光线投射算法
光线投射算法
颜色 (100,100,100)
不透明度
0.5
(50,50,50) (200,200,200)
0.8
0.4
光线投射算法原理
光线投射算法终止计算的条件
当 i 1.0 的时候。此时表示光线已经无法穿 透数据场。
当光线离开数据场后。
光线投射算法原理
光线投射算法结果图
心脏
脚部
光线投射算法原理
在等号的上方有可以两个字，那么如何才能得到，而不是可 以得到呢？光线投射算法就是将颜色和光照模型进行合成， 最终得到三维物体
光线投射算法原理
成像平面
体数据
视点
颜色 不透明度 光照模型
光线投射算法原理
颜色索引表
颜色索引表的作用是将图像中像素的灰度转 换成光学信息中的颜色。
(0,0,0) (1,1,1) (20,0,2)
光线投射算法产生的背景
光线投射算法 将灰度信息 转变为光学 信息
光学知识
预备光学知识
R红
G绿 B蓝
?
A 不透明度
光学知识
光照模型
g
漫反射
L
完全镜面反射
H
L
V
非完全镜面反射
光线在前进过程中会衰减
L ka kd || L g || ks (|| H g ||) m
光学知识
可以
颜色
+ = 光照模型
光线投射算法的 延伸
将三维扩展到四维，右 图显示的是四维心脏
总结
光线投射算法的难点
难点不是计算，建立三维模型与编程实现。
光线投射算法的优点
成像质量高，在医学领域得到广泛的应用。
光线投射算法的缺点
计算量大，成像速度慢。
光线投射,光线追踪与路径追踪的概念与区别
光线投射,光线追踪与路径追踪的概念与区别光线投射Ray Casting [1968]光线投射（Ray Casting），作为光线追踪算法中的第一步，其理念起源于1968年，由Arthur Appel在一篇名为《Some techniques for shading machine rendering of solids》的文章中提出。
其具体思路是从每一个像素射出一条射线，然后找到最接近的物体挡住射线的路径，而视平面上每个像素的颜色取决于从可见光表面产生的亮度。
光线投射：每像素从眼睛投射射线到场景光线追踪Ray Tracing [1979]1979年，Turner Whitted在光线投射的基础上，加入光与物体表面的交互，让光线在物体表面沿着反射，折射以及散射方式上继续传播，直到与光源相交。
这一方法后来也被称为经典光线跟踪方法、递归式光线追踪（Recursive Ray Tracing）方法，或Whitted-style 光线跟踪方法。
光线追踪方法主要思想是从视点向成像平面上的像素发射光线，找到与该光线相交的最近物体的交点，如果该点处的表面是散射面，则计算光源直接照射该点产生的颜色；如果该点处表面是镜面或折射面，则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线，如此递归下去，直到光线逃逸出场景或达到设定的最大递归深度。
经典的光线追踪：每像素从眼睛投射射线到场景，并追踪次级光线（(shadow, reflection, refraction），并结合递归光线追踪（Ray tracing）是三维计算机图形学中的特殊渲染算法，跟踪从眼睛发出的光线而不是光源发出的光线，通过这样一项技术生成编排好的场景的数学模型显现出来。
这样得到的结果类似于光线投射与扫描线渲染方法的结果，但是这种方法有更好的光学效果，例如对于反射与折射有更准确的模拟效果，并且效率非常高，所以当追求高质量的效果时经常使用这种方法。
光线投射算法
计算机图形学
图7.24 一条由象素点射入场景的视线
光线投射算法
➢光线投射算法可看作是z缓冲器算法的一种变形
✓z缓冲器算法 每次处理一个面片,对面片上的每个投影点计算 z值。计算出来的值与以前保存的z值进行比较 ，从而确定每个像素所对应的可见面片
✓光线投射算法 每次处理一个像素， 并沿光线的投射路径 计算出该像素所对应 的所有面片的z值。
计算机图形学
光线投射算法
➢光线投射(ray casting)
其建立在几何光学的基础上，它沿光线 的路径追踪可见面，是一种有效的可见性判 别技术。其主要从像素出发射算法
➢光线投射(ray casting)具体做法： ✓由视点出发穿过观察平面上一像素向场景发射 一条射线 ✓求出射线与场景中各物体表面的交点， ✓离视点最近的交点的颜色即为像素要填的颜色。
使用 vtk体绘制中常用的光线投射算法
使用 vtk体绘制中常用的光线投射算法使用vtk体绘制中常用的光线投射算法光线投射算法是计算机图形学中常用的算法之一，用于在三维空间中模拟光线的传播和交互。
在vtk（Visualization Toolkit）中，光线投射算法被广泛应用于体绘制（Volume Rendering）中。
本文将介绍vtk体绘制中常用的光线投射算法，并对其原理和应用进行详细说明。
一、光线投射算法概述光线投射算法是一种基于光线追踪的体绘制算法，通过模拟光线与物体之间的相互作用，实现对三维体数据进行可视化。
它基于光线与物体之间的交互，计算光线在物体内部的传播路径和颜色，从而生成逼真的体绘制效果。
在vtk中，光线投射算法主要包括两个步骤：光线传播和光线采样。
光线传播是指光线从视点出发，沿着视线方向向前传播，直到与物体相交或超出体数据范围为止。
光线采样是指在光线与物体相交的位置上进行采样，获取物体的颜色和透明度信息，并将其累积到最终的像素颜色中。
二、光线传播算法光线传播算法是光线投射算法的核心部分，它决定了光线的传播路径和采样点。
在vtk中，常用的光线传播算法有正向投影和反向投影两种方式。
1. 正向投影（Front-to-Back Compositing）正向投影是指光线从视点出发，沿着视线方向向前传播，直到与物体相交或超出体数据范围为止。
在传播过程中，每次都将光线经过的像素颜色叠加到最终的像素颜色中，从而得到物体的透明效果。
正向投影算法通常采用透明度混合的方式，根据物体的透明度信息对像素颜色进行加权叠加。
透明度越高的像素将对最终的像素颜色贡献越大，从而实现透明效果。
该算法适用于透明度变化较大的情况，但对于密度变化较大的物体可能会出现混合效果不佳的问题。
2. 反向投影（Back-to-Front Compositing）反向投影是指光线从视点出发，沿着视线方向向后传播，直到与物体相交或超出体数据范围为止。
在传播过程中，每次都将光线经过的像素颜色累积到最终的像素颜色中，从而得到物体的阴影效果。
体绘制光线投射加速算法研究与实现
３ 、光线 透射 算法 的加速 ３１ ．简化光 照模 型及 法 向量明 暗度 查找表
对医学图像进行体绘制过程 中，要进行 真实感处理 ，包括颜 色 ，光 照 ，明暗色调和纹理 等 ，图１ 中给数据点 赋颜 色值其实就 是一种真实感处理 ，如果绘 制的是彩色 图像 ，要给体数据 中的每 个体素赋ＲＧ 颜 色值 ，如果仅绘制灰度 图象 ，就是 我们所说 的明 Ｂ 暗度处理 。体绘制 中的明暗度处理要模拟光照射到物体表面情况
是 图像 合成 ，即将每条射线上各采样点 的颜 色值和不透 明度 值由
前 向后或 由后向前加以合成 ，即可得到发 出该 射线 的象 素点处 的 颜色值 。重新采样 和图像合成是按屏幕上 每条扫描线 的每个象 素 逐个进行 的 ，因而这一算法又称为 图像空 间扫描 的体绘制算法 。 光线投射算法 中体 素的不透明度在０ 之 问变化 ，可 以表示透 明 和１ 度不同的半透明体。１ 表示完全不透明 。
离 ； ，２ 常数 ；为光 源方 向的单 位法 向量 ；为镜 面反射 方向的 Ｋ１ 为 Ｋ Ｌ Ｒ 单位 向量； ｖ为观察方 向的单位 向量 ；（Ｙ ） Ｎｘ ，为体素ｖ（ ，ｚ ，ｚ ｘｙ ）处的表 ， 面单位 法向量。利用灰度梯度 法估 计多灰度值体数据中一点的法
向量 ， 即
鼯 十
算 法分 析
敦＿ 字一 拉～ 术一 Ｌ 与 斑 吊
姆
关大 勇
（ Ｍ￣ Ｉ ８国开发 中心 北京 １０ ９ ） Ｂ ０ １３
摘要： 文在光 线透射 法的各个环 节提 出了 速算法， 本 加 包括 简化光 照模 型， 法向量 明暗度 查找 表 ， 减少投 射光 线， 快求交及 采样 ， 加 简化 三维几何
。
该算 法假 定三维空 间数据ｆ ｉ Ｊ ｋ 布在均匀 网格或规则 网 （ ，， ） ｘ ｙｚ 分 格的 网格 点上 （ 简化起见 ，在插 图中三维 空间数据用ｆ，ｋ表 为 （ｉ ） ｉ， 示 。流程 图 中的数 据 预处理 包括原 始数 据格 式 的转 换 、图像滤 波及 断层 间插值 等功能 。接 着 ，进 行 数据值 分类 （ 即体数 据分 割 ），其 目的是根据数据值 的不 同 ，正确地将其分为若干类并给 每类 数据赋予不同的颜色值 和不透 明度值 ，以求正确地表示多种 物质的不同分布或单一物质 的不 同属性 。然后是重采样 ，即从屏 幕 上的每一个象素点根据设定 的观察 方向发 出一条射线 ，这条射 线 穿过三维数 据场 ，沿着这 条射线选 择Ｋ 个等距 的采样 点 ，并 由 距 离某一 采样点最 近的８ 数据点 的颜色值 和不透 明度值作 三次 个 线性插 值 ，求 出该采样点 的不透 明度值及颜色值。显而易见 ，在 作 重新 采样前 ，需要将具有颜色值及 不透明度值的三维数据场由 物体空间坐标转换为相应的 图像空 间坐标 。这一算法的最后一步
光线投射算法
光线投射算法光线投射算法是一种用来进行三维计算的计算机图形学技术，它可以帮助渲染器迅速计算出物体的精确形态。
这种算法最早由Paul S. Heckbert于1979年提出，但直到最近几年，它才变得普及并成为三维计算的重要工具。
光线投射算法可以用来描述光线照射在物体表面上，以及如何从那里反射出来，而不是表面的颜色，造型或其他属性。
这种算法从发射光线开始一步步计算，模拟出它们在真实环境中的行为。
为实现这一过程，光线投射算法需要进行以下步骤：首先，它会把三维模型划分成网格单元，把每个单元看做一个定义空间的小区域，这样就可以确定一个原点，即光源所在的位置，以及把物体呈现出来所需要的数据。
然后，算法会把每个光线按照特定的角度划分，并对对象表面进行采样，从而获得每个光线要穿过小单元的信息。
接着，它会根据这些采样结果，使用数学方程式计算出某个物体表面点的反射强度、着色和细节的数据，从而得出最终的模型。
有许多方法可以提高光线投射算法的性能，其中主要有：使用更多的光线进行采样，以及针对特定问题开发特定的优化算法。
使用多光线采样可以提高算法的精确度，而且这种方法通常会使渲染结果更加真实。
而针对特定问题开发特定的优化算法则能够减少计算量，使性能得到最大化。
目前，光线投射算法已经在许多领域得到了广泛应用，比如模拟物理现象，电影后期制作，游戏引擎，工业设计及三维打印等等。
它可以帮助渲染器尽可能快地计算出物体的形态，并且可以给出较高的精度结果。
尽管光线投射算法被认为是一项重要的三维计算技术，但它也有一些局限。
例如，它需要大量的计算资源，而且在特定情况下，它可能会产生不准确的结果。
因此，在使用光线投射算法时，应仔细考虑它的局限性。
总之，光线投射算法是当今三维计算的重要工具，它能够帮助渲染器尽可能快地计算出物体的形态，从而减少渲染时间。
但同时，它也有许多局限性，因此在使用时应仔细考虑。
对计算流动显示光线投射算法的改进
（） １
其 中 ： （ Ｙ， 表 示 流 场 中 某 一 点 的 折 射 率 ， ， ｎ ｘ， ）
是 光 线 进 入 和 离 开 流 场 时 的 坐 标 。 即 光 线 经 过 流 场 发 生 的 变 化 可 以看 作 是 折 射 率 的 函数 沿 光 线 路 径 的积 分 。 由于 气 体 的折 射 率 与 密 度 Ｊ Ｄ
Ｆ ｒ每 一 个 边 界 体 元 的外 表 面 ｆ Ｄｏ ｏ ；
将 该 外 表 面 投 射 到 屏 幕 上 ， 定 投 射 范 围 的 确
变化对 图像像素 值 的影 响关 系最 终生 成 干涉 图 、
纹 影 图 和 阴影 图 。
像 素点 ； Ｆ ｒ投 射 范 围 的 每 一 个 像 素 点 （ ） ｏ ｍ， ，Ｄｏ ； 发 出光线 ， 与该 外 表 面 求 交 ， 到 深 度 值 ｚ 得 ；
向 ， 计 算 流 体 力 学 ， 验 流 体 力 学 ， 学 计 算 可 视 化 等领 域 的 结 合 。 根 据 实 验 流 体 是 实 科 力 学 的 光 学流 动 显 示 原 理 ， 以 由计 算流 场 生 成 计 算 流 动 显 示 图像 ， 干 涉 图 、 影 可 如 纹
图及 阴 影 图。 对 原 有 的光 线投 射 算 法 进 行 了改进 ， 出 了一 种 速 度 更 快 、 提 图像 质 量 更
维普资讯
２ ０ 年 １ ０２ Ｏ月
装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆｔ ｅＡｃ ｄ ｍ ｙ ｏ ｕｐ ｅ ｔＣｏ ｏ ｒ ａ ｈ ａ ｅ ｆＥｑ ｉｍ ｎ ｍｍ ａ ｄ ＆ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｎ ｃ ｎ ｌｇ
好 的 计 算 流 动 显 示算 法 。
使用 vtk体绘制中常用的光线投射算法
使用 vtk体绘制中常用的光线投射算法使用vtk体绘制中常用的光线投射算法光线投射算法是一种常用的图形学算法，用于模拟光线在三维场景中的传播和交互。
在vtk体绘制中，光线投射算法被广泛应用于体数据的可视化和分析。
光线投射算法基于光线与物体之间的相互作用，通过追踪光线的路径和计算光线与物体的交点来生成图像。
在vtk中，常用的光线投射算法包括体素光线投射、等值面提取和体绘制。
体素光线投射是一种基于体素的光线投射算法，它通过在体数据中追踪光线的路径来实现体的可视化。
该算法首先将体数据划分为一组体素，然后根据光线与体素的交点来计算光线的颜色和透明度。
通过对每个像素进行光线投射计算，可以得到包含体数据信息的图像。
vtk中提供了多种体素光线投射算法的实现，如多通道体素光线投射、多层次体素光线投射等。
等值面提取是一种基于等值面的光线投射算法，它通过在体数据中提取等值面并对等值面进行光线投射计算来实现体的可视化。
等值面是指与体数据中特定数值相等的曲面，它可以用来表示体数据中的特定结构或属性。
通过对等值面进行光线投射计算，可以得到包含等值面信息的图像。
vtk中提供了多种等值面提取算法的实现，如Marching Cubes等。
体绘制是一种基于体数据的光线投射算法，它通过在体数据中追踪光线的路径来实现体的可视化。
与体素光线投射不同，体绘制算法不需要对体数据进行划分，而是直接对体数据进行光线投射计算。
该算法通过追踪光线的路径并计算光线与体数据的交点来生成体绘制图像。
vtk中提供了多种体绘制算法的实现，如体绘制、直接体绘制等。
在vtk中，使用光线投射算法进行体绘制可以通过以下步骤实现：1. 加载体数据：首先需要加载体数据，可以是常见的体数据格式，如DICOM、VTK等。
2. 创建光线投射器：根据需要选择合适的光线投射算法，并创建对应的光线投射器对象。
3. 设置光线投射参数：根据需要设置光线投射器的参数，如光线起点、方向、步长等。
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c2 = (70,70,70)
α 3 = 0.94
c3 = (78,78,78)
颜色 不透明度
(100,100,100) 0.5
(50,50,50) 0.8
(200,200,200) 0.4
光线投射算法原理
光线投射算法终止计算的条件
的时候。 当 α i > 1.0 的时候。此时表示光线已经无法穿 透数据场。 透数据场。 当光线离开数据场后。 当光线离开数据场后。
光线投射算法原理
简化计算过程： 简化计算过程
α0 = 0 α i = α i −1 + α ( Pi )(1 − α i −1 )
ci = ci −1 + c( Pi )α ( Pi )(1 − α i −1 )
α1 = 0.5
c0 = (0,0,0)
c1 = (50,50,50)
α 2 = 0.9
视点
颜色 不透明度
光照模型
光线投射算法原理
颜色索引表
颜色索引表的作用是将图像中像素的灰度转 换成光学信息中的颜色。 换成光学信息中的颜色。
(0,0,0) (1,1,1) (20,0,2) ： ： ： ： (255,255,255)
光线投射算法原理
不透明度索引表
不透明度决定了， 不透明度决定了，那写重建部位可以显示出 那些被隐藏掉。 来，那些被隐藏掉。
光线投射算法原理
光线投射算法结果图
心脏 脚部
光线投射算法原理
光线投射算法的 延伸
将三维扩展到四维，右 图显示的是四维心脏
总结
光线投射算法的难点
难点不是计算，建立三维模型与编程实现。
光线投射算法的优点
成像质量高，在医学领域得到广泛的应用。
光线投射算法的缺点
计算量大，成像速度慢。
致谢
谢谢！
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∧∧ຫໍສະໝຸດ ∧∧光学知识
可以 颜色
+ 光照模型 =
在等号的上方有可以两个字，那么如何才能得到， 在等号的上方有可以两个字，那么如何才能得到，而不是可 以得到呢？光线投射算法就是将颜色和光照模型进行合成， 以得到呢？光线投射算法就是将颜色和光照模型进行合成， 最终得到三维物体
光线投射算法原理
体数据 成像平面
光线投射算法
贠照强
主要内容
光线投射算法产生的背景 光学知识 光线投射算法原理 总结
光线投射算法产生的背景
科学设备产生数据量增加， 科学设备产生数据量增加，需要 更高的解释工具。 更高的解释工具。 Marc Levoy 于1987年提出光线投 年提出光线投 射算法， 射算法，并在科学可视化领域得 到迅速发展。 到迅速发展。 现有医疗软件公司中西门子和GE 现有医疗软件公司中西门子和 等公司的产品均包含该算法。 等公司的产品均包含该算法
0 0.1 0.2 ： ： ： ： 1
光线投射算法原理
合成公式： 合成公式：
α i = α i −1 + α ( Pi )(1 − α i −1 )
ci = ci −1 + c( Pi )α ( Pi )(1 − α i −1 )
不透明度 颜色
c( Pi ) = c( Pi ) • L
a ( Pi )
光线投射算法结果
光线投射算法产生的背景
光线投射算法
将灰度信息 转变为光学 信息
光学知识
预备光学知识
R G B 红 绿 蓝
A 不透明度
?
光学知识
光照模型
g
H
L
漫反射 完全镜面反射
L
非完全镜面反射
V
光线在前进过程中会衰减
L = k a + k d ⋅ || L⋅ g || + k s ⋅ (|| H ⋅ g ||) m