v i r i m 是在已经分类的灰度值的基础上进行插值计算 系被存储在八个查询表中，查询表可以随时修改。 在一个重采样坐标系统中一个改良的2 ds o b e r 过滤器被用来估算 置的x 和y 方向的梯度向量。j 下因为这样，梯度仅仅是两维的，而且 立的。r o t a t o rb o a r d 的输出是采样点的狄度值和梯度值。这些值通过专 1 2 被传送到d s p ( 光线透射单元) 上，并被存储在先进先出方式的内存( f i f o s ) 里。几 何单元的速度比d s p 的速度快的多，因此要求f i f o s 能够耦合两个单元的速度 差。 d s p 使用h e i d e l b e r g 关照模型实现光线投射功能。在h e i d e l b e r g 模型中， 数据集被旋转以至于观察者能够沿着主轴方向看过去。两个光源照射体空间。一 个光源沿着观察者的方向射出，另一个光源与第一个光源成4 5 度角。光线强度 逐层计算，最后采样点的光照强度是由每层的光照强度累加组合而成的。 h e i d e l b e r g 射线追踪算法可以实现光的折射，吸收和散射，也可以实现阴影作用。 d s p 板包含八个d s p 芯片和一个c p u 。着色和可视化算法中的浮点运算由 d s p 完成。d s p 是可编程的，有着很好的灵活性，可以实现不同的体绘制算法 和着色算法。 2 1 2 2v i r i m 性能 v i r i m 可以产生阴影效果并支持透视投影。带有四个板子的v i r i m 模型已 经组装完成，对于2 5 6 x 2 5 6 1 2 8 的数据集可以达到2 5 h z 的帧率。为了达到交互 性的帧率，有必要使模块加倍，然而数据集的复制也是需要的。对于2 5 6 x 2 5 6 x 2 5 6 数据集，四个同样的模型( 1 6 个板子) 估计可以达到l o h z 的帧率，八个同样的模 型( 3 2 个板子) 估计可以达到l o h z 的帧率 3 9 。 2 1 3a r r a yb a s e dr a yc a s t i