[发明专利]一种对光线和体素进行求交的方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形与可视化技术领域，涉及一种基于GPU的对光线和体素进行求交的方法，可用于三维标量体数据的等值面可视化。

背景技术

三维标量体数据的等值面可视化技术可以帮助人们观察、挖掘三维标量体数据(如CT切片数据)中包含的信息，在科学计算可视化和医学影像可视化领域有重要的应用价值。

在三维标量体数据的等值面可视化中，“原始数据”是需要被可视化的三维标量体数据，“体素”是由空间上相邻的8个原始数据点构成的立方体结构，每个原始数据点称为体素的一个顶点。在确定使用三线性插值方法的情况下，如果给定一个等值面值，则在满足一定条件的时体素中可能存在一个对应的等值面，“光线与体素求交”是光线和体素中所述等值面的求交。

三维标量体数据的等值面可视化有多种实现方式，从计算顺序上分，有物体顺序的体素投影法(Rottger et al.2000.Hardware-Accelerated Volume And Isosurface Rendering Based On Cell-Projection)和图像顺序的光线跟踪法(Parker et al.1998.Interactive Ray Tracing for Isosurface Rendering)等，从采用的硬件平台来分，有基于CPU的实现和基于GPU的实现。由于硬件的差别，GPU的实现和CPU的实现有很大差别。

在GPU上实现的光线投射法有两个主要步骤，一是对光线经过的体素进行遍历(体素遍历)，二是找到光线与等值面的交点(即“光线与体素求交”)。

现有的对光线和体素进行求交的方法包括Parker et al.1998和Marmitt et al.2004.Fast and Accurate Ray-Voxel Intersection Techniques for Iso-Surface Ray Tracing等给出的精确求交方法和Neubauer et al.2002.Cell-based first-hit ray casting.给出的近似求交算法等。在现有的精确求交方法中，需要在每个体素中提取8个样本，分别位于体素的8个顶点处，这种方法对于中央处理器(CPU)计算已经比较优化，但是在图形处理器(GPU)环境下，由于硬件插值技术的存在，通过新的设计可以在大多数的体素中只提取4个样本，将效率做到更高。

发明内容

本发明的目的是要求以使用三维数字差分分析器(3DDDA，3D Digital Differential Analyzer)体素遍历方法(Amanatides et al.1987AFast Voxel Traversal Algorithm for Ray Tracing)为前提，提出一种新的对光线和体素进行求交的方法。

为达成所述目的，本发明提出新的基于图形处理器(GPU)的对光线和体素进行求交方法，所述求交的步骤包括：

步骤S1：通过GPU硬件对输入图像进行计算，得到图像数据的三线性插值，利用图像数据的三线性插值在光线经过的每个体素中沿光线等间距地获取四个样本；

步骤S2：利用四个样本对体素做是否为空的判断；

步骤S3：如果体素非空，通过GPU硬件提供的三线性插值重新获取六个样本，用四个样本和重新获取的六个样本计算图像数据的三线性插值沿光线变化函数的三次多项式系数，进而通过解三次方程对非空的体素进行计算，得到光线与体素的等值面的交点位置；如果体素为空，则直接跳过体素，不计算光线与体素的等值面的交点。

优选实施例，所述的四个样本分别位于光线的入体素点、出体素点和位于体素中的两个三等分点处。

优选实施例，对体素做是否为空的判断的计算步骤是：首先构造一个立方体结构的代理体素，将四个样本依次排列在代理体素的对角线上，通过代理体素中顶点值和内部值的线性关系，遵照三线性插值规则、以及代理体素的顶点值和内部值取值范围的关系估计光线段上图像数据的最大值及最小值，如果给定代理体素的等值面值在光线段上图像数据的最大值与最小值之间，则体素非空；如果给定代理体素的等值面值不在光线段上最大值与最小值之间，则体素为空。

优选实施例，所述代理体素的顶点值是：