专利名称：面向色盲设计颜色传输函数用于体绘制的方法
技术领域：
本发明涉及一种辅助用户设计适合色盲观察者的颜色传输函数用于直接体绘制的方法，属于体数据可视化及图像处理领域。
背景技术：
体数据可视化作为一种有效的交流与分析体数据的工具被广泛使用，然而约总人口的8%面临着不同程度的视觉障碍(色盲和色弱)，这部分观察者同样有浏览与探索体数据的需求。传统的面向色盲观察者的改进方法主要是基于图像重新着色的，主要分为两类1)通过设置一些参数进行部分颜色偏移；2)对图像包含的整体颜色种类进行颜色对比度增强优化，然后重新着色图像的每个像素。前者需要通过调节参数，交互复杂而效果一般；后者最优化一个目标方程，通常能得到最优化的对比度增强方案。由于对体数据的浏览是一个交互的过程，用户需要通过旋转、平移等操作观察体绘制的结果，而基于图像的重新着色的方案需要针对每一帧绘制结果进行优化，因此它通常面临着性能问题而无法使用户得到满意的交互体验。另外，在不同视角的两帧之间，不同的图像内容生成不同的优化结果，而优化结果的变化导致重新着色后的体绘制结果中的相同结构部分产生颜色不一致现象(颜色偏移问题)；而当相邻两帧的优化结果不同的时候，可能会造成颜色色调被反转的现象(时序不一致问题)。特别地，传统的颜色加法算子是针对两个RGB颜色空间中颜色的融合，即两个颜色的R、G、B分量分别线性插值后得到一个新的颜色，而色盲观察者的视觉颜色感知空间是在LMS颜色空间中两个相交的半平面(相关技术可参考H. Brettel, F. Vienot, and J. D. Mollon. ,1997, Computerized simulation of color appearance fordichromats)，使得线性插值后得到的融合颜色与输入的两个颜色之间的关系在色盲观察者的视觉感知中不再是线性的，因此会一定程度上导致融合后的颜色丢失其本应表达的信息，干扰色盲观察者对图像内容的探索(例如，使用传统方法将两个颜色按照一定的不透明度进行融合后得到的颜色，在色盲观察者的视觉感知中，可能会与原来的两个颜色之一的颜色感知距离太近，导致无法区分三个不同颜色的情况，造成对结果图像的不正确理解)
发明内容
本发明的目的是提供一种面向色盲设计颜色传输函数用于体绘制的方法，它可辅助用户设计适合色盲观察者的颜色传输函数用于直接体绘制。为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是所述面向色盲设计颜色传输函数用于体绘制的方法包括如下步骤(1)根据体数据、包含不同颜色的颜色传输函数和不透明度传输函数，在当前视角下通过基于光线投射的体绘制方法绘制得到体绘制的初步结果图像；(2)对所述初步结果图像进行重新着色，以将所述初步结果图像中的色盲观察者所不能区分的颜色替换为色盲观察者能够区分的颜色；
(3)保持所述不透明度传输函数不变，从绘制窗口中随机采样非背景的像素位置， 所采样的非背景的像素位置的数量大于等于所述颜色传输函数中的颜色种类；在所采样的非背景的各像素位置上分别投射一条从视点出发的光线，通过光线投射方法累积该条光线上的所述颜色传输函数中的各种颜色所对应的权重值，相应得到关于所述颜色传输函数中的各种颜色的线性组合，所述线性组合以对应的所述权重值为系数；(4)令各所述线性组合分别等于经步骤(2)重新着色得到的结果图像在所采样的非背景的各所述像素位置处的颜色，得到相应的方程并组成一个线性方程组，所述线性方程组以所述颜色传输函数中的各种颜色的分量作为未知数，且各未知数的取值范围符合其所在的颜色空间所定义的取值范围；后使用带约束条件的最小二乘法对所述线性方程组求解，得到新的颜色传输函数中的各种颜色；(5)根据所述体数据、所述新的颜色传输函数和所述不透明度传输函数，在当前视角下使用基于光线投射的体绘制方法绘制得到最终的体绘制的结果图像。进一步地，本发明在步骤(5)中，使用所述基于光线投射的体绘制方法时，在颜色累积过程中，按以下步骤进行两个颜色的融合1)先将处于同一颜色空间的第一颜色和第二颜色相应地转化为LMS颜色空间的第三颜色和第四颜色；将所述第三颜色和第四颜色分别通过色盲模拟模型相应地转化为第五颜色和第六颜色；在所述色盲模拟模型中，色盲观察者的LMS颜色空间由两个相交的半平面组成；2)在所述两个相交的半平面上寻找一条连接所述第五颜色和第六颜色的最短路径；在所述最短路径上寻找一个目标点，使得该目标点与所述第五颜色和第六颜色所对应的点满足以下关系式(I)，d(G, C5) d(G, C6) = α2 (1—α2) (I)式(I)中，C5、C6、G分别表示第五颜色、第六颜色、所述目标点在所述色盲观察者的 LMS颜色空间的位置，d(G，C5)和d(G，C6)分别表示目标点沿着所述最短路径到C5和C6的距离，α 2表示所述第二颜色对应的不透明度；3)将目标点所对应的颜色转换为第一颜色和第二颜色所在的颜色空间的第七颜色；4)将所述第一颜色、第二颜色和第七颜色分别相应地转换为LW颜色空间中的第八颜色、第九颜色和第十颜色；保持第十颜色的a*通道和b*通道的分量值不变，按以下式 (II)对第十颜色的L*通道的分量值进行修改，L*10 = (1-α 2) XL*8+a 2XL*9, (II) 式(II)中，ΙΛ、ΙΛ和分别表示第八颜色、第九颜色和第十颜色的L*通道分量的值，α 2表示所述第二颜色对应的不透明度；5)将经步骤4)修改的第十颜色转换为第一颜色和第二颜色所在的颜色空间的颜色。 与现有技术相比，本发明的有益效果是 首先，本发明方法得到的是一个优化的颜色传输函数，因而避免了在每一帧都需要进行优化求解的步骤，提高了绘制效率，也提升了用户在浏览体数据时的交互体验；其次，由于使用了一个优化的颜色传输函数，在用户进行交互体数据浏览过程中就避免了因对不同帧的体绘制结果图像进行单独的全局优化而造成的颜色偏移问题和时序一致性的问题；最后，使用本发明的新的颜色融合算子，可以避免当两个颜色融合后产生的颜色与原来的两个颜色之一的颜色感知距离太近而造成无法区分的情况，有效降低色盲观察者对体绘制结果图像所包含信息的不正确理解。
图1是本发明方法的流程示意图；图2是色盲LMS颜色空间中对两个颜色进行颜色融合的示意图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的面向色盲设计体绘制颜色传输函数的方法作进一步说明，具体步骤如下步骤1)首先按照传统的体绘制框架流程，读入体数据；然后，用户通过系统提供的传输函数设计界面设计一个包含M种不同颜色的颜色传输函数和一个不透明度传输函数，或者从磁盘导入一个已保存的传输函数的配置文件；接着，根据体数据、包含M种不同颜色的颜色传输函数和不透明度传输函数，通过基于光线投射的直接体绘制方法(如图1 中的步骤a)绘制得到在当前视角下的体绘制的初步结果图像。步骤2)对于步骤1)得到的当前视角下的体绘制的初步结果图像，使用面向色盲的基于图像的重新着色的方法，对其进行重新着色(如图1中的步骤b)，以将初步结果图像中的色盲观察者不易区分的颜色替换为色盲观察者容易区分的颜色，使得重新着色后的结果图像尽可能多地包含色盲观察者容易区分的颜色分类信息，以利于色盲观察者更容易地理解图像所包含的信息。其中，面向色盲的基于图像的重新着色的方法可以是Kuhn等人提出的基于带约束的全局优化重新着色方法(相关技术可参考G. R. Kuhn,Μ. M. Oliveira, and L Α. F.Fernandes.，2008，An efficient naturalness-preserving image-recoloring method for dichromats)、Machado等人提出的实时的时序一致的对比增强方法(相关技术可参考 G. M. Machado and Μ. Μ. Oliveira. , 2010, Real-time temporal-coherent color contrast enhancement for dichromats)等。步骤3)保持步骤1)所述的不透明度传输函数不变，将步骤1)所述的颜色传输函数定义为一组由M种不同的未知颜色组成的集合ICiIi = 1，2，...，M}(如图1中的步骤 c)；随机采样绘制窗口中的数量为N (N彡M)的非背景的像素位置，记作{Pk|k= 1,2,..., N}；在各个采样得到的非背景的像素位置Pk(k = 1,2,...，N)上，分别投射一条从视点出发的光线，通过光线投射方法累积该条光线上的M种不同的颜色值所对应的权重值，相应得到关于所述未知颜色集合中的M种不同颜色的线性组合如下
权利要求
1.一种面向色盲设计颜色传输函数用于体绘制的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)根据体数据、包含不同颜色的颜色传输函数和不透明度传输函数，在当前视角下通过基于光线投射的体绘制方法绘制得到体绘制的初步结果图像；(2)对所述初步结果图像进行重新着色，以将所述初步结果图像中的色盲观察者所不能区分的颜色替换为色盲观察者能够区分的颜色；(3)保持所述不透明度传输函数不变，从绘制窗口中随机采样非背景的像素位置，所采样的非背景的像素位置的数量大于等于所述颜色传输函数中的颜色种类；在所采样的非背景的各像素位置上分别投射一条从视点出发的光线，通过光线投射方法累积该条光线上的所述颜色传输函数中的各种颜色所对应的权重值，相应得到关于所述颜色传输函数中的各种颜色的线性组合，所述线性组合以对应的所述权重值为系数；(4)令各所述线性组合分别等于经步骤(2)重新着色得到的结果图像在所采样的非背景的各所述像素位置处的颜色，得到相应的方程并组成一个线性方程组，所述线性方程组以所述颜色传输函数中的各种颜色的分量作为未知数，且各未知数的取值范围符合其所在的颜色空间所定义的取值范围；后使用带约束条件的最小二乘法对所述线性方程组求解， 得到新的颜色传输函数中的各种颜色；(5)根据所述体数据、所述新的颜色传输函数和所述不透明度传输函数，在当前视角下使用基于光线投射的体绘制方法绘制得到最终的体绘制的结果图像。
2.根据权利要求1所述的面向色盲设计颜色传输函数用于体绘制的方法，其特征在于，在步骤(5)中，使用所述基于光线投射的体绘制方法时，在颜色累积过程中，按以下步骤进行两个颜色的融合1)先将处于同一颜色空间的第一颜色和第二颜色相应地转化为LMS颜色空间的第三颜色和第四颜色；将所述第三颜色和第四颜色分别通过色盲模拟模型相应地转化为第五颜色和第六颜色；在所述色盲模拟模型中，色盲观察者的LMS颜色空间由两个相交的半平面组成；2)在所述两个相交的半平面上寻找一条连接所述第五颜色和第六颜色的最短路径； 在所述最短路径上寻找一个目标点，使得该目标点与所述第五颜色和第六颜色所对应的点满足以下关系式(I)，d(G，C5) d(G，C6) = α2 (1-α2) (I)式(I)中，C5、C6、G分别表示第五颜色、第六颜色、所述目标点在所述色盲观察者的LMS 颜色空间的位置，d(G，C5)和d(G，C6)分别表示目标点沿着所述最短路径到C5和C6的距离， α2表示所述第二颜色对应的不透明度；3)将目标点所对应的颜色转换为第一颜色和第二颜色所在的颜色空间的第七颜色；4)将所述第一颜色、第二颜色和第七颜色分别相应地转换为LW颜色空间中的第八颜色、第九颜色和第十颜色；保持第十颜色的a*通道和b*通道的分量值不变，按以下式 (II)对第十颜色的L*通道的分量值进行修改，
全文摘要
本发明公开一种面向色盲设计颜色传输函数用于体绘制的方法。它是在体绘制系统中导入体数据，设计颜色传输函数和不透明度传输函数，用基于光线投射算法的体绘制方法绘制得到结果图像；用面向色盲的重新着色方法对所述结果图像重新着色；令颜色传输函数包含的颜色值未知，采样窗口中的部分非背景像素并对这些像素分别投射光线并累积关于未知颜色的权值，得到未知颜色的线性组合；令每个所述的线性组合等于重新着色后图像在相应像素位置处的颜色，求解得到未知的颜色并构造新的颜色传输函数；使用新的颜色传输函数，并使用新的面向色盲的颜色融合算子，绘制体数据得到适合色盲观察者探索的结果图像。
文档编号G06T15/08GK102289840SQ20111016495
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月18日 优先权日2011年6月18日
发明者陈为, 陈伟锋, 鲍虎军 申请人:浙江大学