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在科学和工程技术的纹理映射可视化
迈克尔·特施纳1和克里斯琴·亨2
1化学与健康产业营销，
硅图公司巴塞尔，瑞士
2莫里斯E.穆勒 - 显微镜学研究所，
瑞士巴塞尔大学
执行摘要
截至今天，纹理映射是用于视觉模拟和计算机直观显示以减少几何复杂度并且增强现实的视觉仿真。在这份报告中，通过面向实时的纹理映射的应用模型，这项技术的常见用法得到扩展，解决了各种在通用技术和科学世界的可视化问题，开辟了新的方法来表示和分析大量的实验或模拟数据。
本报告所涵盖的主题：
bull;纹理映射概念的抽象定义
bull;通过颜色编码在表面特性可视化
bull;表面信息过滤
bull;实时体积渲染概念
bull;质量增强的表面渲染
在下面的章节中，将详细介绍这些方面。使用强调关键方面的伪代码来概述实现技术。假定GL编程的基本知识，应用实例取自化学市场。但是，对于本报告的范围来说，不需要特殊的化学背景，因为正在分析的数据实际上可以被任何其他技术、科学或工程信息处理的来源所替代。
注意，该报告以非常详细的方式讨论了发布高级图形技术的潜力。所提出的主题是基于最近和正在进行的研究，因此易受到改变。
本文所描述的方法是一个团队工作的结果。该团队涉及来自不同研究领域的科学家和机构,被称为纹理团队,包括以下成员:
bull;尤尔根·布里克曼教授，工业大学，德国，达姆施塔特市
bull;彼得·弗拉基格博士，瑞士科学计算中心，瑞士，曼诺
bull;克里斯琴·亨，穆勒minus;显微镜研究所,瑞士，巴塞尔
bull;迈克尔·特斯纳博士,硅谷图形公司营销，瑞士，巴塞尔
进一步的支持来自SGI的高级制图师工程组。
彩色图片和示例代码可以通过匿名ftp从sgigate.sgi.com获得。这些文件将于1993年11月1日开始存放在目录pub/SciTex下。
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迈克尔·特斯纳 |
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- 引言
- 纹理映射概念的抽象定义
- 基于颜色minus;编码的应用解决方案
- 表面等高线
- 任意曲面显示度量
- 信息过滤
- 任意曲面裁剪
- 彩色编码伪代码示例
4 实时体积渲染技术
- 使用2D纹理进行体积渲染
- 使用3D纹理进行体积渲染
- 引言
纹理映射[1,2]传统上被用来增加计算机生成图像的真实感。近年来，这种技术已经从基于软件的渲染系统领域转移到高级图形工作站的硬件支持功能。这很大程度上是由视觉模拟和使用纹理映射将表面纹理图像映射到三维物体的多边形这一技术的计算机动画应用程序所驱动发展的。[3]
因此，纹理映射是一种非常强大的方法，可以在不破坏渲染场景的几何复杂性的情况下，为计算机生成的图像添加大量的真实感，而这在需要保持固定帧速率的可视模拟器中是非常重要的。例如，可以使用仅显示具有门和窗的墙壁的照片图片的几个多边形来显示逼真的房子。同样，木材等天然材料的视觉丰富度和精确度可以通过将木纹图案包裹在矩形固体周围来改善。
到目前为止,在技术性或科学性可视化上，纹理映射技术还没有被使用，是因为上述视觉模拟方法以及非minus;交互式渲染应用程序，如电脑动画，针对纹理映射可用于什么这个问题造成了严重的偏向：即木头[4]或大理石表面的固体材料显示，或映射到二维图形以显现云的模糊随机模式[5，6]。
可以证明，硬件支持的纹理映射可以应用于更广泛的应用领域。回到纹理映射的严格和正式定义上，纹理映射将纹理概括为基于像素的颜色信息映射到任意三维几何图形的通用存储库，因此可以获得一个功能强大且优雅的，用于显示和分析技术和科学信息的框架。
2纹理映射概念的抽象定义
在当前SGI[7]的硬件实现中，纹理映射是在完成阴影操作之后的渲染过程中对像素信息进行修改的一种额外功能。虽然它修改了像素，但它的应用程序接口是基于顶点的。因此，纹理映射只会导致程序复杂度的适度或小幅增加。它对图像生成时间的影响依赖于所使用的特定计算机硬件：入门级和交互系统有显著的性能降低，而在第三代图形子系统的纹理映射无任何性能损失。
纹理映射过程需要三个基本组件：（1）在纹理空间中定义的纹理;（2）在每个顶点基础上定义的三维几何;（3）将纹理链接到3-D对象的顶点描述的映射函数。
纹理空间[8,9]是一个参数坐标空间，可以是1、2或3维。与屏幕空间中的像素(图片元素)类似，纹理空间中的每个元素都被称为纹理元素。当前的硬件实现方式提供了有关如何解释每个纹理元素存储信息的灵活性。支持多通道的颜色、强度、透明度，甚至是对应于颜色查找表的查找索引。
在纹理映射的抽象定义中，纹理空间远不仅仅是参数坐标系中的图片：纹理空间可以被看作是特殊的内存段，各种信息可以储存然后与对象在3minus;D空间中表示。因此，这些信息可以有效地用来表示任何需要可视化的参数属性。
虽然，三维几何体的基于顶点的本质通常使用诸如点或线的基元来进行纹理映射，但是，纹理映射的真正价值是在绘制填充三角形或更高阶的多边形。
映射过程是将纹理空间中的坐标分配给三维物体的每个顶点。值得注意的是，纹理空间的维度与显示对象的维度无关。例如，将简单属性编码为一维纹理可用于在任意三维表面上生成等高线。
3基于颜色编码的应用解决方案
颜色编码是在表面上显示标量信息的常用手段[10]，例如，这可以用来显示机械部件上的应力或分子表面上的相互作用电势。
传统的基于高洛德着色渲染法的实现存在以下问题：对于稀疏镶嵌几何体，实现高对比度的颜色代码时就会发生变异，这是由于颜色编码是通过将RGB颜色三元组分配给三维几何体的顶点来完成的，因此像素颜色将通过RGB颜色空间中的线性插值生成。
因此，定义的颜色渐变中的所有条目都位于线性颜色渐变之外，不会将两个RGB三元组相关联，而且信息将会丢失。在图1中，使用一个包含属性范围的对称灰阶来定义颜色渐变。在左边，RGB颜色空间的插值不反映颜色渐变，在呈现步骤中存在大量的信息丢失。
通过高度镶嵌的表面，这个问题可以减少。表面顶点与期望的颜色代码更改或多遍渲染的对齐可以完全消除这些伪像。但是，这些方法需要大量的多边形或极其复杂的算法，并且不适用于交互式应用程序。
图1：RGB插值（左）和纹理映射（右）的颜色编码显示图
这个问题可以通过将颜色渐变存储为一维纹理来解决。与上述过程相反，标量属性信息被用作为表面顶点的纹理坐标。然后在纹理空间中执行颜色插值，即在每个像素处对着色进行评估(如图1右)。现在可以实现颜色代码中的高对比度变化，即使在稀疏网格状表面的情况下也是如此。
值得注意的是，虽然纹理是一维的，可以解决一个三维问题。纹理空间和对象空间的维度是独立的，因此它们不会相互影响。纹理映射方法的这一特性以及纹理插值和颜色插值之间的区别对理解本报告中介绍的应用至关重要。
图2:乙醇溶剂及表面的静电势编码
图2通过一个具体实例显示了两种方法的区别：乙醇分子的溶剂可达表面通过静电表面电位所着色，如图2所示，使用传统的RGB颜色插值(左)和使用纹理映射(右)。
纹理和对象坐标空间的独立性有更大的优势，并且非常适合于立即改变颜色渐变的含义。例如,通过在纹理空间中应用简单的三维变换（如平移），可以移动色码的零线。对纹理应用缩放变换可调整映射的范围，这些修改可以实时执行。
通过纹理映射，可以完成一个色彩值到下一个色彩值的急剧转变，进一步提高渲染精度。另外，这些尖锐的转换有助于在视觉上理解物体的三维形状。
3.1 表面上的等高线
与一般颜色编码中的色带类似，在物体上绘制的离散轮廓线提供了有关物体几何形状及其属性的有价值信息，并广泛用于视觉分析应用。例如，在地形图中，它们可能代表某个平面的代表性高度，该平面要么固定在世界坐标系中，要么跟物体移动[ 11 ]。或者，曲线可以指示内在的表面性质，例如相互作用势或应力分布。
通过纹理映射，可以使用与一般颜色编码相同的设置来实现离散轮廓。同样，一维纹理，填充有表示对象表面外观的基色。在轮廓阈值的每个位置处，像素被设置为特定阈值的颜色。图3显示了该纹理的应用，为了显示出短杆菌肽A的疏水势，在分子表面上形成一组等值线的通道。
纹理空间的缩放是用来控制轮廓阈值的间距。在类似的方式中，纹理空间的转换将导致所有阈值的转换。请注意，在此过程中，基础几何体和纹理本身都未被修改。阈值间隔的调整是实时进行的，因此是完全交互的。
图3：在具有不同比例的纹理空间的分子表面上的等尺度线
3.2在任意曲面上显示度量
基于一组参考平面，可以使用前一节中介绍的概念的扩展来显示任意曲面上的度量。图4展示了该应用，即将2-D纹理标记附着在沸石的溶剂可及表面上。
与基于属性的纹理坐标的每个顶点绑定相反，度量纹理的纹理坐标是自动生成的：垂直于参考平面的对象的距离由硬件计算并即时转换为相协调的纹理。在这种特殊情况下，两个正交平面固定在物体几何的方向上。这种类型的表示法允许精确测量表面上的尺寸和距离单位。
图4：在具有2-D纹理的沸石分子表面上显示度量
3.3信息过滤
使用一维纹理进行表面特性的颜色编码的概念可以扩展到二维或甚至是三维。因此最多可以同时显示三个独立的属性。但是，必须基于特定应用程序设计适当的多维颜色查找表，因为泛化要么是不简单，要么就是不可能的。必须特别小心的是，不要让信息过多而使表面过载。
一种可能的相当普遍的解决方案是，可以通过结合一个一维的颜色渐变和一个一维的阈值模式来得到，例如在之前等值线的例子中，即颜色带用于一个属性，而正交的离散等高线代码用于第二个属性。通过这种方式，可以在同一表面上同时显示两个属性，同时仍能够清楚地区分它们。
另一种方法是使用一个属性过滤对象表面的另一个属性，并在对象表面上显示结果，以两种不同的方式产生更多的洞察：（1）过滤器允许科学家区分重要和不相关的信息，例如，例如显示热点表面静电势，或（2）滤波器将其他定性属性放入定量背景中，例如，使用平均值的标准差提供一个线索，比如说明在对象表面的给定位置上所表示的属性实际上是如何精确的。
有一种良好的模型，它就是静电势（ESP）和分子亲脂电位（MLP）在甲氨喋呤A的溶剂可及表面上的组合显示。静电势提供了一些关于分子的特定部分如何与其他分子相互作用的信息，当分子与水（疏脂区域）或与膜（亲脂区域）接触时，分子亲油电势给出了很好的估计。该分子本身是一种通道形成蛋白，并在生物有机体膜中起作用，调节水分子和离子的运输。 图5显示了对于用MLP过滤的ESP，甲氨喋呤A的溶剂可及表面的颜色编码。此示例使用的纹理如图8所示。
图5：甲氨喋呤A的溶剂可及表面，显示用MLP过滤的ESP
表面颜色编码，或者如在印刷示例中那样是灰色，只有在那些地方，表面有一定的油性。具有亲脂性的行为的，表面部分被锁定到白色。在本例中，信息是使用delta类型函数进行过滤的，它会抑制不超过指定阈值的所有信息。在其他情况下，连续过滤器可能更适合，以允许更精细的粒度量化。
另一个有用的应用是用电场过滤静电势。以电场的绝对值，过滤器可轻松确定最高局部场梯度的区域，这有助于在没有科学家进一步交互的情况下识别抑制剂的结合位点。通过纹理空间中的转变，可以交互式修改滤镜阈值或更改色彩渐变的外观。
3.4任意曲面裁剪
颜色编码的信息过滤影响纯纹理贴图的颜色信息。通过增加透明度作为一个额外的信息通道，可以获得很多的灵活性来比较多个属性通道。在许多情况下，透明度甚至有助于对特定属性进行几何理解。例如，一个分子结构的局部弹性，根据晶体学确定的B因子，可以直观地表示:结构越刚硬，表面就越不透明。增加透明度表明该领域的软性更强。这样的透明图很可能与任何其他颜色编码的特性相结合，因为研究一个分子在许多不同的环境中的动态特性是很有意义的。
在分子灵活性的例子中，表面透明度不断变化的一个延伸是利用透明度将表面的部分完全分离，这取决于在纹理中编码的属性。这可以通过将适当顶点的
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