CN105006012A - 一种人体断层数据的体渲染方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人体断层数据的体渲染方法及系统，通过直接接收图像读取指令，根据图像读取指令通过索引查找对应的组织器官信息，将查找到的组织器官信息分层加载到三维纹理中，并在GPU中进行光线投射，从而渲染出组织器官的三维图像。本方案通过在GPU中对组织器官图像进行光线投射，采用可编程的图像硬件，能够达到实时渲染的效果；另外，本方案是通过将保存的组织器官信息分层加载到三维纹理中，形成三维图像，输出的是动态的各个角度的完整图像，避免了采用第三方开源库或3d重建软件输出的静态图像，提高了图像渲染的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及渲染技术领域，尤其涉及一种人体断层数据的体渲染方法及系统。
背景技术
随着医学事业的发展，在教学领域对解剖教学越来越重视，目前，通过计算机对数字人进行渲染时，一般都采用表面渲染的技术。
表面渲染是对人体RGB断层图像进行边界切割，确定出人体组织的边界，然后根据边界利用工具生成对应的三角形表面，最终形成人体的各个组织器官的表面模型。
然而表面渲染技术渲染出的图像，其真实感不强，并且表面渲染技术只能显示人体器官的外表面，而对于人体器官的内表面，其显示出来是空的，没有内容的。
为了解决上述问题，近年来的解剖教学中，通常采用体渲染技术来对数字人图像进行显示。而体渲染通常采用CPU进行计算，采用这种方法渲染一幅图像需要几分钟甚至更长，而实时渲染一般要求每秒钟渲染25幅图，因此，这种渲染方式不能达到实时渲染的要求。
另外，目前的体渲染大多是利用VTK(visualization toolkit，可视化工具包)这类的开源第三方库完成的，或者利用现成的3D重建软件输出图像，通过这样的方式得到的图像是渲染出的静态图像，实时性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种人体断层数据的体渲染方法及系统，以解决现有技术中体渲染实时性较差的缺点，其具体方案如下：
一种人体断层数据的体渲染方法，包括：
接收图像读取指令，根据所述图像读取指令通过索引查找对应的组织器官信息；
读取所述组织器官信息，将对应的组织器官信息分层加载到三维纹理中；
在图形处理器GPU中进行光线投射，渲染出所述组织器官。
进一步的，所述接收图像读取指令之前，还包括：
对原始图像进行分割；
根据分割后的图像，保存所述组织器官的配置文件信息；
对所述保存的组织器官的配置文件信息建立索引。
进一步的，所述建立索引之前，还包括：
对所述保存的组织器官的配置文件信息进行分类。
进一步的，对所述保存的组织器官的配置文件信息进行分类，具体包括：
根据人体的结构关系，对所述保存的组织器官的配置文件信息进行分类。
进一步的，所述组织器官的配置文件信息具体包括：
所述组织器官的所在层数信息、长宽的边界三维信息。
进一步的，所述在GPU中进行光线投射，具体包括：
根据视点位置及屏幕上对应的像素点的位置，向三维数据场发射光线；
根据入射到所述三维数据场的光线，计算入射点及出射点的位置；
根据所述入射点及出射点的位置选取多个采样点，并计算所述多个采样点的颜色值和不透明度；
根据所述采样点的颜色值和不透明度合成所述像素点。
一种人体断层数据的体渲染系统，包括：显卡，与所述显卡相连的主控制器，与所述主控制器相连的GPU，
所述主控制器接收图像读取指令，根据所述图像读取指令通过索引查找所述显卡内存储的对应的组织器官信息，读取所述组织器官信息，将对应的组织器官信息分层加载到三维纹理中，并在所述GPU中进行光线投射渲染出所述组织器官。
进一步的，所述显卡保存组织器官的配置文件信息，
对原始图像进行分割，所述显卡根据分割后的图像保存组织器官的配置文件信息，并对保存的组织器官的配置文件信息建立索引。
进一步的，所述显卡对保存的组织器官的配置文件信息进行分类。
进一步的，所述显卡保存的配置文件信息具体包括：
所述组织器官的所在层数信息、长宽的边界三维信息。
从上述技术方案可以看出，本发明公开的人体断层数据的体渲染方法及系统，通过直接接收图像读取指令，根据图像读取指令通过索引查找对应的组织器官信息，将查找到的组织器官信息分层加载到三维纹理中，并在GPU中进行光线投射，从而渲染出组织器官的三维图像。本方案通过在GPU中对组织器官图像进行光线投射，采用可编程的图像硬件，能够达到实时渲染的效果；另外，本方案是通过将保存的组织器官信息分层加载到三维纹理中，形成三维图像，输出的是动态的各个角度的完整图像，避免了采用第三方开源库或3d重建软件输出的静态图像，提高了图像渲染的实时性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种人体断层数据的体渲染方法的流程图；
图2为本发明实施例公开的一种在GPU中进行光线投射的流程图；
图3为本发明实施例公开的一种射线穿过三维数据场的结构图；
图4为本发明实施例公开的一种人体断层数据的体渲染系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种人体断层数据的体渲染方法，其流程图如图1所示，包括：
步骤S11、接收图像读取指令；
步骤S12、根据图像读取指令通过索引查找对应的组织器官信息；
其中，通过索引查找对应的组织器官信息具体可以包括：
首先，对原始数据进行分割，根据分割后的图像，保存组织器官的配置文件信息，并对保存的组织器官的配置文件信息建立索引，上述步骤可以在接收图像读取指令之前进行。
原始数据具体可以为：在计算机内部存储的大量人体断层彩色2D图像，每一张人体断层彩色2D图像事先经过医学图像分割后，对应了一张相应的人体器官分割图像，此图像的每一个像素都标识出其属于人体哪一个组织。
而其中的人体断层彩色2D图像是人体在低温下进行冷冻、固定后，通过铣床对人体进行切削加工时，用专业照相机对切削表面拍摄出来的，并保存下来的表面RGB彩色图像。
由于本实施例公开的人体断层数据的体渲染方法中，渲染出的图像的原始图像即为彩色的，因此，也就不同于一般的医学影像里面的CT、超声等影像数据显示出来的伪彩色。因此，本实施例公开的方法中，应用人体断层彩色2D图像进行组合后得到的各个角度的组织器官图像是真彩色图像，属于真实的光照处理，其包含的信息量也要大很多。
进一步的，在建立索引之前还可以包括：对保存的组织器官的配置文件信息进行分类，根据分类后的配置文件信息建立索引。
优选的，根据人体的结构关系，对保存的组织器官的配置文件信息进行分类，根据分类后的配置文件信息建立索引。
进一步的，组织器官的配置文件信息具体可以包括：组织器官的所在层数信息、长宽的边界三维信息。
步骤S13、读取组织器官信息，将对应的组织器官信息分层加载到三维纹理中；
步骤S14、在GPU中进行光线投射，渲染出组织器官。
根据视点方向及几何变换，观察渲染出的组织器官的不同角度的图像。
本实施例公开的人体断层数据的体渲染方法，通过直接接收图像读取指令，根据图像读取指令通过索引查找对应的组织器官信息，将查找到的组织器官信息分层加载到三维纹理中，并在GPU中进行光线投射，从而渲染出组织器官的三维图像。本方案通过在GPU中对组织器官图像进行光线投射，采用可编程的图像硬件，能够达到实时渲染的效果；另外，本方案是通过将保存的组织器官信息分层加载到三维纹理中，形成三维图像，输出的是动态的各个角度的完整图像，避免了采用第三方开源库或3d重建软件输出的静态图像，提高了图像渲染的实时性。
进一步的，本实施例公开的在GPU中进行光线投射具体流程，如图2所示，可以包括：
步骤S21、根据视点位置及屏幕上对应的像素点的位置，向三维数据场发射光线；
本实施例公开的在GPU中进行光线投射的具体流程，是在显卡的着色器中应用光线投射算法实现的，是假设三维数据场中的每一个数据点都有一个不透明度的颜色值，从视点出发，透过屏幕上的某一像素点(i，j)，向三维数据场发出一条射线，这条射线穿过三维数据场，具体如图3所示。
步骤S22、根据入射到三维数据场的光线，计算入射点及出射点的位置；
根据穿过三维数据场的射线，求出入射点和出射点。
步骤S23、根据入射点及出射点的位置选取多个采样点，并计算多个采样点的颜色值和不透明度；
在入射点和出射点之间，沿着这条射线选择多个等距的采样点，并由距离某一采样点最近的8个数据点的颜色值和不透明度做三线性插值，求出该采样点的颜色值和不透明度。
其中，对透明度的计算公式如下：
Coutαout＝Cinαin+Cnowαnow(1-αin)，
αout＝αin+αnow(1-αin)
步骤S24、根据采样点的颜色值和不透明度合成像素点。
将每条射线上所有的采样点的颜色值和不透明度采用由前向后的方式加以合成，从而得到屏幕上该像素点最终的颜色值和不透明度，即根据采样点的颜色值和不透明度合成像素点，进而实现图像的合成。
本实施例公开的方法中，采用光线投射算法对组织器官进行投射绘制，能够更精确的实现组织器官的绘制。
本实施例公开了一种人体断层数据的体渲染系统，其结构示意图如图4所示，包括：
显卡41，与显卡相连的主控制器42，与主控制器42相连的GPU43。
主控制器42接收图像读取指令，根据图像读取指令通过索引查找显卡内存储的对应的组织器官信息，读取组织器官信息，将对应的组织器官信息分层加载到三维纹理中，并在GPU中进行光纤投射，渲染出组织器官。
显卡对保存的组织器官的配置文件进行分类，具体的，显卡保存的配置文件可以包括：组织器官的所在层数信息、长宽的边界三维信息等。
其中，主控制器42建立索引的过程具体为：对原始图像进行分割，显卡根据分割后的图像保存组织器官的配置文件信息，并对保存的组织器官的配置文件信息建立索引。
原始数据具体可以为：在计算机内部存储的大量人体断层彩色2D图像，每一张人体断层彩色2D图像事先经过医学图像分割后，对应了一张相应的人体器官分割图像，此图像的每一个像素都标识出其属于人体哪一个组织。
而其中的人体断层彩色2D图像是人体在低温下进行冷冻、固定后，通过铣床对人体进行切削加工时，用专业照相机对切削表面拍摄出来的，并保存下来的表面RGB彩色图像。
由于本实施例公开的人体断层数据的体渲染方法中，渲染出的图像的原始图像即为彩色的，因此，也就不同于一般的医学影像里面的CT、超声等影像数据显示出来的伪彩色。因此，本实施例公开的方法中，应用人体断层彩色2D图像进行组合后得到的各个角度的组织器官图像是真彩色图像，属于真实的光照处理，其包含的信息量也要大很多。
本实施例公开的人体断层数据的体渲染方法，通过直接接收图像读取指令，根据图像读取指令通过索引查找对应的组织器官信息，将查找到的组织器官信息分层加载到三维纹理中，并在GPU中进行光线投射，从而渲染出组织器官的三维图像。本方案通过在GPU中对组织器官图像进行光线投射，采用可编程的图像硬件，能够达到实时渲染的效果；另外，本方案是通过将保存的组织器官信息分层加载到三维纹理中，形成三维图像，输出的是动态的各个角度的完整图像，避免了采用第三方开源库或3d重建软件输出的静态图像，提高了图像渲染的实时性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种人体断层数据的体渲染方法，其特征在于，包括：
接收图像读取指令，根据所述图像读取指令通过索引查找对应的组织器官信息；
读取所述组织器官信息，将对应的组织器官信息分层加载到三维纹理中；
在图形处理器GPU中进行光线投射，渲染出所述组织器官。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收图像读取指令之前，还包括：
对原始图像进行分割；
根据分割后的图像，保存所述组织器官的配置文件信息；
对所述保存的组织器官的配置文件信息建立索引。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立索引之前，还包括：
对所述保存的组织器官的配置文件信息进行分类。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述保存的组织器官的配置文件信息进行分类，具体包括：
根据人体的结构关系，对所述保存的组织器官的配置文件信息进行分类。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述组织器官的配置文件信息具体包括：
所述组织器官的所在层数信息、长宽的边界三维信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在GPU中进行光线投射，具体包括：
根据视点位置及屏幕上对应的像素点的位置，向三维数据场发射光线；
根据入射到所述三维数据场的光线，计算入射点及出射点的位置；
根据所述入射点及出射点的位置选取多个采样点，并计算所述多个采样点的颜色值和不透明度；
根据所述采样点的颜色值和不透明度合成所述像素点。
7.一种人体断层数据的体渲染系统，其特征在于，包括：显卡，与所述显卡相连的主控制器，与所述主控制器相连的GPU，
所述主控制器接收图像读取指令，根据所述图像读取指令通过索引查找所述显卡内存储的对应的组织器官信息，读取所述组织器官信息，将对应的组织器官信息分层加载到三维纹理中，并在所述GPU中进行光线投射渲染出所述组织器官。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述显卡保存组织器官的配置文件信息，
对原始图像进行分割，所述显卡根据分割后的图像保存组织器官的配置文件信息，并对保存的组织器官的配置文件信息建立索引。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述显卡对保存的组织器官的配置文件信息进行分类。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述显卡保存的配置文件信息具体包括：
所述组织器官的所在层数信息、长宽的边界三维信息。
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