三维可视化名词解释-体绘制、体素、体数据、体绘制算法

体素(voxel)，是体积元素(volumepixel)的简称。一如其名，是数字数据于三维空间分割上的最小单位，体素用于三维成像、科学数据与医学影像等领域。概念上类似二维空间的最小单位——像素，像素用在二维计算机图像的影像数据上。有些真正的三维显示器运用体素来描述它们的分辨率，举例来说：可以显示512×512×512体素的显示器。

体数据是对一种数据类型的描述，只要是包含了体细节的数据，都可以称之为体数据。举个例子，有一堆混凝土，其中包含了碳物质（ C ）若干，水分子（ H20 ）若干，还有不明化学成分的胶状物，你用这种混凝土建造了块方砖，如果存在一个三维数组，将方砖 X 、 Y 、 Z 方向上的物质分布表示出来，则该数组可以被称为体数据。典型的三维体数据是通过 CT、MRI等成像技术采集的一组二维切片图像。

 

体数据一般有 2 种来源：

 

1. 科学计算的结果，如：有限元的计算和流体物理计算；

 

2. 仪器测量数据，如： CT 或 MRI 扫描数据、地震勘测数据、气象检测数据等。

 

所谓面数据，并不是说二维平面数据，而是说这个数据中只有表面细节，没有包含体细节，实际上体数据和面数据的本质区别，在于是否包含了体细节，而不是在维度方面。

体绘制技术可以根据是否提取曲面分为直接体绘制和间接体绘制（又称为面绘制）两大类。

间接体绘制是先从体数据中提取等值面，然后绘制等值面组成的多边形网格；

直接体绘制则是将体数据直接作为一个离散三维数据场来绘制，是一种直接由三维数据场产生屏幕上二维图像的技术。直接体绘制直接从体数据中通过颜色与不透明度映射来生成三维数据集的二维投影图像。体绘制其优点是可以探索物体的内部结构，可以描述非常定形的物体；缺点是数据存储量大，计算时间较长。

国际上流行的体绘制算法主要有：光线投射算法（ Ray-casting ）、错切 - 变形算法（ Shear-warp ）、频域体绘制算法（ Frequency Domain ）和抛雪球算法（ Splatting ）。其中又以光线投射算法最为重要和通用。究其原因，无外乎有三点：其一，该算法在解决方案上基于射线扫描过程，符合人类生活常识，容易理解；其二，该算法可以达到较好的绘制效果；其三，该算法可以较为轻松的移植到 GPU 上进行实现，可以达到实时绘制的要求。