CN102024269A - 在体绘制中有效确定灯光效果 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种借助体绘制二维地表示对象的方法，其中使用对象的表示，在该表示中在对象的空间点上给出表征对象的参数的值。借助不使用光照模型或使用局部光照模型的体绘制方法，确定用于在显示屏上作为像素表示的混合的颜色值。为了确定阴影形成的影响或环境光遮蔽的影响，模拟至少一条从对象的表面出发的光线并且借助该至少一条光线确定用于阴影形成的影响的值或用于环境光遮蔽的影响的值。最后将所述混合的颜色值与所确定的值组合，以便获得考虑了阴影形成或环境光遮蔽的影响的混合的颜色值。该方法是开销低的并且同时对于多种对象具有高的图像质量。
Description
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。
光线跟踪方法的问题是高的开销。从模拟的光线上的每个采样点产生光线(一条光线用于每个光源并且多个光线用于“ambient occlusion”)。同样考虑到该开销，关于光线跟踪方法也被称为“brute force”方法。相应的开销对于对象的表示的交互修改通常太高，因此目前通常弃用灯光效果的逼真表示，尽管阴影和环境光遮蔽是全局效果。考虑全局光照效果的这样的方法，或者需要数据的极大的预处理(pre-processing)，或/和需要构造附加的预先计算的数据结构(deep shadow maps[2]，shadow mapping[1]，summed area tables[5]，computinglocal histograms[6]，vicinity shading [7])。其它方法受到其应用可能性的限制(例如half-angle slicing[1]不可应用于光线投影算法)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，使得能够低开销地表示光线效果。
按照本发明，对于对象的表示，从不利用光照模型或仅利用局部光照模型(例如Blinn-Phong模型)的体绘制出发。
在此对象以体素形式呈现，即，以从对象的空间点上出发的、表征对象的参数(例如密度)的标量值的形式呈现。换言之，作为对于多个空间点的位置的函数给出标量数组(Feld)。以下关于对象的通过体素的该表示也使用对象的三维表示的概念。
体绘制对于通过显示屏的显示在二维上形成三维表示。具体来说，该成像提供用于二维图像的像素或者说图像点。以下仅对于三维表示使用体素的概念并且仅对于二维表示使用像素的概念。
例如通过测量系统获得体素。典型地例如是借助计算机断层造影的测量、其对于不同的拍摄位置提供投影，从这些投影重建体素。其它的可能性是超声波方法或核自旋拍摄。体素通常以所谓的灰度值的形式呈现，这些灰度值表示在该位置上对象的相应密度的度量。
目前常用多次直接体绘制方法，例如光线投影算法。该方法通常这样运行：模拟落到对象上的视线。沿着该视线确定表征的参数的值，为所确定的值赋予颜色值，并且将该颜色值为了在显示屏上作为像素表示而重叠为一个混合的颜色值(RGB：可能是三个值)。混合的颜色值通常以RGB值或RGBA值的形式呈现。“颜色值”的概念在此包括颜色表示的不同形式。特别地，该概念还包括以三个或四个值的形式的表示作为RGB值或RGBA值。
按照本发明，校正体绘制的结果，以便考虑全局的灯光效果。具体来说在此是阴影形成(shadows)和环境光遮蔽(ambient occlusion)的效果。
至少对于这两个效果中的一个进行校正。该校正的确定对于两种情况来说是类似的。如在“brute force”计算的情况下那样模拟至少一条光线，该光线作为测试光线逐段地采集对灯光效果的份额。沿着一条光线的份额然后累加为该光线的总份额。光线的数量及其方向通常取决于检查的效果。为了考虑阴影，优选地将测试光线向每个光源的方向发送。对于环境光遮蔽，将多个测试光线向不同的、例如随机选择的方向发送。在此，在一个步骤中可以进行两个效果的确定，其中，必要时对于两个效果使用一条模拟的光线或模拟的光线的一部分。在多条光线的情况下(例如用于环境光遮蔽的多条光线)，通常将用于各个光线的结果结合为一个结果，其中可以对各个光线进行加权。
与常规的“bruteforce”方法不同，校正计算不是对于例如在光线投影算法情况下的光线的各个采样值进行，而是通常每个光线投影光线仅进行一次或者说每个混合的颜色值或像素仅进行一次。
对于用于确定关于阴影和/或环境光遮蔽进行校正的测试光线的起始点，位于对象的一个表面上。在此优选是外表面。但是还可以有意义的是，按照对象组成，从一个内表面开始(可能当对象的最外面的物质或组织层实际上是透明的时)。
在光线投影算法中，起始点例如是模拟的光线投影光线到对象的进入点(在“从前到后”方法中是有意义的)或者从对象出来的离开点(在“从后到前”方法中是有意义的)。
借助至少一条测试光线，确定用于影响阴影形成的值或用于影响环境光遮蔽的值(优选用于两个效果的值)。
在体绘制中获得的混合的颜色值与确定的值组合，以便获得考虑阴影形成或环境光遮蔽(优选考虑二者)的影响的混合的颜色值。在此，通常是混合的颜色值与仅用于对阴影形成的影响或环境光遮蔽的影响的考虑(不计对在体绘制的步骤中通过局部的光照模型的影响的可能的考虑)的确定的值的组合。
对于本发明来说关键的认识是，所进行的近似，即，对于混合的颜色值或对于像素仅进行一次或就进行一次对“阴影”和/或“环境光遮蔽”效果的计算，对于许多类对象相比于例如对于沿着整个光线投影光线的采样值的像素进行校正的校正过程，导致非常小的质量损失。按照一定的方式，不是在体素层面上进行校正而是在像素层面上或者说在二维空间中进行校正。
而开销极大(大于一个数量级)地降低，从而在目前通常的硬件上能够足够快地对于可视化对象的交互操作(旋转、处理、修改光源，...)进行重新计算。
按照本发明内容的实施方式，可以进一步降低开销，方法是，限制测试光线的长度或者通过仅对于一部分像素进行阴影和/或环境光遮蔽的效果的计算，并且通过对所计算的值进行插值获得缺少的值。
附图说明
以下在实施例的范围内借助附图详细解释本发明。其中，
图1示出了环境光遮蔽的图解，
图2示出了按照本发明的方法的示意图，
图3示出了图像的按照本发明的合成，
图4示出了用于解释按照本发明产生的图像的图像质量的图像的比较，
图5示出了三个组成部分的表示，从这些组成部分按照本发明合成一幅图像，
图6示出了对于不同的光照模型的图像质量的比较，
图7示出了用于执行按照本发明方法的硬件结构。
具体实施方式
“Ambient occlusion”或者说环境光遮蔽是用于计算在对象周围的环境中散射光线的影响的简化方法。该光线通常来自所有方向。由于局部阴影形成，较少的光线到达对象的洞或角，从而这些洞或角比平滑区域看起来更暗。用于近似这样的散射光效果的直接的(brute force)方法是在光线投影算法中对于每个采样位置在不同方向上发送大量模拟测试光线，以便探测吸收光线的结构并且考虑相应的光吸收。如果采样位置位于隐含的表面上，则将光线在隐含的表面之上的半球上发送就足够。这点在图1中详细示出。在图1的情况a中，将光线在半球上分布地发送。这些光线遇不到达障碍物，从而在此在环境光遮蔽的过程中不出现遮蔽。在情况b中，在右手侧存在吸收的壁，该壁在示出的情况下实际上吸收一半的光线，从而occlusion或者说遮盖占大约50％。在情况c中上面存在一个球形的吸收结构，从而光线(在第3幅图中是9条光线)的三分之一被吸收。在这种情况下具有大约33％的occlusion或者吸收。
直接的方法(brute force)需要非常巨大量的计算时间和存储器，因为在光线投影算法期间必须采样大量的采样点。对于阴影的全局计算也具有同样的考虑，即，在模拟中屏蔽来自光源的光线的直接照射。对于阴影，在“brute force”算法中在每个光源的方向上发送测试光线。该过程包含非常巨大的开销，该开销特别地使得实时交互操作可视化对象(分别更替、处理对象...)是不可能的。本发明着手于此。现在结合图2详细解释本发明的一种实施方式。在第一步骤中，进行通常的光线投影算法(利用局部光照模型或完全不考虑灯光效果)。作为结果，获得借助阿尔法混合所混合的RGB值，该RGB值表示对于待计算的像素的第一近似。在此，还可以通过随机抖动(Jittering)来抑制采样伪影。
在第二步骤中，从对象的表面在光源的方向上发送测试光线，以便确定阴影的影响。结果是在0和1之间的值，该值表示阴影影响的度量(0＝完全被遮盖，1＝没有阴影)。测试光线或阴影光线要么到达吸收的结构并且积累阴影效果、要么无阻碍地到达光线。所有阴影光线的结果可以合成为利用灰度值形成的阴影图像。
在第三步骤中，考虑全局的散射光吸收。仍然从对象的表面发送测试光线并且具体来说在表面的半球之上按照多个随机选择的方向(参见图1)发送。对沿着光线到达的材料或体积，分析其影响并且累加为一个总值。可以将这些结果合成为一幅图像。
还可以组合步骤2和3；在此要考虑，既可以对于阴影的计算也可以对于散射光吸收的计算使用可能的各个光线。
在第四步骤中，对散射光吸收计算的结果滤波，例如利用高斯滤波器或双边滤波器。可选地还可以对阴影图像同样进行这样的滤波。
在第五步骤中，将第一、第二和第三步骤的结果互相组合。组合的颜色值ORGBA(即，结果的RGBA值)例如可以利用以下说明的规则a.-d.来确定。在此，ORGB表示RGB分量，OA表示阿尔法值，VRT(volume rendering technique，体绘制技术)或VRTRGBA表示在第一步骤中借助常规的体绘制确定的结果。在此，可以考虑在局部光照模型的范围内的阴影(Shading)或者还可以根本不考虑(参见在规则d.中的VRT UnshadedRGB)。SH(Shading)是对于阴影计算的第二步骤的结果，并且AO(ambient occlusion)是对于环境光遮蔽第三步骤的结果。“ambient”的表达是来自局部光照模型、例如Phong模型的一个因子。在该模型中其表示独立于反射光的入射方向的反射光分量，其值可以表达为环境光的强度和材料常数的乘积。利用该关系可以使用以下规则：
a.ORGB＝VRTRGB*SH+ambient*AO*VRTRGB，OA＝VRTA
b.ORGB＝VRTRGB*SH+ambient*AO， OA＝VRTA
c.ORGB＝VRTRGB*SH*AO， OA＝VRTA
d.ORGB＝VRTRGB*SH+ambient*AO*VRT_UnshadedRGB，OA＝VRTA
由此按照本发明可以说在显示屏或像素的空间中进行开销大的阴影和遮盖计算，即，对于每个像素在显示屏上分别进行仅一个阴影计算或遮蔽计算并且不再沿着光线。这点是一个近似并且原则上不如沿着整个光线计算阴影和环境光遮蔽的“brute force”方法准确。然而如以下结合附图所示的，该近似对于许多对象几乎不导致质量上损害的结果。
该方法利用低透明度的传递函数工作良好。具有高的半透明部分的传递函数会产生图像伪影。然而，不透明的传递函数是非常常用的，例如在医学应用中的骨骼可视化或者对于工业CT数据组的可视化。
由于环境光遮蔽和阴影是具有低频率或低方差的效果，所以在该方法中可以应用不同的分辨率，即，使用比原始的体绘制(VRT)更低的分辨率计算阴影(SH)和环境光遮蔽(AO)。对于VRT、SH和AO图像的组合，于是可以在具有较低分辨率的图像、即SH和AO图像进行插值。
图3直观地示出了该方法是如何工作的。在左上方，示出了标有VRT的图像，该图像是常规地没有全局灯光效果地拍摄的。下面示出了标有“first hit的图像，即，从光线第一次击中吸收物所获得的图像。有趣的是，该“fist hit”图像已经非常接近其上的完整图像。该图像提供用于全局计算阴影(“shadows”图像)和环境光遮蔽(在“ambient occlusion”图像中)的起始位置。然后对“ambientocclusion”图像进行附加的滤波(“filter”图像)。最后，使用在图中示出的公式(上面给出的公式a.)将所有的图像组合。图4示出了四幅图像。在左上方是使用局部灯光效果拍摄的VRT图像。在左下方示出了按照本发明计算的阴影图像。在右上方示出了由左手方的两幅图像(VRT和AO)组合的图像。在它下面，即右下方，是如果完全执行brute force方法来计算阴影的话将获得的图像。在此可以看到通过对检查的对象作出的近似所产生的很小的偏差(比较右上方和右下方的图像)。后续的图像被用来进一步阐明这一点。
图5在左边示出了使用局部光照计算的图像(VRT图像)。最右边是来自环境光遮蔽的图像(AO图像)并且中间是(VRT与AO)组合的图像。
图6再次在左边示出了包括了局部灯光效果的图像(VRT图像)。中间示出了按照本发明使用阴影和环境光遮蔽获得的图像(具有SH和AO的VRT)，并且最右边是执行了“brute force”方法而没有近似的图像。从右边和中间的图像之间的稍微差别可以看出该近似的相当好的质量。
可以理解的是，本发明可以以硬件、软件、固件、特殊用途处理器或其组合的不同形式实现。优选地可以在具有OpenGL(open graphics language开放图形语言)和OpenGL Shading(开放图形语言阴影)语言的GPU(图形处理单元)上实现。
在一种实施方式中，本发明可以在软件中作为应用程序来实现。该应用程序可以上传到具有任意合适的结构的机器上并且可以在该机器上执行。
参考图7，按照本发明的一种实施方式，用于基于GPU的光线投影算法的计算机系统401除了别的之外，可以具有中央处理单元(CPU)402、存储器403、输入/输出(E/A)接口404。计算机系统401一般地通过E/A接口404与显示装置405和不同的输入装置106、例如鼠标或键盘耦合。附加电路可以包括诸如高速缓存、电源、时钟电路和通信母线等电路。存储器403可以是读写存储器(随机存取存储器，RAM)、只读存储器(ROM)、磁盘驱动器、磁带驱动器等或其组合。本发明可以作为在存储器403中存储的并且由CPU 402执行的例程407被执行，用以处理信号源408的信号。计算机系统401还包括图形处理单元(GPU)409，用于处理图形指令，例如，用于处理具有图像数据的信号源408。计算机系统401本身是普通的多用途计算机系统，当该计算机系统执行本发明的程序407时，该计算机系统变成特殊用途计算机系统。
计算机平台401还包括操作系统和微命令代码。在此描述的不同的方法和功能或者可以是微命令代码的部分或者是由操作系统运行的应用程序的部分(或它们的组合)。此外不同的其它外围设备、例如附加的数据存储装置和打印装置可以连接到该计算机平台。
此外可以理解的是，因为在附图中示出的各个系统组件和方法步骤中的一些可以在软件中执行，因此取决于编程本发明的方式，在系统组件之间的(或者在处理步骤之间的)实际的连接可能不同。通过在此提供的本发明给出的教导，相关技术人员能够考虑本发明的类似实施方式或配置。
本发明不限于所述实施例。特别是可以想到的是，该方法可以应用于与医学技术完全不同的领域中的虚拟表示。例如在经济和商业以及计算机游戏领域中的产品的可视化。
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[2]Markus Hadwiger，Andrea Kratz，Christian Sigg，and Katja Bühler.，，Gpuaccelerated deep shadow maps for direct volume rendering“...In GH‘06：Proceedings of the 21st ACM SIGGRAPH/Europraphics symposium on Graphicshardware，pages 49-52，New York，NY，USA，2006.ACM Press.
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Claims (11)
1.一种借助体绘制二维地表示对象的方法，包括
-使用对象的表示，在该表示中在对象的空间点上给出表征对象的参数的值，
-借助不使用光照模型或使用局部光照模型的体绘制方法，确定用于在显示屏上作为像素表示的混合的颜色值，
-模拟至少一条从对象的表面出发的光线，用于确定阴影形成的影响或环境光遮蔽的影响，
-借助该至少一条光线确定用于阴影形成的影响的值或用于环境光遮蔽的影响的值，并且
-将所述混合的颜色值与所确定的值组合，以便获得考虑了阴影形成或环境光遮蔽的影响的混合的颜色值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-确定用于阴影形成的影响的值以及用于环境光遮蔽的影响的值，
-将两个值与所述混合的颜色值组合，以便获得考虑了阴影和环境光遮蔽的影响的混合的颜色值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述表征对象的参数是密度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对象的表面是外表面。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-确定用于阴影形成的影响的值，并且
-将所述混合的颜色值与该值相乘。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
-确定用于环境光遮蔽的影响的另一个值，并且
-将该另一个值与由所述混合的颜色值与用于阴影形成的影响的值的乘积相乘，或者
-将该另一个值与一个表示环境中存在的光的度量的因子相乘，并且
-相加到由所述混合的颜色值与用于阴影形成的影响的值的乘积，或者
-将由另一个值与因子的乘积与所述混合的颜色值相乘并且相加到由该混合的颜色值和用于阴影形成的影响的值的乘积。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-确定用于阴影形成或环境光遮蔽的影响的值，并且
-对所确定的值在与所述混合的颜色值组合的步骤之前进行滤波。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
限制所述至少一条光线的长度。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-确定用于多个像素的混合的颜色值，
-分别借助至少一条光线对于多个像素的子集确定用于阴影形成或环境光遮蔽的值，并且
-通过插值确定用于多个像素的不属于该子集的像素的标量值。
10.一种构造为用于执行按照权利要求1至9中任一项所述的方法的装置。
11.一种具有计算机程序的计算机程序产品，其执行按照权利要求1至9中任一项所述的方法。
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