[发明专利]在体绘制中有效确定灯光效果

说明书

技术领域

本发明涉及一种借助体绘制二维表示对象的方法和装置。

背景技术

本发明属于体绘制领域、即表示或可视化三维身体或对象的领域。三维对象的建模、重建或可视化在医疗(例如CT、PET、MR、超声波)、物理(例如大分子的电子结构)或地理(地层的特性和位置)领域中具有广泛应用范围。典型地，借助电磁波或声波照射待检查的对象，以检查其特性。探测散射的光线并且从所探测的值中确定身体的特征。通常地，结果在于物理参数(例如密度、组织成分的分量、弹性、速度)，对于身体确定这些参数的值。在此，通常使用虚拟的栅格，在其栅格点上确定参数的值。这些栅格点或在这些位置上的参数的值通常被表示为体素。这些体素通常以所谓的灰度值的形式呈现。

借助体绘制，在二维显示面(例如显示屏)上从体素中产生检查的对象或身体的三维图示。在此，从体素中产生所谓的像素(通常具有从体素中通过插值获得的对象点的中间级)，从像素中合成二维图像显示的图像。为了在二维显示器上可视化三维，通常进行所谓的阿尔法合成(Alpha-Compositing)或者阿尔法分解(Alpha-Zerlegung)。在这些标准方法中，体素或从体素形成的体积点被赋予颜色以及透明度值、更精确来说是用于不透明度的值或阻光度(通常用英语Opacity表示，其表示身体的不同层的透明性或遮盖力(deckkraft))。更具体地，一个对象点通常对应于以对颜色分量红、绿和蓝编码(所谓的RGB值)的三元组形式的三个颜色、以及对不透明性进行参数化的所谓的阿尔法值。这些参数综合形成颜色值RGBA，其与其它的对象点的颜色值(通常借助所谓的阿尔法混合(Alpha Blending)为了可视化部分透明的对象)组合或混合为用于像素的颜色值。

为了赋予合适的颜色值，通常利用光照模型工作。该光照模型在为了可视化而对对象建模的或模拟的光照情况下考虑灯光效果(通常是对象的表面上的灯光的反射；在此可以是检查的对象的外表面或内部层的表面)。

文献中有一系列被应用的光照模型。常用的例如有Phong或Blinn-Phong模型。

用于体绘制的最常用的方法中的一种是所谓的光线投影算法(Ray-Casting)或者说模拟用于表示或可视化身体的光照。在光线投影算法中，将从虚拟观察者的眼睛出发的虚拟光线，发送通过检查的身体或检查的对象。沿着光线，从体素确定对于采样点的RGBA值，并且借助阿尔法合成或阿尔法混合结合为用于二维图像的像素。在此，通常借助上面提到的光照模型中的一个在称为“阴影法(Shading)”的方法的范围内考虑光照效果。

对于在操作(透视变换、着色、剪裁，...)的过程中在每个修改的情况下都要重新进行体绘制的应用，通常由光照模型仅考虑局部效果，因为否则的话对于用户在应用期间会发生不可接受的延迟。但是这导致严重的质量损失。逼真的表示可以通过也考虑全局效果的方法来实现。在此有意义的是，由于不同的过程在计算时区分两种主要的效果。第一种效果是形成阴影(Shadows)。该效果由此使得，对于在通过对象的模拟光线上的点，在该点和现有的光源或多个光源之间的路径具有障碍，即，光线不能无阻碍地到达该点。用于计算该阴影影响的概念上最简单的方法是，从考察的点出发，将光线发送到光源(或者将光线发送到不同的光源)，以便确定，光线的哪些分量能够穿透该点。

要区别的是散射光线的效果(在专业文献中通常称为“ambient occlusion”或环境光遮蔽)。该效果归因于散射光线并且由此是非常重要的，因为仅通过直接的光不可见的结构变得可见。一般地，光线散射首先导致，光线从所有方向上射中对象。该散射光线可以通过物质被吸收，从而通过散射光分量得到对象的不规则的变亮。该效果的一个典型的例子是房间的角落，其比房间的中央显得更暗。散射光的吸收例如利用同样的方法来检查，利用该方法还可以确定阴影形成。但是，因为散射光不是来自固定的光源，而是来自所有方向，所以光线以随机方式从与表面局部一致的半球被发送，并且因此被检查，有多少散射光被吸收。人们称用于确定光照特征的光线发送为光线跟踪算法(Ray-Tracing)，并且称借助“ambient occlusion”的随机的光线采样为蒙特卡洛光线跟踪算法。在Zhukov等人的[4]中对“ambient occlusion”进行了定义。据此在表面的点上“ambient occlusion”的值是可以到达该点的环境光的光量。