專(zhuān)利名稱(chēng)：采用多圖形處理器加速方格片元過(guò)濾的實(shí)時(shí)體繪制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型與精細(xì)數(shù)據(jù)集的可視圖像處理。對(duì)本發(fā)明的需求來(lái)自于美國(guó)可視人數(shù)據(jù)(Visible Human Dataset)的產(chǎn)生及其應(yīng)用有關(guān)的可視人研究(Visible Human Research)計(jì)劃，該計(jì)劃在多個(gè)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了十多年。雖然本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)及醫(yī)學(xué)教育的特別應(yīng)用，但本發(fā)明并非只局限于醫(yī)學(xué)用途。本發(fā)明特別地涉及數(shù)據(jù)的體繪制。更具體地，本發(fā)明尤其涉及體繪制中的三維紋理映射化軸對(duì)齊面片(slice)的體繪制。
背景技術(shù)：
體繪制(volume rendering)是一種直接繪制三維標(biāo)量樣本的方法，它并不需要先把樣本轉(zhuǎn)化成幾何基元(geometric primitives)。常用的體繪制的方法包括光線(xiàn)追跡(ray-casting)，濾波點(diǎn)繪制(volume splatting)及三維紋理映射(3D texture mapping)。
幾何基元指以多邊形方式代表點(diǎn)、線(xiàn)或面。面的多邊形代表方式尤以三角形面片網(wǎng)或非均勻有理B樣條(NURBS)最為普遍。
光線(xiàn)追跡是其中一種直接體繪制技術(shù)，它是通過(guò)由視點(diǎn)向屏幕的各個(gè)像素發(fā)出一條虛擬光線(xiàn)并沿光所經(jīng)路線(xiàn)累積樣本值。
濾波點(diǎn)繪制是一種利用高解像度局部拼貼橢圓形高斯盤(pán)(Gaussiandisk)以非線(xiàn)性方式紋理映像一個(gè)區(qū)域的技術(shù)。由于此方法需要對(duì)每個(gè)三角面片進(jìn)行多次繪制以將紋理合并到幀緩沖器(frame buffer)上，所以濾波點(diǎn)繪制對(duì)圖像處理器(GPU)的需求非常龐大。它需要高速的三角面片及填充比率。


圖1A及1B示出了兩種不同三維紋理映射的實(shí)施方法。三維紋理映像是另一種直接體繪制技術(shù)，它通過(guò)圖像顯示卡的三維紋理內(nèi)存利用混合(blending)方式繪制。圖1A顯示的采用三維紋理映射的視平面對(duì)齊式面片疊，圖1B顯示的是采用三維紋理映射的軸對(duì)齊式面片疊。
三維紋理映像的整體工作流程如下先由原始數(shù)據(jù)集提取靜態(tài)信號(hào)；經(jīng)過(guò)不同的紋理閾值處理后，初始化數(shù)據(jù)集的三維像素；根據(jù)可視區(qū)域?qū)⒓y理映像的幾何基元光柵化(rasterize)為方格片元(blocks offragments)。每一個(gè)這樣的片元內(nèi)包含了頂點(diǎn)及紋理信息。最后方格片元由一般圖形處理流水線(xiàn)(pipeline)處理。
整個(gè)處理過(guò)程分成三個(gè)階段頂點(diǎn)處理(Vertex Processing)，光柵化(Rasterization)及片元處理(Fragment Processing)。
1)頂點(diǎn)處理頂點(diǎn)處理的目的在于對(duì)整個(gè)體繪制中根據(jù)數(shù)據(jù)集信息構(gòu)建出的點(diǎn)進(jìn)行處理。該處理過(guò)程包括對(duì)數(shù)據(jù)集的放大縮小、旋轉(zhuǎn)、平移、記錄輸出點(diǎn)在空間的位置及紋理坐標(biāo)以及產(chǎn)生顏色信息。在靜態(tài)的數(shù)據(jù)集繪制中繪制一個(gè)512×512×512的體數(shù)據(jù)集，繪制一個(gè)方向，每個(gè)面所需要的點(diǎn)是4個(gè)，因此512層就需有2048個(gè)點(diǎn)。
2)光柵化光柵化的目的是把幾何基元(如三角面片)形轉(zhuǎn)換成很多如對(duì)角方陣般的片元(如圖2所示)。每一個(gè)片元都包含了深度、顏色和紋理坐標(biāo)信息。完成對(duì)體數(shù)據(jù)集的初始化后，體信息將由很多面片疊加繪制而成。每一層面通過(guò)光柵化處理生成大量片元。例如，如果使用正投影(orthographic projection)，并且每一個(gè)面產(chǎn)生的片元是512×512×512，則整個(gè)數(shù)據(jù)集將生成134，217，728個(gè)片元，這對(duì)體繪制資源來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的數(shù)值。
3)片元處理片元處理的目的是在數(shù)據(jù)集的繪制中把紋理的顏色賦予每一個(gè)片元，由于紋理由離散的紋理單元組成，因此，將紋理映像到片元時(shí)必須要進(jìn)行額外處理，例如插值處理。此外，當(dāng)紋理單元的邊界落在片元的邊界上時(shí)，就要對(duì)用到的紋理做加權(quán)處理。由于上述的計(jì)算，紋理映射的計(jì)算量是非常多的。
一般靜態(tài)三維體繪制的基本原理是通過(guò)累積一疊紋理面片上的體像素值以將圖像繪制在二維屏幕上。它的好處包括易于實(shí)施及易于與現(xiàn)有的圖形管道技術(shù)融合。以O(shè)penGL的三維紋理處理內(nèi)核作為例子，用戶(hù)只須從信息中初始化體紋理并初始化疊面片頂點(diǎn)，其余的工作均可交由OpenGL的繪制流水線(xiàn)去處理。
圖3簡(jiǎn)述了一般靜態(tài)三維體繪制系統(tǒng)10的工作流程。它包括將體數(shù)據(jù)100分成體頂點(diǎn)信息102及體紋理信息104，在頂點(diǎn)處理器106中處理體頂點(diǎn)信息從而獲得頂點(diǎn)變換107，然后在基元匯編處理器108處理頂點(diǎn)變換107從而進(jìn)行基元匯編109。運(yùn)用光柵及插值處理器110對(duì)基元匯編109進(jìn)行光柵化111，然后將結(jié)果與體紋理信息104在片元處理器112中合并處理。最后片元在幀緩沖器116中拼合出紋理輸出118。這方法的缺點(diǎn)是需要將從體像素中導(dǎo)出的大量無(wú)可視用途的信息傳送至繪制流水線(xiàn)從而導(dǎo)致了硬件資源使用的低效率。
為了保證數(shù)據(jù)集的完整性，靜態(tài)數(shù)據(jù)一般給以保留。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)集每一層的圖像進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)至少有10％以上的靜態(tài)無(wú)可視用途的信息。此外，在繪制中對(duì)數(shù)據(jù)集的閾值操作或其它像素操作，也會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)無(wú)可視用途的信息。一般來(lái)說(shuō)，這些無(wú)可視用途信息的特征是其在繪制時(shí)透明度(Alpha)為零，即全透明。因此，保留這些無(wú)可視用途信息的像素會(huì)大大降低繪制性能。
對(duì)整體而言，由于數(shù)據(jù)集的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)平移，層與層之間的遮擋效應(yīng)與可見(jiàn)面之間的關(guān)系，會(huì)產(chǎn)生大量的動(dòng)態(tài)無(wú)可視用途的信息。對(duì)于動(dòng)態(tài)無(wú)可視用途的信息而言，其特征是在數(shù)據(jù)集實(shí)時(shí)繪制時(shí)它們是不可見(jiàn)的。通常的解決方法是在靜態(tài)的數(shù)據(jù)集旋轉(zhuǎn)平移時(shí)人為的降低數(shù)據(jù)集繪制的層數(shù)，以保證能順利的旋轉(zhuǎn)平移數(shù)據(jù)集，但卻影響了數(shù)據(jù)集的處理性能。
其中一個(gè)降低體繪制效能的主要原因是面片在光柵化階段產(chǎn)生了大量的片元，每一個(gè)片元需要映像紋理與很多復(fù)雜的計(jì)算，從而消耗了大量的硬件資源。所以既要性能好并有更好細(xì)節(jié)還要能繪制更大的體數(shù)據(jù)，這對(duì)用于傳統(tǒng)消費(fèi)級(jí)個(gè)人計(jì)算機(jī)的靜態(tài)數(shù)據(jù)集繪制而言是非常困難的。
因此，需要有一種可用于傳統(tǒng)消費(fèi)級(jí)個(gè)人計(jì)算機(jī)的靜態(tài)數(shù)據(jù)集繪制方法及系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，它提供了一種用于個(gè)人計(jì)算機(jī)平臺(tái)的交互式體繪制計(jì)算機(jī)方法及系統(tǒng)。通過(guò)新提出的硬件加速方格過(guò)濾法，能有效地優(yōu)化圖形處理資源的應(yīng)用。本方法是基于三維軸對(duì)齊面片。通過(guò)選擇性地傳送體像素/片元方格，片元處理的負(fù)擔(dān)可通過(guò)一個(gè)過(guò)濾過(guò)程得以降低。
根據(jù)本發(fā)明，整個(gè)體繪制重建包括以下幾個(gè)步驟對(duì)面片進(jìn)行處理以清除噪聲信息；從所述經(jīng)過(guò)處理的面片重組三維紋理映像；通過(guò)頂點(diǎn)處理器進(jìn)行相關(guān)變換；將面片分割成方格網(wǎng)，每個(gè)方格均包含相關(guān)深度及紋理坐標(biāo)信息；進(jìn)行一個(gè)兩階段式繪制過(guò)程來(lái)處理方格，所述兩階段包括虛擬繪制階段及主繪制階段；以及通過(guò)片元處理器投影經(jīng)過(guò)紋理化的方格從而繪制出最后圖像。方格過(guò)濾分成靜態(tài)方格過(guò)濾及動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾。靜態(tài)方格過(guò)濾通過(guò)處理傳遞至光柵過(guò)程的靜態(tài)無(wú)可視用途信息來(lái)減少信息。動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾則處理被阻擋的方格。方格過(guò)濾使用常規(guī)計(jì)算機(jī)圖像處理器的頂點(diǎn)著色器及像素著色器，這些著色器是圖像流水線(xiàn)中的可編程的點(diǎn)，包括頂點(diǎn)處理和片元處理。該方法可以以多線(xiàn)程及多圖像處理器的方式進(jìn)行。
本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)參照附圖詳細(xì)說(shuō)明下面幾個(gè)實(shí)例將會(huì)更加清楚。
附圖簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1A及1B是表示現(xiàn)有技術(shù)的兩種不同的三維紋理映射實(shí)施方法的圖解圖；圖2是表示現(xiàn)有技術(shù)的光柵化方陣的框圖；圖3是表示現(xiàn)有技術(shù)的靜態(tài)體繪制流水線(xiàn)的流程圖；圖4A是表示本發(fā)明繪制流水線(xiàn)的流程圖；圖4B是表示本發(fā)明操作系統(tǒng)的流程圖；圖4C是詳細(xì)表示本發(fā)明圖像處理引擎的流程圖；圖5是表示整體體繪制流水線(xiàn)過(guò)程的流程圖；圖6是表示本發(fā)明實(shí)施的流程圖；圖7是表示軸對(duì)齊分組的分割與細(xì)分的圖解圖；圖8是表示虛擬體繪制的流程圖；圖9是表示項(xiàng)目緩沖繪制的圖解圖；圖10是表示虛擬繪制不同成分的圖解圖；
圖11A及11B是表示主繪制及虛擬繪制的圖解圖；圖12是表示主繪制的流程圖；圖13是表示方格削減過(guò)程的圖解圖；圖14是表示靜態(tài)方格過(guò)濾的成果圖解圖；圖15A及15B是表示犁溝效果的圖解圖；圖16是表示方格掩蔽過(guò)程的圖解圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，可以通過(guò)選擇性地傳送體像素/片元方格到不同的處理器以降低繪制流水線(xiàn)中片元處理的負(fù)擔(dān)。本發(fā)明的方法以方格式片元取代分離式的片元批量處理，這種選擇性片元處理稱(chēng)之為方格片元過(guò)濾法。
圖4A示出了一個(gè)基于本發(fā)明的體繪制流水線(xiàn)的流程圖20，從該圖中可以明顯看出本發(fā)明與常規(guī)的工作流程10(圖3)的區(qū)別。采用這種流程的目的是為了減少被傳送到頂點(diǎn)處理器106及片元處理器113的片元數(shù)量。如圖4A所示，體數(shù)據(jù)集100被分成體頂點(diǎn)成分102、體紋理成分104及動(dòng)態(tài)體紋理成分105。體頂點(diǎn)102轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)頂點(diǎn)103，其結(jié)果將與動(dòng)態(tài)體紋理成分105一同被傳送至頂點(diǎn)處理器106。改良過(guò)的片元處理器113接收經(jīng)光柵化及插值處理后的信息110。動(dòng)態(tài)體紋理105及原始體紋理104再一起輸入至片元處理器113。如前所述，本發(fā)明所提出的方法及操作系統(tǒng)除了能提升繪制效率，還能有效地解決硬件存儲(chǔ)上限的問(wèn)題。本方法的目的在于減少對(duì)不可見(jiàn)片元的處理。因此，本發(fā)明提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的體繪制。此外，本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于多個(gè)圖形處理器中。根據(jù)在個(gè)人計(jì)算機(jī)中擁有的圖形處理器數(shù)目，多個(gè)線(xiàn)程可以被分配至這些圖形處理器中進(jìn)行對(duì)體數(shù)據(jù)集的繪制。本發(fā)明的片元過(guò)濾令在傳統(tǒng)消費(fèi)級(jí)個(gè)人計(jì)算機(jī)上繪制大型數(shù)據(jù)集變得可能。
圖4B是概括本發(fā)明操作系統(tǒng)的框圖。本系統(tǒng)建立于常規(guī)個(gè)人計(jì)算機(jī)30之上，該系統(tǒng)包括顯示器31、中央處理器32、系統(tǒng)內(nèi)存120、置于主槽123并連接紋理內(nèi)存121的主圖形處理器122、多個(gè)外置于副槽34，36，38并連接主槽123及紋理內(nèi)存226，228，230的圖形處理器126，128，130、大容量存儲(chǔ)器40、用于讀取一疊紋理面片至系統(tǒng)內(nèi)存120以作預(yù)處理的面片讀取器42、以及用戶(hù)接口44，該用戶(hù)接口44用于接收用戶(hù)控制，如位移、旋轉(zhuǎn)、放大縮小及設(shè)定體數(shù)據(jù)集剪取面。
圖4C是概括本發(fā)明的圖像處理引擎46的方塊流程圖。圖像處理引擎46是附加于個(gè)人計(jì)算機(jī)并用于大量數(shù)據(jù)集交互式體繪制的工具，處理后的圖像最終會(huì)被傳送至個(gè)人計(jì)算機(jī)30的顯示器31。該個(gè)人計(jì)算機(jī)30配備有多個(gè)圖形處理器122，126，128，130。圖像處理引擎46包括用于移除原始面片噪音信息的預(yù)處理器50、用于將體數(shù)據(jù)(由二維面片組成)重組成三維紋理圖像的體數(shù)據(jù)重組器52、用于把三維紋理圖像分成三個(gè)軸對(duì)齊紋理面片疊的分割器54、用于把圖像紋理長(zhǎng)寬調(diào)整至二乘冪的大小調(diào)整器56、用于將二維面片細(xì)分為較細(xì)方格網(wǎng)的細(xì)分器58、用于接收及響應(yīng)對(duì)體數(shù)據(jù)顯示的交互式輸入的用戶(hù)接口44、用于實(shí)施變換(至少包括位移、旋轉(zhuǎn)或大小調(diào)整)的處理引擎60以及用于對(duì)方格執(zhí)行兩階段式繪制處理的繪制引擎62。本發(fā)明的繪制處理包括一個(gè)運(yùn)算與視圖相關(guān)的(view-dependent)無(wú)可視用途方格的虛擬繪制階段以及一個(gè)過(guò)濾方格的主繪制階段。本發(fā)明的方格片元過(guò)濾器64用以將處理后的方格轉(zhuǎn)化成最后可視圖像。
A.基本前提本發(fā)明主要基于兩個(gè)前提。第一個(gè)基本前提是常規(guī)體繪制的處理傾向于浪費(fèi)大量片元。因此，本發(fā)明提出了一個(gè)自定的體繪制流水線(xiàn)用以濾除不必要的片元。第二個(gè)基本前提是利用多個(gè)圖像處理器能提供一個(gè)更有效的體繪制過(guò)程?；诒景l(fā)明，體繪制的不同階段通過(guò)一個(gè)多線(xiàn)程策略分配給多個(gè)圖像處理器。
B.自定體繪制流水線(xiàn)根據(jù)本發(fā)明所述，它提供了一種利用一般計(jì)算機(jī)硬件加速方格過(guò)濾法并用于大型數(shù)據(jù)交互式體繪制的系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)方案。該方案是基于三維紋理軸對(duì)齊面片繪制。本發(fā)明的體繪制過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟為面片作噪聲信號(hào)清除處理；從面片重組三維紋理映像；通過(guò)頂點(diǎn)處理器進(jìn)行相關(guān)變換；將面片細(xì)分成方格網(wǎng)，每個(gè)方格均包含相關(guān)的深度及紋理坐標(biāo)信息；通過(guò)兩階段的繪制過(guò)程來(lái)處理方格，這兩個(gè)階段包括虛擬繪制階段和主繪制階段；每個(gè)面片細(xì)分成包含對(duì)應(yīng)深度及紋理坐標(biāo)數(shù)據(jù)的方格片元，通過(guò)片元處理器繪制最后圖像。
圖5示出了繪制程序的概況。如圖5所示，其中含有一個(gè)主繪制階段A及一個(gè)虛擬繪制階段B，這兩個(gè)階段以不同的線(xiàn)程執(zhí)行。虛擬繪制階段B的目的是通過(guò)一個(gè)改良過(guò)的項(xiàng)目緩沖繪制來(lái)計(jì)算可視性信息?？梢曅孕畔⒅冈谒龈牧歼^(guò)的項(xiàng)目緩沖中所繪制的項(xiàng)，即虛擬繪制項(xiàng)目緩沖。而主繪制階段A則使用這些可視性數(shù)據(jù)對(duì)方格進(jìn)行過(guò)濾并繪制最終圖像。在主繪制階段A中，個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存120提供信息至方格過(guò)濾及繪制程序C，并將方格過(guò)濾及繪制程序C的輸出存儲(chǔ)在紋理內(nèi)存121中以供圖形處理器122使用。在虛擬繪制階段B中，系統(tǒng)內(nèi)存120提供信息至項(xiàng)目緩沖繪制程序D，項(xiàng)目緩沖繪制程序D的輸出被送到用于支持圖形處理器126，128，130等的紋理內(nèi)存226，228，230。
根據(jù)圖6，主繪制階段A的方格過(guò)濾進(jìn)一步分成兩個(gè)階段靜態(tài)方格過(guò)濾E及動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾F。靜態(tài)方格過(guò)濾E負(fù)責(zé)確定每個(gè)紋理面片(方格網(wǎng))中的所有無(wú)可視用途的信息。動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾F負(fù)責(zé)選取因被阻擋而產(chǎn)生的無(wú)可視用途的信息，而阻擋的詳情是從虛擬繪制階段B中運(yùn)算出來(lái)的。本方法使用了個(gè)人計(jì)算機(jī)的典型圖形處理器的頂點(diǎn)著色器及像素著色器特點(diǎn)，圖像硬件在虛擬繪制中被用來(lái)過(guò)濾所有無(wú)可視用途方格。圖6表示下列步驟的流程。經(jīng)過(guò)預(yù)處理(步驟H)(包括軸對(duì)齊疊的產(chǎn)生I以及方格細(xì)分J)后，靜態(tài)方格過(guò)濾E及項(xiàng)目緩沖繪制B將被并行地執(zhí)行。與此同時(shí)，項(xiàng)目緩沖繪制B亦被分配成多個(gè)同時(shí)執(zhí)行的工作(這只是個(gè)別例子)，而每個(gè)工作以單獨(dú)線(xiàn)程被分配至不同的圖像處理器上。
C.體數(shù)據(jù)處理本發(fā)明的任務(wù)涉及到了體數(shù)據(jù)集的處理過(guò)程，其中每一張面片都被細(xì)分為多個(gè)方格片元。為了方便計(jì)算，每一個(gè)方格的長(zhǎng)寬被設(shè)定為2n×2n，而n為一個(gè)正整數(shù)。每個(gè)方格(圖7中的元素338或340或342)都被附上一個(gè)索引以便將來(lái)參考之用。每個(gè)方格的頂點(diǎn)坐標(biāo)及相對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)也被儲(chǔ)存起來(lái)。為了保持面片與方格之間尺寸的一致性(圖14)，假設(shè)a，b，c為三個(gè)正整數(shù)，x-軸對(duì)齊的面片將被調(diào)整為2b×2c，y-軸對(duì)齊的面片將被調(diào)整為2a×2c，z-軸對(duì)齊的面片將被調(diào)整為2a×2b。設(shè)定方格尺寸的n符合比例k∶n，其中k是一個(gè)整數(shù)，且k取a、b、c的最小值(k＝min(a，b，c))。圖14描述了片元怎樣被調(diào)整。例如，假設(shè)原始數(shù)據(jù)集的大小是120×120×60，通過(guò)為x-軸設(shè)定a＝7，為y-軸設(shè)定b＝7，為z-軸設(shè)定c＝6(在圖14中未標(biāo)注)，那么該數(shù)據(jù)集的大小被調(diào)整為128×128×64。在這個(gè)例子中，k等于5，而n可以被設(shè)置為5或小于5的正整數(shù)。面片對(duì)方格的比例是根據(jù)硬件資源而改變的，這一點(diǎn)將在完整地描述整個(gè)程序之后再作討論。
圖7描述了三疊軸對(duì)齊面片是如何制造出來(lái)的(程序K)。對(duì)于每一個(gè)特定的數(shù)據(jù)集而言，整個(gè)處理只在繪制前執(zhí)行一次，所以并不會(huì)影響實(shí)時(shí)繪制的效能。不過(guò)，方格的大小會(huì)影響后續(xù)的方格過(guò)濾。每個(gè)方格頂點(diǎn)坐標(biāo)及紋理坐標(biāo)都被記錄下來(lái)(以三維方格330代表)。因?yàn)轶w繪制是基于三維紋理映像軸對(duì)齊面片，所以需分別產(chǎn)生三個(gè)軸對(duì)齊面片疊332，334，336。如之前所提及的那樣，各邊緣的長(zhǎng)寬都被設(shè)定為二的乘冪數(shù)。一個(gè)三維紋理映像由原始的面片重組而成，此紋理映像被視為體像素的三維數(shù)組。利用三維紋理映像，其余兩個(gè)疊可以通過(guò)體像素線(xiàn)性插值法產(chǎn)生。因此，三個(gè)面片疊被單獨(dú)地分為多個(gè)方格，即最終的三組獨(dú)立的方格疊338，340，342。
D.虛擬體繪制階段虛擬體繪制階段(程序L)在最后繪制之前執(zhí)行。此階段的目的是為了預(yù)先運(yùn)算出可視性數(shù)據(jù)，以使片元處理器利用這些數(shù)據(jù)過(guò)濾不可見(jiàn)(無(wú)可視用途)的方格片元。這階段可在單獨(dú)的線(xiàn)程中執(zhí)行，但它與主繪制線(xiàn)程共享同一內(nèi)存。
依據(jù)圖8，在繪制每一個(gè)幀之時(shí)，根據(jù)體數(shù)據(jù)330的當(dāng)前相對(duì)位移及旋轉(zhuǎn)狀況，從三個(gè)軸對(duì)齊面片疊(圖7中的332，334，336)中決定選取其一，然后選擇頂點(diǎn)緩沖器442，并把頂點(diǎn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于數(shù)組中。如有任何軸對(duì)齊或不規(guī)則式剪取面存在，它們也在繪制流水線(xiàn)中被設(shè)定，而融合后的紋理就好像常規(guī)繪制一樣被描繪在一個(gè)虛擬屏幕上。該虛擬屏幕上被繪制的項(xiàng)目代表了本幀的所有可視方格。
本發(fā)明提出了一個(gè)經(jīng)改良過(guò)的項(xiàng)目緩沖方法，該方法稱(chēng)之為方格緩沖法，它以顏色紋理438的方式來(lái)儲(chǔ)存每個(gè)方格的標(biāo)識(shí)。每個(gè)標(biāo)識(shí)由方格索引計(jì)算，并且包含了面片號(hào)碼以及方格的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)。換句話(huà)說(shuō)，各方格的標(biāo)識(shí)是根據(jù)一個(gè)笛卡兒Cartesian(X，Y，Z)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目由(0，0，0)開(kāi)始。每個(gè)空間標(biāo)識(shí)被指定一個(gè)(R，G，B)項(xiàng)，以用于虛擬繪制。
圖9示出了本發(fā)明的自定方格緩沖方法的概念。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)圖像的應(yīng)用程序接口(API)提供兩種圖像儲(chǔ)存格式的選擇，十六位儲(chǔ)存及三十二位儲(chǔ)存。本發(fā)明以?xún)煞N不同方案處理這兩種圖像儲(chǔ)存格式。方格標(biāo)識(shí)依據(jù)圖像儲(chǔ)存格式分別以十六位或三十二位儲(chǔ)存。儲(chǔ)存格式不同，儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)也不一樣。如果圖像儲(chǔ)存格式為十六位，則所有位都被分配用于保存顏色紋理，其分配方式為5-6-5。如果圖像儲(chǔ)存格式為三十二位，則二十四個(gè)位被分配用于保存顏色紋理，分配方式為8-8-8，余下的八個(gè)位則被用于儲(chǔ)存虛亮度。
圖10示出了三個(gè)虛擬繪制的組成部分顏色紋理438，透明度紋理440(如有)及頂點(diǎn)緩沖442。
圖11A及11B示出了一個(gè)虛擬繪制階段執(zhí)行的例子。圖11A表示一個(gè)真正繪制的例子，而圖11B則表示相對(duì)應(yīng)的虛擬繪制。虛擬屏幕緩沖儲(chǔ)存在屏幕上顯示的方格數(shù)據(jù)，而虛擬繪制只在后臺(tái)進(jìn)行，并不需要真正把圖像繪制于屏幕上。換句話(huà)說(shuō)，虛擬屏幕緩沖是永遠(yuǎn)不會(huì)在屏幕上出現(xiàn)。從虛擬緩沖中，把應(yīng)留下的方格的標(biāo)識(shí)拷貝到系統(tǒng)內(nèi)存上。這些方格標(biāo)識(shí)留待主繪制時(shí)使用。
在虛擬繪制階段中，本發(fā)明利用一個(gè)多圖形處理器方案去執(zhí)行，當(dāng)中使用了多個(gè)頂點(diǎn)著色器及片元著色器去并行地獲取可視性數(shù)據(jù)。更準(zhǔn)確說(shuō)，個(gè)人計(jì)算機(jī)中的多個(gè)副圖像槽被用作并行運(yùn)算之用。副圖像槽的數(shù)目決定了共有多少個(gè)圖形處理器可用作虛擬繪制。假設(shè)有“p”個(gè)副圖像槽，每疊方格網(wǎng)將被分成“p”份。每一份方格網(wǎng)疊被設(shè)定只在單獨(dú)的虛擬屏幕繪制。當(dāng)所有面片的虛擬繪制完成后，各份的可視性數(shù)據(jù)將被融合來(lái)，相對(duì)應(yīng)的方格標(biāo)識(shí)也被拷貝至系統(tǒng)內(nèi)存中以作動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾之用。
E.主干體繪制階段主干體繪制階段負(fù)責(zé)過(guò)濾無(wú)可視用途的方格以及繪制最后圖像。方格過(guò)濾包括兩個(gè)步驟靜態(tài)方格過(guò)濾，它負(fù)責(zé)過(guò)濾視圖無(wú)關(guān)(view-independent)無(wú)可視用途方格；及動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾，它負(fù)責(zé)過(guò)濾視圖相關(guān)(view-dependent)無(wú)可視用途方格。
圖12中示出了信息由體數(shù)據(jù)330到頂點(diǎn)緩沖(vertex buffer)232再到RGBA紋理234的可視性計(jì)算流程，所有結(jié)果都儲(chǔ)存于系統(tǒng)內(nèi)存120并轉(zhuǎn)送至圖形處理器(GPU)122。
1)靜態(tài)方格過(guò)濾數(shù)據(jù)集一般以二維圖像圖或三維體像素儲(chǔ)存。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，通常需要保存數(shù)據(jù)集中的靜態(tài)無(wú)可視用途信息。如圖13所示，面片252內(nèi)的灰色部分250的信息僅被保存用于保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。還有實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)集的過(guò)程中閾值或者其它操作使體信息在顯示中為全透明的區(qū)域。圖13中，面片256的內(nèi)圍灰色區(qū)域254代表了在對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行閾值操作后產(chǎn)生的無(wú)可視用途信息區(qū)域。這些無(wú)可視用途的信息區(qū)域通過(guò)面片在圖像流水線(xiàn)的光柵化部分中的處理而產(chǎn)生大量無(wú)可視用途的片元，由于這些信息會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)可視用途方格，并因而令片元處理器負(fù)荷過(guò)大，在傳送訊號(hào)到頂點(diǎn)處理器262之前，所有這類(lèi)訊號(hào)先被過(guò)濾掉以產(chǎn)生最終的頂點(diǎn)成分260。
參照?qǐng)D14，為了過(guò)濾無(wú)可視用途信息，首先從原始圖像中分辨出需要被移除的信息的RGBA形式的顏色項(xiàng)目記錄。這些顏色項(xiàng)目組成一個(gè)過(guò)濾集。此過(guò)濾集能包括多于一個(gè)顏色項(xiàng)目。對(duì)每一疊面片，方格261依據(jù)上述過(guò)濾集被過(guò)濾。如果一個(gè)方格內(nèi)只包含該過(guò)濾集的顏色項(xiàng)目，則該方格即被設(shè)定為“可被過(guò)濾”方格。這個(gè)過(guò)濾程序需要于三個(gè)軸對(duì)齊方格網(wǎng)各自執(zhí)行。舉例說(shuō)，如一張?jiān)济嫫缺徽{(diào)整大小及被細(xì)分為64個(gè)方格。假設(shè)過(guò)濾集用以過(guò)濾所有黑色項(xiàng)目，則一些外圍黑色方格將會(huì)被設(shè)定為“可被過(guò)濾”方格。
一旦方格片元被過(guò)濾之后，余下的方格被稱(chēng)為靜態(tài)濾清方格(statically filtrated blocks)270。各個(gè)方格的索引將被記錄于一個(gè)列表中，列表以頂點(diǎn)數(shù)組的格式儲(chǔ)存。頂點(diǎn)坐標(biāo)及紋理坐標(biāo)也存于頂點(diǎn)數(shù)組中。
對(duì)于同一個(gè)面片上的方格，如它們是獨(dú)立繪制的，則在每一個(gè)方格的邊緣會(huì)出現(xiàn)一種犁溝現(xiàn)象(gutter-pattern effect)。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象是因?yàn)閮蓚€(gè)相鄰的方格會(huì)被投映到同一個(gè)像素中。為解決這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明利用了圖像卡的硬件加速特性。紋理擴(kuò)散(Texture clamping)被用來(lái)編輯來(lái)自同一個(gè)紋理面片的一個(gè)特定的方格集。利用這種方法，最后的屏幕圖像將會(huì)無(wú)犁溝現(xiàn)象。
2)動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾在一個(gè)動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾步驟中，將會(huì)過(guò)濾任何因進(jìn)行了平移、旋轉(zhuǎn)等操作而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)不可見(jiàn)方格。動(dòng)態(tài)的無(wú)可視用途信息區(qū)域是由于交互式顯示中因遮擋而產(chǎn)生的不可見(jiàn)區(qū)域。更準(zhǔn)確說(shuō)，這些信息是處于用者設(shè)定的剪取面(clip-plane)或面片之間的遮擋區(qū)域。這部分的信息在常規(guī)靜態(tài)數(shù)據(jù)集繪制流水線(xiàn)中是不可以去掉的，因?yàn)檫@部分信息在深度測(cè)試中起到重要的作用。而這部分信息在動(dòng)態(tài)片元過(guò)濾實(shí)時(shí)體繪制中變成了無(wú)可視用途的信息。在動(dòng)態(tài)片元過(guò)濾實(shí)時(shí)體繪制中已經(jīng)不需要這些區(qū)域的深度信息了。在圖16中，面片的灰色區(qū)域272代表了被遮擋的部分，其都為無(wú)可視用途信息區(qū)域。而剩余的區(qū)域274沒(méi)有被其它層遮擋，該區(qū)域是待要保留的。這些動(dòng)態(tài)無(wú)可視用途信息將會(huì)利用從虛擬繪制階段所獲得的數(shù)據(jù)加以過(guò)濾。
依據(jù)當(dāng)前體數(shù)據(jù)集的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)平移狀況，選取相對(duì)的軸對(duì)齊面片疊。動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾是基于由靜態(tài)方格過(guò)濾程序過(guò)濾出來(lái)的方格。
在虛擬繪制階段中，可視方格標(biāo)識(shí)被存于中央主存儲(chǔ)器中。這些數(shù)據(jù)被讀取，同時(shí)標(biāo)記應(yīng)被過(guò)濾的方格，余下的方格被留到下一個(gè)步驟。
識(shí)別了靜態(tài)及動(dòng)態(tài)無(wú)可視用途區(qū)域后，方格可被處理。經(jīng)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)過(guò)濾后的方格，被用以繪制最后圖像。每一個(gè)面片，以當(dāng)中方格的深度數(shù)據(jù)作序列。方格最后被光柵化并傳送到片元處理器。
方格大小的選擇是依據(jù)現(xiàn)有的硬件資源。一般來(lái)說(shuō)，較細(xì)小的方格能令過(guò)濾片元的效率更明顯。不過(guò)，細(xì)小的方格卻同時(shí)意味將有更多的方格用于動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾程序中的運(yùn)算。不同的硬件組合有不同的面片對(duì)方格比例。
本發(fā)明還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高素質(zhì)數(shù)據(jù)集交互式繪制系統(tǒng)。這系統(tǒng)包括一個(gè)面片讀取器及一個(gè)交互式繪制器。面片讀取器讀取一疊紋理面片以便預(yù)處理；繪制器實(shí)施硬件加速方格過(guò)濾法以提供交互式大型數(shù)據(jù)集繪制。一個(gè)使用者界面接受使用者控制位移、旋轉(zhuǎn)、大小調(diào)整或加入剪取面。根據(jù)使用者的輸入，系統(tǒng)會(huì)把所有數(shù)據(jù)傳送至繪制器中。
附錄A包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明特征編制的偽代碼用以列出一個(gè)適合用于常規(guī)個(gè)人計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)程序，此計(jì)算機(jī)程序可適用于一個(gè)或多個(gè)圖形處理器上。
本發(fā)明雖作了詳細(xì)說(shuō)明并圖示，但這僅僅是用作為圖解及一個(gè)例子而已，顯然不應(yīng)該被理解為是一種限定，本發(fā)明的精神以及范圍僅由權(quán)利要求書(shū)中的詞句所限定。
附錄A//////////////////*主線(xiàn)程*//////////////////Enter program event loop；/*獲得用戶(hù)輸入*/Grab mouse and keyboard input；if(not quitting program by user)Compute translation，rotation，scaling and plane-clipping based onmouse and keyboard input values；Obtain user-defined threshold operations；Compute transformation matrix of translation，rotation and scaling；/*將數(shù)據(jù)寫(xiě)入CPU緩存*/Lock CPU buffer；Write projection matrix into CPU buffer；Write transformation matrix into CPU buffer；Write clipping plane parameters into CPU buffer；Write threshold operations into CPU buffer；Unlock CPU buffer；Call PREPROCESSING procedure；Run Main Rendering Thread；p＝the number of side graphics slot；Separate the grids of blocks into p sets；Distribute p Virtual Rendering threads into different graphicsprocessing units installed on side slot with different sets of grids；Wait for all Virtual Rendering threads to finish；Merge up all visibility information within the CPU buffer；Wake up Main Rendering Thread to perform dynamic block filtration；elseExit program event loop；end if；
////////////////////////*數(shù)據(jù)預(yù)處理*/////////////////////////*面片讀取*/Read volume data in terms of 2D slices into system memory；/*預(yù)處理(去除噪聲)*/for every slice in original image slicesremove noise from slice；/*重構(gòu)3D紋理映像*/Setup 3D texture mapping parameters；Generate and Load 3D texture map GPU buffer resided in tHe texture memory；/*產(chǎn)生軸對(duì)齊分組*/Lock GPU buffer；Copy 3D texture map from GPU buffer；Unlock GPU buffer；By applying tri-linear interpolation on the 3D texture mapConstruct a stack of X-axis-aligned 3D-textured slices；Construct a stack of Y-axis-aligned 3D-textured slices ；Construct a stack of Z-axis-aligned 3D-textured slices；/*重新調(diào)整面片的大小*/for every slices in the X-axis-aligned stackif(y-dimension of slice is not of power of 2)Enlarge y-dimension to(2 to the power of b)by clamping edge；end if；if(z-dimension of slice is not of power of 2)Enlarge z-dimension to(2 to the power of c)by clamping edge；end if；end for；for every slices in the Y-axis-aligned stackif(x-dimension of slice is not of power of 2)Enlarge x-dimension to(2 to the power of a)by clamping edge；end if；if(z-dimension of slice is not of power of 2)Enlarge z-dimension to(2 to the power of c)by clamping edge；end if；end for；for every slices in the z-axis-aligned stackif(y-dimension of slice is not of power of 2)Enlarge y-dimension to(2 to the power of b)by clamping edge；
end if；if(x-dimension of slice is not of power of 2)Enlarge x-dimension to(2 to the power of a)by clamping edge；end if；end for；/*面片細(xì)分*/select a positive integer n where kn is an integer and k＝min(a，b，c)；for every slices in the X-axis-aligned stackSubdivide slice into b/n times c/n blocks；for every slices in the Y-axis-aligned stackSubdivide slice into a/n times c/n blocks；for every slices in the Z-axis-aligned stackSubdivide slice into a/n times b/n blocks；Label a grid index for every block；Write vertex coordinates，and texture coordinates of blocks in a vertexarray；
///////////////////////////*主繪制線(xiàn)程*////////////////////////////*初始化數(shù)據(jù)*/Read information on grids of blocks；Initialize vertex shader and fragment shader；/*從CPU緩存中取出數(shù)據(jù)*/Lock CPU buffer；Read projection matrix into CPU buffer；Read transformation matrix from CPU buffer；Read clipping plane parameters from CPU buffer；Read any threshold operations from CPU buffer；Read visibility information in terms of visible block IDs from CPU buffer；Unlock CPU buffer；/*靜態(tài)方格過(guò)濾*/if(run first time or with changes in filter set)Setup/modify the filter set according to user-defined thresholdoperations；for each block in in all 3 axis-aligned grids of blocksif(any voxel value within the block not in filter set)set block as statically filtrated；elseset block as to-be-filtered；end if；end for；Write vertex and texture information of filtrated blocks into a 2Dvertex array；endif；Compute deviation of view vector and orientational status；Selecting corresponding axis-aligned stack according to the deviation；Wait for the virtual rendering thread to finish computation；/*動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾*/if(run first time or with transformational changes)From the statically filtrated blocks，filter out non-viewable blocksbased on obtained visible block IDs；Mark up remaining blocks as final filtrate-blocks；endif；Sort filtrate-blocks in back-to-front order；
Write vertex coordinates and texture coordinates of filtrate-blocks intoa vertex array；/*最終繪制*/Set screen background as(0，0，0，0)；Set up transformation matrix；Enable texture mapping in the rendering pipeline；Setup texture mapping parameters in the rendering pipeline；Enable texture clamping in the rendering pipeline；Retrieve vertex array storing filtrated blocksfor each block in the vertex arrayGet vertex coordinates of block；Get texture coordinates of block；Draw square block onto the screen；end for；
//////////////////////////////*虛擬繪制線(xiàn)程*///////////////////////////////*初始化數(shù)據(jù)*/Read information on set of grids；Initialize vertex shader and fragment shader；/*項(xiàng)目緩沖繪制*/Set virtual screen background to(0，0，0，0)；Lock CPU buffer；Read projection matrix into CPU buffer；Read transformation matrix from CPU buffer；Read clipping plane parameters from CPU buffer；Unlock CPU buffer；for every block in grids of blocksSet vertex buffer of block based on vertex coordinates；Set color texture of block based on its grid index byIn one particular voxelif(32-bit color format)R-value＝X index(8-bit)；G-value＝Y(jié) index(8-bit)；B-value＝Z index(8-bit)；A-value＝dummy value(8-bit)；else if(l6-bit color format)R-value＝X index(5-bit)；G-value＝Y(jié) index(6-bit)；B-value＝Z index(5-bit)；end if；end for；Write vertex and texture information into a vertex array；Set up transformation matrix；Compute deviation of view vector and orientational status；Selecting corresponding axis-aligned grids of blocks according to thedeviation；Retrieve vertex array storing blocksfor each block in the vertex arrayGet vertex coordinates of block；Get texture coordinates of block；Draw square block onto the virtual screen；end for；
/*將數(shù)據(jù)寫(xiě)入CPU緩存*/Lock CPU buffer；Write visibility information(in form of visible block IDs)into CPU buffer；Unlock CPU buffer；
權(quán)利要求
1.一種對(duì)大量高質(zhì)量的體數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式體繪制以用于視覺(jué)顯示的系統(tǒng)，包括面片讀取器，其用于為預(yù)處理過(guò)程加載一疊紋理面片；用戶(hù)界面，其接收用戶(hù)控制輸入以對(duì)所述體數(shù)據(jù)進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、大小調(diào)整和指定剪取面；以及繪制子系統(tǒng)，其采用硬件加速方格過(guò)濾法以提供對(duì)大型體數(shù)據(jù)集的交互式繪制。
2.一種圖形處理系統(tǒng)，用于將大量體數(shù)據(jù)交互體繪制成可在個(gè)人計(jì)算機(jī)顯示器上顯示的可視圖像，其中所述計(jì)算機(jī)至少具有一個(gè)圖形處理器，所述系統(tǒng)包括預(yù)處理器，其在將從體像素中導(dǎo)出的無(wú)可視用途信息從面片疊的每個(gè)面片的圖形紋理中移除之前對(duì)每個(gè)所述面片進(jìn)行預(yù)處理；體數(shù)據(jù)重組器，其利用所述二維面片重組出所述體數(shù)據(jù)的三維紋理映像；數(shù)據(jù)分割器，其將所述三維紋理映像分割成三疊二維紋理軸對(duì)齊面片；大小調(diào)整器，其調(diào)整所述圖像紋理的大小，以使其邊緣的尺寸為二的整數(shù)次冪，從而產(chǎn)生二維面片；二維數(shù)據(jù)細(xì)分器，其將每個(gè)所述二維面片細(xì)分為更小的紋理方格；界面，其用于接收和請(qǐng)求對(duì)交互式輸入的響應(yīng)，所述交互式輸入指定了在所述體數(shù)據(jù)上執(zhí)行的圖像顯示的視圖及大??；處理引擎，其用于對(duì)所述紋理方格實(shí)施選定的變換，所述變換至少包括平移、旋轉(zhuǎn)、大小調(diào)整以及面剪取；繪制引擎，其在所述方格上執(zhí)行兩個(gè)階段的繪制過(guò)程，所述兩個(gè)階段包括虛擬繪制階段，其用于篩選出與視圖相關(guān)的無(wú)可視用途的方格信息；以及主繪制階段，其用于獲取經(jīng)過(guò)處理的方格以做進(jìn)一步過(guò)濾；以及基于方格的片元過(guò)濾器，對(duì)所述經(jīng)過(guò)處理的方格進(jìn)行過(guò)濾，從而獲得適合于作為紋理方格顯示的圖像元素并繪制最終圖像。
3.一種用于將大量二維面片疊形式的體數(shù)據(jù)繪制成可在個(gè)人計(jì)算機(jī)顯示器上顯示的可視圖像的交互式體繪制方法，其中所述個(gè)人計(jì)算機(jī)至少具有一個(gè)圖形處理器，所述方法包括利用所述二維面片重新組成所述體數(shù)據(jù)的三維紋理映像；將所述三維紋理映像分割成三疊三維紋理面片；重新調(diào)整所述三維紋理面片的大小，以使所述每個(gè)三維紋理面片的邊緣的尺寸為二的整數(shù)次冪，從而產(chǎn)生經(jīng)過(guò)重新調(diào)整大小的二維面片；將所述經(jīng)過(guò)重新調(diào)整大小的二維面片細(xì)分成多個(gè)方格的網(wǎng)，所述每個(gè)方格均包含相關(guān)的深度及紋理坐標(biāo)信息；根據(jù)指定了所述體數(shù)據(jù)的圖像顯示的視圖及大小的交互式輸入，在所述方格網(wǎng)上執(zhí)行選定的變換，所述變換至少包括平移、旋轉(zhuǎn)、大小調(diào)整以及面剪取，所述交互式面剪取包括以下步驟實(shí)施軸對(duì)齊面剪??；以及實(shí)施任意的面剪取；在所述方格網(wǎng)上執(zhí)行兩個(gè)階段的繪制過(guò)程，所述兩個(gè)階段包括虛擬繪制階段，其用于計(jì)算與視圖相關(guān)的無(wú)可視用途的方格信息；以及主繪制階段，其用于獲取經(jīng)過(guò)處理的方格以做進(jìn)一步過(guò)濾；以及對(duì)所述經(jīng)過(guò)處理的方格進(jìn)行基于方格的片元過(guò)濾，從而產(chǎn)生適合于顯示的圖像元素并繪制最終圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，每個(gè)所述三維紋理面片的尺寸被調(diào)整為二的乘冪，并且對(duì)正整數(shù)a，b和c，所述重新調(diào)整大小的步驟進(jìn)一步包括將每個(gè)x-軸對(duì)齊的面片的尺寸重新調(diào)整為2b×2c；將每個(gè)y-軸對(duì)齊的面片的尺寸重新調(diào)整為2a×2c；以及將每個(gè)z-軸對(duì)齊的面片的尺寸重新調(diào)整為2a×2b。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述細(xì)分步驟包括將所述經(jīng)過(guò)重新調(diào)整大小的二維面片分為包含具有較小紋理的多個(gè)正方格的網(wǎng)，每個(gè)所述方格的尺寸為2n×2n，同時(shí)為每個(gè)所述方格關(guān)聯(lián)一個(gè)網(wǎng)索引，這里n＜a，n＜b，并且n＜c；以及選擇n以符合比例k∶n，這里n是一個(gè)整數(shù)并且k＝min(a，b，c)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括在頂點(diǎn)數(shù)組中儲(chǔ)存以角部的頂點(diǎn)坐標(biāo)及相應(yīng)的所述方格的剪取紋理坐標(biāo)表示的所述網(wǎng)索引的步驟，每個(gè)所述頂點(diǎn)數(shù)組只存儲(chǔ)一個(gè)單獨(dú)的方格的所有信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述虛擬繪制階段包括繪制所述體數(shù)據(jù)以計(jì)算出與視圖相關(guān)的可視性信息，并將所述可視性信息存儲(chǔ)在位于主系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的緩沖器空間中；并且其中所述主繪制階段包括繪制所述最終圖像時(shí)的靜態(tài)方格過(guò)濾和動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾；在所述系統(tǒng)存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存當(dāng)前的繪制狀態(tài)，所述當(dāng)前繪制狀態(tài)至少包括平移、旋轉(zhuǎn)、大小調(diào)整以及面剪??；以及在所述虛擬繪制階段與所述主繪制階段之間共享所述當(dāng)前繪制狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，一個(gè)主繪制線(xiàn)程被分配給一個(gè)主圖像槽，并且至少有一個(gè)虛擬繪制線(xiàn)程被分配給副圖像槽。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述主繪制線(xiàn)程和所述至少一個(gè)虛擬繪制線(xiàn)程被分配在多個(gè)圖形處理器之中。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述虛擬體繪制步驟包括根據(jù)所述體數(shù)據(jù)的當(dāng)前平移和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從所述三組軸對(duì)齊的方格網(wǎng)中選取相關(guān)的一組；提取出存儲(chǔ)在所述頂點(diǎn)數(shù)組中的頂點(diǎn)信息；以顏色紋理方式在所述方格網(wǎng)中儲(chǔ)存每個(gè)所述方格的標(biāo)識(shí)；在繪制過(guò)程中應(yīng)用軸對(duì)齊或用戶(hù)自定義的剪取面；將所述拼合的紋理繪制在一個(gè)虛擬屏幕緩沖中，以計(jì)算任何不可見(jiàn)方格的數(shù)據(jù)，然后再將所述虛擬屏幕緩沖中可見(jiàn)方格的標(biāo)識(shí)傳送到系統(tǒng)內(nèi)存中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述方格標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)包括下列步驟確定用于存儲(chǔ)方格標(biāo)識(shí)的圖像格式；按照位置項(xiàng)目確定每個(gè)方格的空間標(biāo)識(shí)，所述空間標(biāo)識(shí)是從零開(kāi)始遞增的整數(shù)；以及將每個(gè)空間標(biāo)識(shí)映射為一個(gè)顏色值。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述繪制拼合的紋理的步驟是一個(gè)多圖形處理器處理的過(guò)程，在所述過(guò)程中使用了拼合顏色紋理、透明度紋理和頂點(diǎn)緩沖的多個(gè)頂點(diǎn)著色器及片元著色器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述多圖形處理器處理的過(guò)程包括下列步驟根據(jù)副圖像槽的有效數(shù)目將所述方格網(wǎng)分成不同的組；將不同組的面片以虛擬繪制項(xiàng)目緩沖的形式單獨(dú)繪制在虛擬屏幕上；拼合所有可視性信息；以及將所述拼合的可視性信息結(jié)果拷貝至系統(tǒng)內(nèi)存中。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述主繪制階段包括下列步驟進(jìn)行靜態(tài)方格過(guò)濾，以濾除僅包含無(wú)可視用途信息的與視圖無(wú)關(guān)的方格；以及進(jìn)行動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾，以濾除因遮擋而造成的無(wú)可視用途的與視圖相關(guān)的方格。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在所述靜態(tài)方格過(guò)濾步驟中，處理所述三組軸對(duì)齊的方格網(wǎng)內(nèi)的每一個(gè)方格，以減少?gòu)捏w像素中導(dǎo)出的靜態(tài)無(wú)可視用途信息，所述處理步驟包括定義所述無(wú)可視用途信息為一組特定的顏色項(xiàng)目，即一個(gè)過(guò)濾集合；根據(jù)所述過(guò)濾集合，對(duì)所述方格網(wǎng)中的每個(gè)方格進(jìn)行靜態(tài)方格過(guò)濾，從而通過(guò)光柵化濾除無(wú)可視用途信息；以及如果并且僅當(dāng)整個(gè)方格只填充了所述過(guò)濾集合的顏色項(xiàng)目，則將該方格標(biāo)識(shí)為應(yīng)被去除的方格；以及記錄所有剩余的方塊的索引，所述剩余的方塊即為經(jīng)過(guò)靜態(tài)過(guò)濾的方塊。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述靜態(tài)方格過(guò)濾步驟包括分別通過(guò)三個(gè)階段處理所述三組軸對(duì)齊的方格網(wǎng)內(nèi)的每一個(gè)方格。
17.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾步驟包括根據(jù)所述體數(shù)據(jù)的當(dāng)前平移和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從所述三組軸對(duì)齊的方格網(wǎng)中選取相關(guān)的一組；提取所述經(jīng)過(guò)靜態(tài)過(guò)濾的方格的頂點(diǎn)信息；讀取可視性信息和當(dāng)前投影矩陣；利用所述可視性信息確定過(guò)濾的方格；將所述過(guò)濾的方格的頂點(diǎn)緩沖轉(zhuǎn)送至頂點(diǎn)處理器以進(jìn)行光柵化處理，并將經(jīng)過(guò)處理的紋理坐標(biāo)轉(zhuǎn)送至片元處理器中；以及根據(jù)所述頂點(diǎn)緩沖及所述三維紋理映像繪制出最終圖像。
18.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾步驟包括使用通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)存中的可視性信息確定的過(guò)濾的方格；對(duì)所述過(guò)濾的方格按照深度信息進(jìn)行排序，以得到排序后的過(guò)濾的方格；按照從后向前的順序繪制排序后的過(guò)濾的方格。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在常規(guī)計(jì)算機(jī)上對(duì)大型體數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式體繪制的計(jì)算機(jī)方法和系統(tǒng)，該方法采用了使用三維紋理映射軸對(duì)齊面片和方格過(guò)濾的硬件加速方塊過(guò)濾優(yōu)化。通過(guò)選擇性地傳送體像素/片元方格，片元處理的負(fù)擔(dān)可通過(guò)一個(gè)過(guò)濾過(guò)程得以降低。處理過(guò)程涉及到產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的圖像紋理并執(zhí)行兩個(gè)階段的繪制，即虛擬繪制階段和主繪制階段。方格過(guò)濾分成靜態(tài)方格過(guò)濾和動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾。靜態(tài)方格過(guò)濾找出傳遞給光柵化流水線(xiàn)的任何與視圖無(wú)關(guān)的無(wú)可視用途信息。動(dòng)態(tài)方格過(guò)濾確定因阻擋而產(chǎn)生的任何與視圖有關(guān)的無(wú)可視用途信息。方格過(guò)濾使用常規(guī)計(jì)算機(jī)圖像處理器的頂點(diǎn)著色器及像素著色器。該方法可以以多線(xiàn)程及多圖像處理器的方式進(jìn)行。
文檔編號(hào)G06T15/40GK1691069SQ200410086020
公開(kāi)日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月20日
發(fā)明者王平安, 謝永明, 黃田津, 徐嚴(yán)濱 申請(qǐng)人:香港中文大學(xué)