参考文献：A Survey of Volumetric Illumination Techniques for Interactive Volume Rendering
交互式体光照技术的三个挑战：
- 体照明模型
- 交互式传输函数
- 应用于GPU的算法
科学可视化领域开发体光照模型的主要动机之一是提高视觉感知能力。我们将回顾和比较先进体积照明的现有技术，这些技术的适用性来自于照明能力、性能行为以及技术实现。由于本报告涉及交互式高级体积照明技术，可能适用于科学可视化，因此不考虑在渲染过程中不允许改变传递函数的需要预计算的方法。
我们决定通过采用考虑技术实现、性能行为以及支持的照明效果的分类来实现这一目标。分类中考虑的属性是例如预处理的使用，因为基于预计算的技术通常不适用于大体积数据集，因为预计算的照明技术会消耗太多额外的图形内存。其他方法可能会绑定到某个呈现范式（比如某些体照明方法绑定到了基于光线追踪的算法，某些体照明方法绑定到了基于切片的体渲染算法），该范例充当另一个属性，因为它可能会妨碍以一般方式使用该技术。我们选择了被覆盖的属性，这样分类就可以对现有的高级体积照明技术进行适用性驱动的分组。为了给读者提供一种机制来选择使用哪种先进的体积照明模型，我们将描述这些特性和其他特性以及它们在分类时的含义。此外，我们将指出目前方法的缺点，以证明未来研究的可能性。
材料散射
当穿透半透明材料时，光的轨迹会发生变化。
而在经典的多边形计算机图形学中，光在表面上的反射通常使用双向反射分布函数（BRDFs）来建模，而在体绘制中，则使用相位函数来模拟散射行为。这种相位函数可以看作是半球BRDF的球面延伸。但是本质上来说，都是定义了光在某个入射方向反射到某个出射方向的量，因此我们可以把这个函数笼统地记做。
算法的分类
为了能够全面概述当前交互式高级体积照明技术，我们将在本节中介绍一个分类，它允许我们对所涵盖的方法进行分组和比较。该分类的目的是为应用程序设计人员在根据需要选择先进的体积照明技术时提供决策支持。
一般来说，体照明技术会依赖相应的渲染范式：这些范例从shear-warp transformation、splatting和texture slicing到volume ray-casting。除了不同的技术实现，渲染图像的视觉质量也因所使用的渲染范式而不同。由于效率在交互式体积照明领域中非常重要，因此已经开发了许多方法，这些方法通过与特定的渲染范例获得性能提升。尤其是在将体照明集成到现有的可视化系统中时，现有方法的底层渲染范式在决定使用哪种算法时可能会受到限制。因此，我们将在后面介绍所涵盖的算法时讨论这种依赖性。
另一个重要的特性是，特定算法支持哪些照明效果。这一方面是根据支持的照明指定的，另一方面是根据体空间内的灯光交互和传播而指定的。支持的照明可以随光源的数量和类型而变化。支持的光源类型从经典的点光源和定向光源到区域和纹理光源。由于许多算法都集中在环境可见度的计算上，我们也考虑了一个全向和均匀的环境光源。因为有些算法对应于固定的范式，所以对光源的位置也是有要求的。最后，支持的光源的数量会有所不同，其中支持一个或多个光源。所讨论的算法也因光在体积内的相互作用和传播而有所不同。虽然所有算法都支持通过局部或全局光传播的单次散射，尽管在不同的频率下会产生软到硬阴影，但并非所有方法都支持多重散射。因此，我们区分了局部散射和全局散射以及单次散射和多次散射。我们将讨论每种覆盖技术的这些能力，并将支持的照明效果与Max的光学模型联系起来。
与计算机图形学的许多其他领域一样，在体绘制中应用高级照明技术需要在渲染性能和内存消耗之间进行权衡。在这个尺度上，最极端的两种情况是照明信息的全部预计算，以及每帧的动态重新计算。我们将通过描述这些技术对性能的影响以及所需的内存消耗，来比较本文中介绍的技术与这种权衡。由于不同的应用场景在交互性程度上有所不同，我们将回顾它们在渲染和照明更新方面的性能能力。一些技术以光照更新时间换取帧渲染时间，因此只要不改变照明关键参数，就允许更高的帧速率。我们讨论渲染时间和照明更新时间，从而区分它们是由照明还是传递函数更新触发的。相机更改时执行的重新计算被视为渲染时间。覆盖技术的内存占用也是一个重要因素，因为它常常受到可用图形内存的限制。一些技术预先计算照明体，例如[Advanced Volume Illumination with Unconstrained Light Source Positioning，Extinction-based Shading and Illumination in GPU Volume RayCasting]，而其他技术存储的照明数据少得多，甚至没有，例如[Interactive Translucent Volume Rendering and Procedural Modeling，GradientFree Shading: A new Method for Realistic Interactive Volume Rendering，Image Plane Sweep Volume Illumination ]。
最后，如果可以将体照明方法与剪裁平面和几何体相结合，这一点很重要。在许多标准体绘制应用程序中经常使用剪裁，例如，在三维数据集中集成路径线时，多边形几何体数据的集成在流可视化中非常重要。
为了更容易地比较现有技术和上述能力，我们决定根据算法概念将它们分为五组，以实现最终照明效果。由此获得的组是，第一种：基于局部区域的技术，它只考虑体素周围的局部邻域；第二种：基于切片的slice based技术，通过迭代地切片通过体积来传播照明；第三种：基于光空间的light space based技术，从光源处投射照明；第四种：基于格的 lattice based 技术，直接在体积数据网格上计算光照，而不应用采样；第五种：基于基函数的 basis function based 技术使用光照信息的基函数表示。虽然这种分为五组的分类完全基于用于计算照明本身的概念，而不是用于图像生成，但在某些情况下，它可能会齐头并进，例如，当考虑也绑定到基于切片的渲染范式的基于切片的技术时（即，比如我要使用基于切片的技术生成图像，我可能就会选择基于切片的光照技术）。下图显示了五组中每一组的一种代表性技术的视觉输出的比较：
上图是不同体积照明模型的视觉比较。从左至右：基于梯度的着色[Display of Surfaces from Volume Data]、定向遮挡着色[A Directional Occlusion Shading Model for Interactive Direct Volume Rendering]、图像平面扫描体照明[Image Plane Sweep Volume Illumination ]、阴影体传播[ Interactive Volumetric Lighting Simulating Scattering and Shadowing ]和球面谐波照明[Efficient Visibility Encoding for Dynamic Illumination in Direct Volume Rendering ]。除了使用的照明模型外，所有其他渲染参数都是恒定的。
可以看出，当改变光照模型时，视觉效果可能会发生巨大的变化，即使所提出的大多数技术都是基于Max的体光照模型的公式。最显著的视觉差异是阴影的强度和频率，这是基于阴影边界的模糊性而可见的。除了使用的照明模型，所有其他渲染参数在显示的图像中都是相同的。除了支持完全交互式体绘制的五个主要组外，我们还将简要介绍第六种：基于光线跟踪的技术，以及那些仅限于等表面照明的技术。虽然引入的组允许对大多数可用的技术进行充分的分类，但也应提及的是，有些方法可以分为多个组。例如，阴影体传播方法，我们已经分类为lattice based的，它也可以分类为light space based的，因为照明传播是基于当前光源位置执行的。
未完待续