之前完成了利用OpenGL实现GPU体渲染的实验，现在把完成的工作做一个总结。
本实验demo的完成主要参考了《OpenGL – Build high performance graphics》这本书的体渲染部分和其中的代码，也参考了体绘制光线投射算法这篇博客。关于体渲染的ray-casting光线投射算法原理这里不再介绍，本文主要讲述实现过程。
以下是具体实现过程：
一、三维体数据手动生成并传入三维纹理
1.1三维体数据生成
之前完成了利用OpenGL实现GPU体渲染的实验，现在把完成的工作做一个总结。
本实验demo的完成主要参考了《OpenGL – Build high performance graphics》这本书的体渲染部分和其中的代码，也参考了体绘制光线投射算法这篇博客。关于体渲染的ray-casting光线投射算法原理这里不再介绍，本文主要讲述实现过程。
以下是具体实现过程：
体数据可视化如图所示，产生体数据的代码如下：
int Dim[3] = { 200,200,200 };//体数据维度大小 int* Data = (int*)malloc(sizeof(int) * Dim[0] * Dim[1] * Dim[2]); GLubyte CData[200][200][200][4];//存储颜色和不透明度 glm::vec4 smallCubeC = glm::vec4(1.0, 1.0, 0.0, 1.0);//小立方体颜色 glm::vec4 middleSphereC = glm::vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);//中间球体颜色 glm::vec4 largeCubeC = glm::vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);//大立方体颜色 float smallCubeD = 0.05;//小立方体不透明度 float middleSphereD = 0.015;//中间球体不透明度 float largeCubeD = 0.018;//大立方体不透明度 void GenCube(int x, int y, int z, int side, int density, int* Data, int* Dim) { int max_x = x + side, max_y = y + side, max_z = z + side; int Dimxy = Dim[0] * Dim[1]; for (int k = z; k < max_z; k++) { for (int j = y; j < max_y; j++) { for (int i = x; i < max_x; i++) { Data[k * Dimxy + j * Dim[0] + i] = density; } } } } void GenSphere(int x, int y, int z, int radius, int density, int* Data, int* Dim) { int radius2 = radius * radius; int Dimxy = Dim[0] * Dim[1]; for (int k = 0; k < Dim[2]; k++) { for (int j = 0; j < Dim[1]; j++) { for (int i = 0; i < Dim[0]; i++) { if ((i - x) * (i - x) + (j - y) * (j - y) + (k - z) * (k - z) <= radius2) { Data[k * Dimxy + j * Dim[0] + i] = density; } } } } } void Classify(GLubyte CData[200][200][200][4], int* Data, int* Dim)//按照所在位置为每个体数据点赋值，颜色和不透明度 { int* LinePS = Data; for (int k = 0; k < Dim[2]; k++) { for (int j = 0; j < Dim[1]; j++) { for (int i = 0; i < Dim[0]; i++) { if (LinePS[0] <= 100) { //白色 CData[i][j][k][0] = 255.0 * largeCubeC[0]; CData[i][j][k][1] = 255.0 * largeCubeC[1]; CData[i][j][k][2] = 255.0 * largeCubeC[2]; CData[i][j][k][3] = largeCubeD*255.0; } else if (LinePS[0] <= 200) { //红色 CData[i][j][k][0] = 255.0 * middleSphereC[0]; CData[i][j][k][1] = 255.0 * middleSphereC[1]; CData[i][j][k][2] = 255.0 * middleSphereC[2]; CData[i][j][k][3] = middleSphereD*255.0; } else { //黄色 CData[i][j][k][0] = 255.0 * smallCubeC[0]; CData[i][j][k][1] = 255.0 * smallCubeC[1]; CData[i][j][k][2] = 255.0 * smallCubeC[2]; CData[i][j][k][3] = smallCubeD*255.0; } LinePS++; } } } //return CDdata[200][200][200][4]; } void GenerateVolume(int* Data, int* Dim) { GenCube(0, 0, 0, 200, 100, Data, Dim);//大正方体 GenSphere(100, 100, 100, 80, 200, Data, Dim);//球体 GenCube(70, 70, 70, 60, 300, Data, Dim);//小正方体 } 手动生成的体数据会更有利于理解光线投射算法体渲染的原理，该体数据本质上就是200x200x200个点，每个点赋予了对应的颜色值和不透明度。
为了在着色器中实现ray-casting光线投射，合成像素值，需要将体数据存入三维纹理中，然后传入到着色器。
//volume texture ID GLuint textureID; bool LoadVolume() { GenerateVolume(Data, Dim);//生成原始体数据 Classify(CData, Data, Dim);//对体数据分类赋予对应颜色值和不透明度 //generate OpenGL texture glGenTextures(1, &textureID); glBindTexture(GL_TEXTURE_3D, textureID); // set the texture parameters glTexParameteri(GL_TEXTURE_3D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP); glTexParameteri(GL_TEXTURE_3D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP); glTexParameteri(GL_TEXTURE_3D, GL_TEXTURE_WRAP_R, GL_CLAMP); glTexParameteri(GL_TEXTURE_3D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameteri(GL_TEXTURE_3D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR); //set the mipmap levels (base and max) glTexParameteri(GL_TEXTURE_3D, GL_TEXTURE_BASE_LEVEL, 0); glTexParameteri(GL_TEXTURE_3D, GL_TEXTURE_MAX_LEVEL, 4); glTexImage3D(GL_TEXTURE_3D, 0, GL_RGBA, 200, 200, 200, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, CData);//将体数据存入3D纹理 GL_CHECK_ERRORS //generate mipmaps glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_3D); return true; } 将体数据存入3D纹理后就可以在着色器中接收此3D纹理，然后利用坐标采样获得采样点的rgb和不透明度。
接下来如果想要在着色器中实现光线投射算法，就需要能够根据位置坐标获得3D纹理对应坐标的颜色值和不透明度。一个不错的解决办法是构造一个1x1x1的单位立方体包围盒，将3D纹理坐标（范围0~1）映射与立方体坐标对应上，也就是映射。这样就可以通过着色器的内置变量片元坐标position，获取到对应位置坐标的3d纹理颜色和不透明度，然后沿着光线投射方向步进采样合成颜色值。
以下是相关的代码，省略了绘制立方体的部分。由于这里我绘制的立方体是xyz值范围（-0.5~0.5）的立方体，所以要与3D纹理坐标映射，需要做一个变换，即用于采样3D纹理的坐标vUV需要由片元位置坐标加上0.5得到，下面是完成这个映射过程的顶点着色器代码。
#version 330 core layout(location = 0) in vec3 vVertex; //object space vertex position //uniform uniform mat4 MVP; smooth out vec3 vUV; void main() { gl_Position = MVP*vec4(vVertex.xyz,1); vUV = vVertex + vec3(0.5); } 下面是片元着色器的代码，实现了光线投射算法。需要注意的是步进起始点，当视点位于体渲染外的时候，起始点是着色器内部获取的立方体表面的坐标，这是正确的，而当视点移动到体渲染对象的内部观察时，这个起始点就不对了，这时的起始点不应该在立方体表面，而应该以视点作为起始点往视线方向采样，如下图所示。所以需要加一个判断条件，判断视点是否在立方体包围盒内部。
下面是完整的片元着色器代码
#version 330 core layout(location = 0) out vec4 vFragColor; //fragment shader output smooth in vec3 vUV; //用于采样3D纹理的坐标 uniform sampler3D volume; //体数据纹理 uniform vec3 camPos; //相机位置 uniform vec3 step_size; //采样步长 //constants const int MAX_SAMPLES = 300; const vec3 texMin = vec3(0); //最小纹理坐标 const vec3 texMax = vec3(1); //最大纹理坐标 void main() { vec3 dataPos = vUV; //光线投射起始点坐标 vec3 geomDir; //光线步进方向 if(abs(camPos.x)<=0.5&&abs(camPos.y)<=0.5&&abs(camPos.z)<=0.5)//当相机也就是视点位于体渲染对象内部时，起始点应该改为相机视点的位置坐标作为起始点 { dataPos=camPos+vec3(0.5); } geomDir = normalize((vUV-vec3(0.5)) - camPos); //由视点坐标和起始点坐标相减得到沿视线方向步进的方向的向量 vec3 dirStep = geomDir * step_size; bool stop = false; vec4 cumc=vec4(0); //沿射线方向采样累积颜色和不透明度 for (int i = 0; i < MAX_SAMPLES; i++) { dataPos = dataPos + dirStep; stop = dot(sign(dataPos-texMin),sign(texMax-dataPos)) < 3.0; if (stop) break; vec4 samplec=texture(volume, dataPos).rgba;//获取采样点颜色值和不透明度 cumc[0]+=samplec.r*samplec[3]*(1-cumc[3]); cumc[1]+=samplec.g*samplec[3]*(1-cumc[3]); cumc[2]+=samplec.b*samplec[3]*(1-cumc[3]); cumc[3]+=samplec.a*(1-cumc[3]); if( cumc[3]>0.99) break; } vFragColor=cumc.rgba; } 最终实现的效果如图所示，为了方便调试，利用imgui添加了一个简单的GUI界面
这个案例应该会对理解体渲染和GPU实现体渲染有所帮助。
