基于股骨ct圖像的實時陰影體繪制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于股骨CT圖像的體繪制方法，尤其涉及的是一種基于股骨CT 圖像的實時陰影體繪制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 體繪制又稱直接體繪制，是科學(xué)可視化領(lǐng)域中的一個技術(shù)方向。體繪制技術(shù)可以 強化視覺效果，增強真實感。方法主要有：光線投射算法（Ray-casting)、錯切-變形算法 (Shear-warp)、頻域體繪制算法（Frequency Domain)和拋雪球算法（Splatting)，其中光線 投射算法應(yīng)用最為廣泛。
[0003] 光線投射算法是基于圖像序列的直接體繪制算法，它從圖像的每一個像素出發(fā)， 沿固定方向投射光線，光線穿越整個圖像序列，在這個過程中，對圖像序列進行采樣獲取顏 色值和透明度，根據(jù)光線吸收模型將顏色值和透明度進行累加，直至光線穿過整個圖像序 列，從而在屏幕上形成最終的圖像。
[0004] 隨著現(xiàn)代圖形技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機實時渲染技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，主要包括虛 擬現(xiàn)實及三維仿真系統(tǒng)、計算機動畫、反走樣、實時陰影技術(shù)等。其中，實時陰影技術(shù)可以為 場景中物體的相對位置提供豐富的視覺信息，增強了圖像的真實感，使創(chuàng)建復(fù)雜的光照效 果成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提供一種基于股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法，實現(xiàn)體繪制 的陰影效果，加強繪制真實感。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種基于股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 用三維激光掃描儀掃描物體，獲取醫(yī)學(xué)三維體數(shù)據(jù)集； (2) 采用中值濾波圖像增強技術(shù)對獲得的體數(shù)據(jù)進行濾波處理； (3) 采用光線投射算法對三維體數(shù)據(jù)進行重建； (4) 對獲取的模型進行實時陰影繪制； (5) 形成具有陰影效果的圖像。
[0007] 所述獲取三維體數(shù)據(jù)集包括：獲取研宄對象的多張斷層股骨CT圖像，將圖像dcm 格式轉(zhuǎn)化為bmp格式，并用Photoshop軟件擦掉圖像上不感興趣的部分，以便于處理。
[0008] 所述對獲得的體數(shù)據(jù)進行處理包括以下步驟： (1) 將圖像四周邊緣進行橫向和縱向拓展，拓展后的像素用相鄰像素的值替代，以增強 邊緣信息； (2) 采用3 X 3的模板窗口對拓展后的圖像進行中值濾波處理，得到去噪后的規(guī)則體數(shù) 據(jù)集。
[0009] 所述光線投射算法包括以下步驟： (1) 沿視線方向，從屏幕上的每一個像素點出發(fā)，投射一條能夠穿過體數(shù)據(jù)場的光線， 并沿著光線路徑進行等距離采樣； (2) 通過插值和明暗等操作，求出采樣點的不透明度以及顏色值； (3) 根據(jù)采樣點的顏色值和不透明度采用由前向后或由后向前的方式進行合成，即可 得到屏幕上該像素點處的顏色值，從而在屏幕上形成最終的圖像。
[0010] 所述形成具有陰影的圖像具體方法為： 假設(shè)根據(jù)光線投射算法得到模型上的任意一點為P，光的方向為￡，沿著光的 方向投影到平面上的點為鞏氙取U)，平面上方程為▲+% + &+￡)=0;假設(shè) 公=Ρ+?(免>=0);因為點公是平面上的一點，所以』x￡k + 5x辦+ (7x*Sfe + ￡) = 0，設(shè)置 向量iV(J，5，C,D)，即可得公 ><況=13，根據(jù)，可得〇?+_￥浞=〇,推導(dǎo)可求出 * = -P/i，其中，A、B、C、D為常數(shù)，且A、B、C不同時為0 ; 由以上所求的1值，求出模型上所有投影到平面上的點都，由此繪制出具有陰影效果 的圖像。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明針對股骨CT圖像進行體繪制采用光線投射算法的原理，根據(jù)原始股骨CT圖像， 采用中值濾波技術(shù)對斷層圖像進行濾波處理，繪制出股骨模型，并采用陰影繪制技術(shù)繪制 模型，增強了圖像的真實感，達到了較好的可視化效果。本發(fā)明方便實用，結(jié)果也符合預(yù)期 要求，在醫(yī)療、三維建模和工業(yè)設(shè)計及逆向工程等領(lǐng)域，仍是一個重要的研宄方向。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的基于股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0013] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實施例的方案，下面結(jié)合附圖和實施 方式對本發(fā)明實施例作進一步的詳細說明。
[0014] 如圖1所示，是本發(fā)明實施例股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法流程圖，主要包 括以下步驟： 1. 用三維激光掃描儀掃描物體，獲取醫(yī)學(xué)三維體數(shù)據(jù)集； 2. 采用中值濾波圖像增強技術(shù)對獲得的體數(shù)據(jù)進行濾波處理； 3. 采用光線投射算法對三維體數(shù)據(jù)進行重建； 4. 對獲取的模型進行實時陰影繪制； 5. 形成具有陰影效果的圖像。
[0015] 由于在對股骨進行CT掃描的時候，難免會存在人為操作和儀器的誤差，給圖像帶 來一定的噪聲，所以需要對CT圖像進行中值濾波等平滑處理，并去除圖像上不感興趣的部 分，盡可能的使之成為符合股骨的真實數(shù)據(jù)。
[0016] 轉(zhuǎn)換股骨CT數(shù)據(jù)的dcm格式為bmp格式，使之成為能夠被光線投影算法處理的對 象。
[0017] 對獲得的體數(shù)據(jù)進行處理包括以下步驟： (1) 將圖像四周邊緣進行橫向和縱向拓展，拓展后的像素用相鄰像素的值替代，以增強 邊緣信息； (2) 采用3 3的模板窗口對拓展后的圖像進行中值濾波處理，得到去噪后的規(guī)則體數(shù) 據(jù)集。
[0018] 光線投射算法包括以下步驟： (1) 沿視線方向，從屏幕上的每一個像素點出發(fā)，投射一條能夠穿過體數(shù)據(jù)場的光線， 并沿著光線路徑進行等距離采樣； (2) 通過插值和明暗等操作，求出采樣點的不透明度以及顏色值； (3) 根據(jù)采樣點的顏色值和不透明度采用由前向后或由后向前的方式進行合成，即可 得到屏幕上該像素點處的顏色值，從而在屏幕上形成最終的圖像。
[0019] 形成具有陰影的圖像具體方法為： 假設(shè)根據(jù)光線投射算法得到模型上的任意一點為P，光的方向為￡，沿著光的 方向投影到平面上的點為風(fēng)辦，沒，1)，平面上方程為▲+辦+ G + D = 〇 ;假設(shè) ;因為點5是平面上的一點，所以H + 5X辦+ σχ& + ￡)=0,設(shè)置 向量，即可得Sx及=0，根據(jù)公=尸+紅，可得（F +杜)χ漢=0,推導(dǎo)可求出 * =-戶/￡，其中，八、8、(：、0為常數(shù)，且八、8、(：不同時為0; 由以上所求的t值，模型上所有投影到平面上的點都可以求出，由此可以繪制出具有 陰影效果的圖像。
[0020] 在光線投射算法中，通過插值和明暗等操作，計算出采樣點的不透明度和顏色值， 采用以下合成函數(shù)得到每條光線在平面上的像素點顏色值：
其中，表示每條光線上第i個采樣點的不透明度，^^表示第I個采樣點的顏色值， ^表示進入第！個采樣點的不透明度值，^表示進入第；個采樣點的顏色值，表示經(jīng)過 第第？個采樣點的不透明度，c7M表示經(jīng)過第第〗個采樣點的顏色值。
[0021] 在實時陰影繪制過程中，根據(jù)光線投射算法得到的模型求出視圖矩陣，用圖形軟 件接口 OpenGL中的m3dMakePlanarShadowMatrix函數(shù)計算陰影矩陣。其中，光源的位置， 返回的是一個變換矩陣，用當前視圖矩陣乘以這個矩陣，將得到陰影矩陣，即模型具有陰影 效果。
【主權(quán)項】
1. 一種基于股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 用三維激光掃描儀掃描物體，獲取醫(yī)學(xué)三維體數(shù)據(jù)集； (2) 采用中值濾波圖像增強技術(shù)對獲得的體數(shù)據(jù)進行濾波處理； (3) 采用光線投射算法對三維體數(shù)據(jù)進行重建； (4) 對獲取的模型進行實時陰影繪制； (5) 形成具有陰影效果的圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法，其特征在于：所述獲 取三維體數(shù)據(jù)集包括：獲取研宄對象的多張斷層股骨CT圖像，將圖像dcm格式轉(zhuǎn)化為bmp 格式，并用Photoshop軟件擦掉圖像上不感興趣的部分，以便于處理。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法，其特征在于：所述對 獲得的體數(shù)據(jù)進行處理包括以下步驟： (1) 將圖像四周邊緣進行橫向和縱向拓展，拓展后的像素用相鄰像素的值替代，以增強 邊緣信息； (2) 采用3x3的模板窗口對拓展后的圖像進行中值濾波處理，得到去噪后的規(guī)則體數(shù) 據(jù)集。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法，其特征在于：所述光 線投射算法包括以下步驟： (1) 沿視線方向，從屏幕上的每一個像素點出發(fā)，投射一條能夠穿過體數(shù)據(jù)場的光線， 并沿著光線路徑進行等距離采樣； (2) 通過插值和明暗等操作，求出采樣點的不透明度以及顏色值； (3) 根據(jù)采樣點的顏色值和不透明度采用由前向后或由后向前的方式進行合成，即可 得到屏幕上該像素點處的顏色值，從而在屏幕上形成最終的圖像。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法，其特征在于：所述形 成具有陰影的圖像具體方法為： 假設(shè)根據(jù)光線投射算法得到模型上的任意一點為P，光的方向為i，沿著光的 方向投影到平面上的點為鞏取取故1)，平面上方程為At+辦+Cfe+Z) = 0 ;假設(shè) ￡^P+M#>=0);因為點公是平面上的一點，所以+ 辦+Cx& +D=〇,設(shè)置 向量W(為5,C'￡))，即可得公，根據(jù)及=p+杜，可得〇P+M)x2/=〇,推導(dǎo)可求出 * =-尸/￡，其中，八、8、(：、0為常數(shù)，且八、8、(：不同時為0; 由以上所求的i值，求出模型上所有投影到平面上的點，由此繪制出具有陰影效果的 圖像。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于股骨CT圖像的實時陰影體繪制方法，通過將陰影添加到三維場景中，可以渲染出真實感更強的圖像，提供更加豐富的視覺信息。本發(fā)明具體處理過程步驟為：獲取三維體數(shù)據(jù)集；對體數(shù)據(jù)集進行中值濾波預(yù)處理；采用光線投射算法完成三維體數(shù)據(jù)的可視化；實時陰影繪制；形成具有陰影的圖像。本發(fā)明使重建后的圖像更接近于實際情況，達到了實時繪制的效果。
【IPC分類】G06T17/10, G06T15/60
【公開號】CN104915992
【申請?zhí)枴緾N201510327028
【發(fā)明人】張建國, 鐘濤, 左俊彥
【申請人】上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年6月15日