一種人體心臟的實(shí)時逼真繪制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于真實(shí)渲染及表面繪制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于紋理空間次表面繪制方 法、實(shí)時半透明傳輸方法和粘液覆蓋表面繪制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)字醫(yī)學(xué)的虛擬手術(shù)技術(shù)，以其可重復(fù)、低風(fēng)險、精確建模等優(yōu) 點(diǎn)，得到臨床醫(yī)生的高度認(rèn)可，為醫(yī)生手術(shù)技能培訓(xùn)和手術(shù)預(yù)演等提供了一條全新的技術(shù) 途徑。同時，虛擬手術(shù)場景的逼真程度直接影響參與者的實(shí)踐效果，是真實(shí)虛擬手術(shù)場景的 一大挑戰(zhàn)。針對虛擬心臟手術(shù)支撐平臺構(gòu)建過程中的心臟器官逼真繪制部分遇到的心臟器 官活性繪制及實(shí)時性要求，本文提出了實(shí)時逼真繪制心臟的方法。
[0003] 現(xiàn)有人體器官的繪制方法可分為兩個方面：基于體數(shù)據(jù)的交互式實(shí)時繪制和基于 表面網(wǎng)格并作為虛擬手術(shù)繪制一部分的實(shí)時繪制。Hurrnusiadis等人利用半人工方式構(gòu)建 出虛擬心臟用于心臟病學(xué)的教育，此研宄著重與心臟結(jié)構(gòu)和功能性方面的表現(xiàn)，完全忽略 心臟的外表特點(diǎn)。同樣，Zhang Lei等人在體數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合分割的方法完成的實(shí)時交互 式心臟展示平臺，也沒有考慮心臟的外表面特性。
[0004] 人類的皮膚由于由多層半透明材質(zhì)散射其中傳輸?shù)墓饩€，產(chǎn)生次表面散射效果。 雖然皮膚次表面散射物理模擬具有較高的復(fù)雜性，但最近人臉表面的次表面效果的逼真繪 制有比較大的進(jìn)步。Jensen等人提出單偶極模型進(jìn)行皮膚次表面散射效果的繪制，后來 Donner和Jensen等人又提出了多偶極模型以便能夠更好的處理多層材質(zhì)。Borshukov和 Green等人提出基于紋理空間的散射繪制方法，可實(shí)時繪制出較逼真的效果，但卻無法處理 在器官表面較薄區(qū)域光穿透的效果。基于此，d' Eon等人基于半透明陰影貼圖產(chǎn)生了較好 的繪制效果，但是不能應(yīng)用于屏幕空間，并且占用較多的內(nèi)存。Jimenez等人總結(jié)皮膚次表 面效果和人眼觀察特性提出了一個簡單并且有效的皮膚次表面散射效果的繪制方法，該方 法有效模擬了多層皮膚的反射和半透明。本文借助前人對皮膚繪制方法的研宄與實(shí)現(xiàn)，并 修改皮膚繪制的參數(shù)進(jìn)行心臟次表面散射效果繪制地嘗試，產(chǎn)生了較逼真地次表面散射效 果。
[0005] 另外，心臟的外表面一般是粘液覆蓋的并且對心臟的逼真性有著重要的影響。 Raphael等人使用高光模型來提高肝臟表面的繪制效果，結(jié)果繪制出來的心臟有很強(qiáng)的塑 料感，表明僅僅使用高光很難模擬出逼真的粘液覆蓋效果。Hao Aimin等人使用單偶極模型 的方法重新繪制心臟表面，在心臟表面引入次表面散射效果，但由于單偶極模型的限制繪 制效果不能很好表現(xiàn)器官表面的次表面效果，本文的繪制方法使得心臟表面更加柔和，并 且在較薄區(qū)域有明顯的半透效果。Mohamed等人考慮到器官表面并非完美平滑以及器官表 面多層折射作用，使用柏林噪音產(chǎn)生反射貼圖和折射貼圖，并將它們有效融合的方式，獲得 了較好的表面粘滑的效果。
[0006] 本發(fā)明將結(jié)合心臟表面的特點(diǎn)、人臉繪制方法和粘液覆蓋表面繪制方法有效解決 了心臟實(shí)時逼真繪制問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：在心臟外科模擬和醫(yī)學(xué)培訓(xùn)中，心臟表面的逼真繪 制對提高參與者的體驗(yàn)至關(guān)重要，但由于心臟表面物理復(fù)雜性，現(xiàn)有的心臟實(shí)時繪制方法 差強(qiáng)人意。本發(fā)明基于心臟表面的特點(diǎn)，利用現(xiàn)有人臉次表面實(shí)時繪制和粘液覆蓋效果繪 制的經(jīng)驗(yàn)提出人體的實(shí)時逼真繪制方法，并利用預(yù)處理的方法提高了計算與繪制效率，該 方法主要基于紋理空間次表面散射方法、粘液覆蓋方法以及其它心臟表面效果有效的融合 完成心臟表面的逼真實(shí)時繪制。
[0008] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案為：一種人體心臟的實(shí)時逼真繪制方法，由 于整個繪制三個階段中的光照計算階段最為重要，因此下面主要介紹光照計算方法，其它 階段利用基礎(chǔ)的方法就可完成，光照計算階段的關(guān)鍵步驟如下：
[0009] 1.紋理空間次表面散射
[0010] 步驟1.1紋理空間次表面散射方法使用多偶極模型表達(dá)擴(kuò)散分布圖解析表達(dá)式 R(r)來描述了光在物體表面擴(kuò)散的形狀，并將R(r)表示成多個高斯核函數(shù)的線性之和，在 進(jìn)行心臟繪制時，至少使用四個才能更好的近似R(r)，當(dāng)然使用更多的核函數(shù)會提高繪制 的精度，但增加了繪制的時間。
[0011] 步驟1.2離散化R(r)成核函數(shù)，即通過離散采樣的方式將連續(xù)的擴(kuò)散分布圖表達(dá) 式與紋理圖像卷積的操作，轉(zhuǎn)變成離散的核函數(shù)與紋理空間圖像的卷積操作。
[0012] 步驟1. 3由于高斯核函數(shù)的旋轉(zhuǎn)對稱性和可分離性，多個高斯函數(shù)卷積的和可以 近似為多個高斯函數(shù)和的卷積，因此，我們使用多個高斯核函數(shù)的和對原始光照紋理分布 在u方向和V方向卷積，并存入繪制緩存。
[0013] 2.實(shí)時半透明傳輸方法
[0014] 步驟2. 1根據(jù)半透明陰影繪制原理，首先根據(jù)半透明陰影貼圖原理，以光源作為 視角來存儲物體到最近光源點(diǎn)的位置和紋理坐標(biāo)，那么在計算穿透點(diǎn)的光照強(qiáng)度時，可以 使用此紋理坐標(biāo)獲得背部的光照強(qiáng)度，使用位置坐標(biāo)并通過計算光在物體內(nèi)部傳輸?shù)木嚯x d〇
[0015] 步驟2. 2光在心臟內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中，會發(fā)生衰減，其衰減程度由衰減函數(shù)T(S) 決定，利用光在心臟內(nèi)部傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，簡化光照計算的模型，推導(dǎo)出繪制點(diǎn)輻射度的近似公 式，利用步驟2. 1中的傳輸距離和背部光照強(qiáng)度作為輸入，在像素著色器中進(jìn)行半透明傳 輸強(qiáng)度的計算。
[0016] 3.粘液覆蓋表面高光效果
[0017] 步驟3. 1首先，通過心臟三維網(wǎng)格模型中頂點(diǎn)的切向量和頂點(diǎn)向量進(jìn)行叉乘，獲 得TBN轉(zhuǎn)換矩陣，對凹凸貼圖向量進(jìn)行采樣，并利用TBN轉(zhuǎn)換矩陣將凹凸向量轉(zhuǎn)換到世界坐 標(biāo)系中。
[0018] 步驟3. 2首先，對陰影紋理進(jìn)行采樣，考察繪制點(diǎn)的遮擋狀況；然后，通過光源和 繪制點(diǎn)的距離，計算光照強(qiáng)度的衰減；最后，利用Kelemen/Szirmay-Kalos