基于股骨ct图像的实时阴影体绘制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于股骨CT图像的体绘制方法，尤其涉及的是一种基于股骨CT 图像的实时阴影体绘制方法。
【背景技术】
[0002] 体绘制又称直接体绘制，是科学可视化领域中的一个技术方向。体绘制技术可以 强化视觉效果，增强真实感。方法主要有：光线投射算法（Ray-casting)、错切-变形算法 (Shear-warp)、频域体绘制算法（Frequency Domain)和抛雪球算法（Splatting)，其中光线 投射算法应用最为广泛。
[0003] 光线投射算法是基于图像序列的直接体绘制算法，它从图像的每一个像素出发， 沿固定方向投射光线，光线穿越整个图像序列，在这个过程中，对图像序列进行采样获取颜 色值和透明度，根据光线吸收模型将颜色值和透明度进行累加，直至光线穿过整个图像序 列，从而在屏幕上形成最终的图像。
[0004] 随着现代图形技术的迅速发展，计算机实时渲染技术得到广泛应用，主要包括虚 拟现实及三维仿真系统、计算机动画、反走样、实时阴影技术等。其中，实时阴影技术可以为 场景中物体的相对位置提供丰富的视觉信息，增强了图像的真实感，使创建复杂的光照效 果成为可能。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于提供一种基于股骨CT图像的实时阴影体绘制方法，实现体绘制 的阴影效果，加强绘制真实感。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案是： 一种基于股骨CT图像的实时阴影体绘制方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 用三维激光扫描仪扫描物体，获取医学三维体数据集； (2) 采用中值滤波图像增强技术对获得的体数据进行滤波处理； (3) 采用光线投射算法对三维体数据进行重建； (4) 对获取的模型进行实时阴影绘制； (5) 形成具有阴影效果的图像。
[0007] 所述获取三维体数据集包括：获取研宄对象的多张断层股骨CT图像，将图像dcm 格式转化为bmp格式，并用Photoshop软件擦掉图像上不感兴趣的部分，以便于处理。
[0008] 所述对获得的体数据进行处理包括以下步骤： (1) 将图像四周边缘进行横向和纵向拓展，拓展后的像素用相邻像素的值替代，以增强 边缘信息； (2) 采用3 X 3的模板窗口对拓展后的图像进行中值滤波处理，得到去噪后的规则体数 据集。
[0009] 所述光线投射算法包括以下步骤： (1) 沿视线方向，从屏幕上的每一个像素点出发，投射一条能够穿过体数据场的光线， 并沿着光线路径进行等距离采样； (2) 通过插值和明暗等操作，求出采样点的不透明度以及颜色值； (3) 根据采样点的颜色值和不透明度采用由前向后或由后向前的方式进行合成，即可 得到屏幕上该像素点处的颜色值，从而在屏幕上形成最终的图像。
[0010] 所述形成具有阴影的图像具体方法为： 假设根据光线投射算法得到模型上的任意一点为P，光的方向为￡，沿着光的 方向投影到平面上的点为巩氙取U)，平面上方程为▲+% + &+￡)=0;假设 公=Ρ+?(免>=0);因为点公是平面上的一点，所以』x￡k + 5x办+ (7x*Sfe + ￡) = 0，设置 向量iV(J，5，C,D)，即可得公 ><況=13，根据，可得〇?+_￥浞=〇,推导可求出 * = -P/i，其中，A、B、C、D为常数，且A、B、C不同时为0 ; 由以上所求的1值，求出模型上所有投影到平面上的点都，由此绘制出具有阴影效果 的图像。
[0011] 本发明的有益效果是： 本发明针对股骨CT图像进行体绘制采用光线投射算法的原理，根据原始股骨CT图像， 采用中值滤波技术对断层图像进行滤波处理，绘制出股骨模型，并采用阴影绘制技术绘制 模型，增强了图像的真实感，达到了较好的可视化效果。本发明方便实用，结果也符合预期 要求，在医疗、三维建模和工业设计及逆向工程等领域，仍是一个重要的研宄方向。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的基于股骨CT图像的实时阴影体绘制方法流程图。
【具体实施方式】
[0013] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施 方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
[0014] 如图1所示，是本发明实施例股骨CT图像的实时阴影体绘制方法流程图，主要包 括以下步骤： 1. 用三维激光扫描仪扫描物体，获取医学三维体数据集； 2. 采用中值滤波图像增强技术对获得的体数据进行滤波处理； 3. 采用光线投射算法对三维体数据进行重建； 4. 对获取的模型进行实时阴影绘制； 5. 形成具有阴影效果的图像。
[0015] 由于在对股骨进行CT扫描的时候，难免会存在人为操作和仪器的误差，给图像带 来一定的噪声，所以需要对CT图像进行中值滤波等平滑处理，并去除图像上不感兴趣的部 分，尽可能的使之成为符合股骨的真实数据。
[0016] 转换股骨CT数据的dcm格式为bmp格式，使之成为能够被光线投影算法处理的对 象。
[0017] 对获得的体数据进行处理包括以下步骤： (1) 将图像四周边缘进行横向和纵向拓展，拓展后的像素用相邻像素的值替代，以增强 边缘信息； (2) 采用3 3的模板窗口对拓展后的图像进行中值滤波处理，得到去噪后的规则体数 据集。
[0018] 光线投射算法包括以下步骤： (1) 沿视线方向，从屏幕上的每一个像素点出发，投射一条能够穿过体数据场的光线， 并沿着光线路径进行等距离采样； (2) 通过插值和明暗等操作，求出采样点的不透明度以及颜色值； (3) 根据采样点的颜色值和不透明度采用由前向后或由后向前的方式进行合成，即可 得到屏幕上该像素点处的颜色值，从而在屏幕上形成最终的图像。
[0019] 形成具有阴影的图像具体方法为： 假设根据光线投射算法得到模型上的任意一点为P，光的方向为￡，沿着光的 方向投影到平面上的点为风办，沒，1)，平面上方程为▲+办+ G + D = 〇 ;假设 ;因为点5是平面上的一点，所以H + 5X办+ σχ& + ￡)=0,设置 向量，即可得Sx及=0，根据公=尸+紅，可得（F +杜)χ汉=0,推导可求出 * =-户/￡，其中，八、8、(：、0为常数，且八、8、(：不同时为0; 由以上所求的t值，模型上所有投影到平面上的点都可以求出，由此可以绘制出具有 阴影效果的图像。
[0020] 在光线投射算法中，通过插值和明暗等操作，计算出采样点的不透明度和颜色值， 采用以下合成函数得到每条光线在平面上的像素点颜色值：
其中，表示每条光线上第i个采样点的不透明度，^^表示第I个采样点的颜色值， ^表示进入第！个采样点的不透明度值，^表示进入第；个采样点的颜色值，表示经过 第第？个采样点的不透明度，c7M表示经过第第〗个采样点的颜色值。
[0021] 在实时阴影绘制过程中，根据光线投射算法得到的模型求出视图矩阵，用图形软 件接口 OpenGL中的m3dMakePlanarShadowMatrix函数计算阴影矩阵。其中，光源的位置， 返回的是一个变换矩阵，用当前视图矩阵乘以这个矩阵，将得到阴影矩阵，即模型具有阴影 效果。
【主权项】
1. 一种基于股骨CT图像的实时阴影体绘制方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 用三维激光扫描仪扫描物体，获取医学三维体数据集； (2) 采用中值滤波图像增强技术对获得的体数据进行滤波处理； (3) 采用光线投射算法对三维体数据进行重建； (4) 对获取的模型进行实时阴影绘制； (5) 形成具有阴影效果的图像。2. 根据权利要求1所述基于股骨CT图像的实时阴影体绘制方法，其特征在于：所述获 取三维体数据集包括：获取研宄对象的多张断层股骨CT图像，将图像dcm格式转化为bmp 格式，并用Photoshop软件擦掉图像上不感兴趣的部分，以便于处理。3. 根据权利要求1所述基于股骨CT图像的实时阴影体绘制方法，其特征在于：所述对 获得的体数据进行处理包括以下步骤： (1) 将图像四周边缘进行横向和纵向拓展，拓展后的像素用相邻像素的值替代，以增强 边缘信息； (2) 采用3x3的模板窗口对拓展后的图像进行中值滤波处理，得到去噪后的规则体数 据集。4. 根据权利要求1所述基于股骨CT图像的实时阴影体绘制方法，其特征在于：所述光 线投射算法包括以下步骤： (1) 沿视线方向，从屏幕上的每一个像素点出发，投射一条能够穿过体数据场的光线， 并沿着光线路径进行等距离采样； (2) 通过插值和明暗等操作，求出采样点的不透明度以及颜色值； (3) 根据采样点的颜色值和不透明度采用由前向后或由后向前的方式进行合成，即可 得到屏幕上该像素点处的颜色值，从而在屏幕上形成最终的图像。5. 根据权利要求1所述基于股骨CT图像的实时阴影体绘制方法，其特征在于：所述形 成具有阴影的图像具体方法为： 假设根据光线投射算法得到模型上的任意一点为P，光的方向为i，沿着光的 方向投影到平面上的点为巩取取故1)，平面上方程为At+办+Cfe+Z) = 0 ;假设 ￡^P+M#>=0);因为点公是平面上的一点，所以+ 办+Cx& +D=〇,设置 向量W(為5,C'￡))，即可得公，根据及=p+杜，可得〇P+M)x2/=〇,推导可求出 * =-尸/￡，其中，八、8、(：、0为常数，且八、8、(：不同时为0; 由以上所求的i值，求出模型上所有投影到平面上的点，由此绘制出具有阴影效果的 图像。
【专利摘要】本发明涉及一种基于股骨CT图像的实时阴影体绘制方法，通过将阴影添加到三维场景中，可以渲染出真实感更强的图像，提供更加丰富的视觉信息。本发明具体处理过程步骤为：获取三维体数据集；对体数据集进行中值滤波预处理；采用光线投射算法完成三维体数据的可视化；实时阴影绘制；形成具有阴影的图像。本发明使重建后的图像更接近于实际情况，达到了实时绘制的效果。
【IPC分类】G06T17/10, G06T15/60
【公开号】CN104915992
【申请号】CN201510327028
【发明人】张建国, 钟涛, 左俊彦
【申请人】上海应用技术学院
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月15日