摘抄“GPU Programming And Cg Language Primer 1rd Edition” 中文 名“GPU編程與CG語言之陽春白雪下里巴人”
算法流程
圖 47 展示了使用光線投射算法進行體繪製的實現流程。
首先要渲染出正向面深度圖和背向面深度圖，這是爲了計算射線穿越的最大距離，做爲循環採樣控制的結束依據；然後在頂點着色程序中計算頂點位置和射線方向，射線方向由視線方向和點的世界座標決定，其實射線方向也可以放在片段着色程序中進行計算。然後到了最關鍵的地方，就是循環紋理採樣、合成。
每一次循環都要計算新的採樣紋理座標和採樣距離，然後進行顏色合成和透明度累加，如果採樣距離超過了最大穿越距離，或者透明度累加到 1 ，則循環結束。將合成得到的顏色值輸出即可。
圖 48 給出了使用光線投射算法進行體繪製的效果圖：
15.4 光線投射算法實現
本節給出光線投射算法的着色程序實現代碼。依然是分爲三個部分：結構體、頂點着色程序和片段着色程序。
代碼 22 光線投射算法結構體
struct VertexIn
{
float4 position : POSITION;
float4 texCoord: TEXCOORD;
};
struct VertexScreen
{
float4 position : POSITION;
float4 worldPos : TEXCOORD0;
float4 projPos : TEXCOORD1;
float4 texCoord : TEXCOORD2;
};
代碼 23 光線投射算法頂點着色程序
VertexScreen main_v(VertexIn posIn,
uniform float4x4 world,
uniform float4x4 worldViewProj,
uniform float4x4 texViewProj)
{
VertexScreen posOut;
posOut.position = mul(worldViewProj, posIn.position);
posOut.worldPos = mul(world,posIn.position);
posOut.projPos = mul(texViewProj, posOut.worldPos);
posOut.texCoord = posIn.texCoord;
return posOut;
}
代碼 24 光線投射算法片段着色程序
void main_f(VertexScreen posIn,
uniform float3 eyePosition,
uniform sampler3D volumeTex: register(s0),
uniform sampler2D frontDepthTex: register(s1) ,
uniform sampler2D backDepthTex: register(s2) ,
out float4 result : COLOR)
{
// 根據視點和當前頂點世界座標計算方向
float3 dir = posIn.worldPos.xyz-eyePosition;
dir = normalize(dir);
float3 deltaDir = float3(0.0, 0.0, 0.0);
// 獲取當前頂點的三維紋理座標
float3 tex = posIn.texCoord.xyz;
float2 uvDelta;
uvDelta.x = 0.0;//ddx( tex ).x;
uvDelta.y = 0.0;//ddy( tex ).y;
// 取出深度間隔值 , 並設置採樣間隔
float2 uv= posIn.projPos.xy/posIn.projPos.w;
float frontDis = tex2D(frontDepthTex,uv).x;
float backDis = tex2D(backDepthTex,uv).x;
float len = backDis-frontDis;
// 初始化顏色值、採樣值、透明度
float3 norm_dir = normalize(dir);
float stepsize = 0.01;
float delta = stepsize;
float3 delta_dir = norm_dir * delta;
float delta_dir_len = length(delta_dir);
float3 vec = posIn.texCoord.xyz;
float4 col_acc = float4(0,0,0,0);
float alpha_acc = 0;
float length_acc = 0;
float4 color_sample;
float alpha_sample;
for(int i = 0; i < 800; i++){
color_sample = tex3D(volumeTex,vec);
alpha_sample = color_sample.a * stepsize;
col_acc += (1.0 - alpha_acc) * color_sample * alpha_sample * 3;
alpha_acc += alpha_sample;
vec += delta_dir;
length_acc += delta_dir_len;
if(length_acc >= len || alpha_acc > 1.0) break; // 採樣循環控制條件
}
result.xyz = col_acc.xyz*2.0+float3(0.2,0.2,0.2);
result.w = col_acc.w;
}
15.5 本章小結
本書的第14 、15 章闡述了體繪製中光線投射算法的基本原理和實現流程。實際上，在此基礎上可以對光線投射算法加以擴展，例如將光線投射算法和陰影繪製算法相結合，可以渲染出真實感更強的圖像。
此外，有些體數據是中間是空的，在射線方向上進行採樣時需要跳過空區域，這其中也需要額外的算法處理，在英文中稱爲“Object-Order Empty Space Skipping ”。
目前我所發現關於體繪製以及光線投射算法最好的教材是Markus Hadwiger 等人所寫的“Advanced Illumination Techniques for GPU-Based Volume Raycasting ”。此書發表在SIGGRAPH ASIA2008 上，是目前所能找到最新也是非常權威的教材，共166 頁。英文閱讀能力比較好的同學可以嘗試着看一下。
本章已經是此書的最後一章，最後希望中國的計算機科學可以真正上升到科學研究的層次，而不是一直在混沌中熱衷做泥瓦匠的工作。