CN105721855A - 一种三维体数据绘制方法及其应用、三维图像显示方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三维体数据绘制方法及其应用、三维图像显示方法，属于，涉及三维成像技术领域，其中，在该三维体数据绘制方法中包括：基于人眼模型和三维体数据矩阵建立绘制三维体数据的左视点和右视点；分别从左视点和右视点出发，光线经过成像平面中的像素点、朝向三维体数据矩阵投射；沿光线方向分别对三维体数据矩阵中的颜色和和不透明度进行迭代积分；在成像平面得到三维图像，其中，左视点形成左眼图像、右视点形成右眼图像。绘制出来的图像保留了深度信息，具备层次感，且计算简单。

Description

一种三维体数据绘制方法及其应用、三维图像显示方法
技术领域
本发明涉及三维成像技术领域，尤其涉及一种三维体数据绘制方法及其应用、三维图像显示方法。
背景技术
目前市场上的3D(threedimensional，三维)显示技术一般都是利用双眼识别的不同图像信号从而显示出的立体感这一原理。快门式3D技术是通过提高刷新率的方式，使左右眼要看到的图像数据分时间间隔输出，再通过与快门式眼镜的配合，在右眼眼镜关闭时左眼看左眼的图像，左眼眼镜关闭时右眼看右眼的图像，这样，两眼看到快速切换的不同画面，从而在大脑中产生错觉看到相应的立体影像。
在医疗诊断中，观察病人的一组二维断层图像是医生诊断病情的常规方式。但是，要准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及与周围器官及组织的位置关系，仅凭医生由经验在自己大脑中重建影像是十分困难的。因此一种有效的方法来对人体器官、软组织和病变体进行三维显示成为一种需求。
传统的光线投射法体绘制技术模拟了自然界的光学现象，从一个视点出发，向屏幕上每一个像素点投射光线，穿过三维数据场，沿着射线方向对三维数据矩阵中的每个体素的特征值(颜色、不透明度)进行积分，从而在屏幕表面绘制出图像。这种方法虽说可以反映数据场的整体以及内部信息，但是因其隐含表面绘制模式使得物体的边界很难确定，绘制出的图像往往没有保留深度信息，因而难以产生层次感，影响三维立体效果，同时光线投影法计算量大，过程繁琐，难以实现绘制图像的快速性。另一方面由于显示屏的限制，三维图像数据只能展现在二维屏幕，这样就会造成大量深度信息的缺失。可以看出，如何用二维屏幕给医生带来三维立体感受成为医疗可视化中的一个难题。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种三维体数据绘制方法及其应用、三维图像显示方法，通过该三维体数据绘制方法能直接绘制出三维图像，简单方便，为相关人员提供便利。
本发明提供的技术方案如下：
一种三维体数据绘制方法，包括：
基于人眼模型和三维体数据矩阵建立绘制所述三维体数据的左视点和右视点；
分别从所述左视点和所述右视点出发，光线经过成像平面中的像素点、朝向所述三维体数据矩阵投射；
沿光线方向分别对所述三维体数据矩阵中的颜色和和不透明度进行迭代积分；
在所述成像平面得到三维图像，其中，所述左视点形成左眼图像、右视点形成右眼图像。
进一步优选地，所述左视点和所述右视点位于同一观察平面中，且所述观察平面与光轴垂直。
进一步优选地，所述左视点和所述右视点的视轴交汇于所述三维体数据矩阵的几何中心处；
所述左视点和所示右视点之间的距离为60～70mm，且所述左视点和所述右视点之间的汇聚角为1°。
进一步优选地，在沿光线方向分别对所述三维体数据矩阵中的颜色和和不透明度进行迭代积分之前，还包括：
判断光线是否会与所述三维体数据矩阵相交。
进一步优选地，判断光线是否会与所述三维体数据矩阵相交，具体包括：
寻找所述三维体数据矩阵中距离所述成像平面最近和最远的两点；
分别获取两条光线和所述三维体数据矩阵中六个面的交点；
计算与所述三维体数据矩阵中最远端顶点对应的三个面的交点，并比较出这三个交点中的最小值；
计算出与所述三维体数据矩阵中最近端顶点对应的三个面的交点，并比较出这个交点的最大值；
若与所述最远端对应交点的最小值小于与所述最近端对应交点的最大值，则该光线与所述三维体数据矩阵不相交。
进一步优选地，在沿光线方向分别对所述三维体数据矩阵中的颜色和和不透明度进行迭代积分中，具体包括：
在所述光线方向进行迭代积分的过程中，当光线在所述三维体数据矩阵中的光程大于其在该三维体数据矩阵中的最大光程，则终止对该光线的运算。
进一步优选地，在沿光线方向分别对所述三维体数据矩阵中的颜色和和不透明度进行迭代积分中，具体包括：
在所述光线方向进行迭代积分的过程中，当在该光线方向上不透明度的迭代积分值大于或等于1，则终止对该光线的运算。
本发明还提供了一种医疗数据绘制方法，包括上述三维体数据绘制方法。
本发明还提供了一种三维图像显示方法，包括：
使用如权利要求1-7任意一项所述的三维体数据绘制方法绘制三维图像，所述三维图像中包括左眼图像和右眼图像；
以预设频率分时切换所述左眼图像和右眼图形，将所述三维图像进行显示。
进一步优选地，在以预设频率分时切换所述左眼图像和右眼图形中，具体包括：
以大于120Hz的频率分时切换所述左眼图像和所述右眼图像。
本发明提供的三维体数据绘制方法及其应用、三维图像显示方法，能够带来以下有益效果：
与传统光线投影法相比，本发明提供的三维体数据绘制方法基于人眼模型建立左视点和右视点，并从该左视点和右视点出发，通过成像平面的每个像素点(x,y)、穿过三维体数据矩阵；之后，沿光线方向对颜色和不透明度分别进行迭代积分，以此快速在成像平面得到绘制图像。绘制出来的图像保留了深度信息，具备层次感，且计算简单。
本发明基于上述三维体数据绘制方法提供的医疗数据绘制方法能够从实质上满足医疗可视化显示的要求，提高医疗诊断的准确性。
在本发明提供的三维图像显示方法中，当成像平面上出现左眼图像时，则相关人员只开启左眼观看左眼图像；当出现右眼图像时，则只开启右眼观看右眼图像。这样保留了三维数据矩阵的深度信息，并通过三维显示的方式将绘制图像展现出来，更符合人眼视觉规律，更好地给用户带来立体感。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明中三维体数据绘制方法一种实施方式流程示意图；
图2为产生人眼立体视觉效果原理；
图3为本发明中左视点和右视点投影模型示意图；
图4为本发明中基于双目模型的光线投射示意图；
图5为本发明中三维数据显示方法流程示意图；
图6为本发明中三维数据显示方法结构示意图。
附图标记：
M-左视点，N-右视点，O-双目焦点，P-参照点，C-成像平面，S-三维体数据矩阵，K-快门式3D眼镜，M’-左眼图像，N’-右眼图像。
具体实施方式
如图1所示为本发明提供的基于双目模型的三维体数据绘制方法一种实施方式流程示意图，从图中可以看出，在该三维体数据绘制方法中具体包括：S1基于人眼模型和三维体数据矩阵S建立绘制三维体数据的左视点M和右视点N；S2分别从左视点M和右视点N出发，光线经过成像平面C中的像素点、朝向三维体数据矩阵S投射；S3沿光线方向分别对三维体数据矩阵S中的颜色和和不透明度进行迭代积分；S4在成像平面C得到三维图像，其中，左视点M形成左眼图像M’、右视点N形成右眼图像N’。
如图2所示为产生人眼立体视觉效果原理，其中，A和B分别代表空间中两个不同位置，A’和B’分别为空间A和B在左右眼视网膜的成像位置(图2左侧为左眼视网膜、右侧为右眼视网膜)。A和B之间的位置差异可以通过它们与两个视点夹角差表现，这种夹角差被称为视差(在左眼视网膜/右眼视网膜中，A’和B’之间的夹角)。本发明提供的三维体数据绘制方法基于该双目模型，依照人眼选取左视点M和右视点N，投影模型如图3所示，在该双目模型中，左视点M和右视点N位于同一观察平面中，且该观察平面与光轴垂直，简单来说该左视点M和右视点N形成的观察平面与成像平面C平行。再有，在左视点M和右视点N的视轴交汇于双目焦点O，具体该视轴交汇选在三维体数据矩阵S的几何中心处，以此更加符合人眼的生理结构，保证生成的绘制图像在画面的视觉敏感区。
更进一步来说，在本实施方式中，左视点M和所示右视点N之间的距离为60～70mm(毫米)，在一个具体实施例中，左视点M和右视点N之间的距离为65mm，左视点M和右视点N连线的中点为参照点P，则该参照点P到成像平面C的垂直距离与其到左视点M/右视点N之间的距离的比值等于绘制图像的实际观看距离与人眼距离的比值。另外，我们知道，Pamnu早在1858年就指出，若左右眼观察一个物体的视差过大，人的大脑不能把该物体在左右眼视网膜上形成的像形成图像立体视觉，故为了使绘制出的图像更加符合人眼查看，在本发明中我们将两个视点之间的汇聚角设定为1°(度)，经测试，该汇聚角能使人眼产生最佳的立体视觉感。
在本实施方式中，如图4所示为本发明中基于双目模型的光线投射示意图，其左视点M和右视点N分别发出一束光线，光线经过成像平面C上的每一个像素点(x，y)和三维体数据矩阵S相交。故而在步骤S3中，沿着光线方向对光线和体数据矩阵的交点进行迭代积分，计算出对应于成像平面C上每个像素点的颜色和不透明度。
具体来说，在一个具体实施例中，在步骤S3，在沿光线方向分别对三维体数据矩阵S中的颜色和和不透明度进行迭代积分中，具体包括：在光线方向进行迭代积分的过程中，当光线在三维体数据矩阵S中的光程大于其在该三维体数据矩阵S中的最大光程，表明光线已经离开三维体数据矩阵S，应该终止对该光线的运算。在另一个具体实施例中，在步骤S3，在沿光线方向分别对三维体数据矩阵S中的颜色和和不透明度进行迭代积分中，具体包括：在光线方向进行迭代积分的过程中，当在该光线方向上不透明度的迭代积分值大于或等于1，表明该光线无法继续在三维体数据矩阵S中采样，即后面的采样会图像的绘制没有贡献，故此时也应该终止对该光线的运算，以减小计量程。
在以上两种对沿光线方向分别对三维体数据矩阵S中的颜色和和不透明度进行迭代积分的具体实施例中，都是基于光线与三维体数据矩阵S相交的情况下而言的，故在步骤S3，在沿光线方向分别对三维体数据矩阵S中的颜色和和不透明度进行迭代积分之前，还包括：S31判断光线是否会与三维体数据矩阵S相交。具体，在本发明针对图形绘制的过程中的加速算法包括：寻找三维体数据矩阵S中距离成像平面C最近和最远的两点，记为最近端和最远端；分别获取基于该最近端和最远端形成的两条光线和三维体数据矩阵S中六个面的交点；计算与三维体数据矩阵S中最远端顶点对应的三个面的交点，并比较出这三个交点中的最小值；计算出与三维体数据矩阵S中最近端顶点对应的三个面的交点，并比较出这个交点的最大值；若与最远端对应交点的最小值小于与最近端对应交点的最大值，则该光线与三维体数据矩阵S不相交，直接停止后续的运算。
本发明还提供了一种医疗数据绘制方法，该医疗数据绘制方法包括上述三维体数据绘制方法，能够从实质上满足医疗可视化显示的要求，提高医疗诊断的准确性。
本发明还提供了一种三维图像显示方法，如图5，具体包括：使用上述三维体数据绘制方法绘制三维图像，三维图像中包括左眼图像M’和右眼图像N’；以预设频率，如200Hz(赫兹)分时切换左眼图像M’和右眼图形，将三维图像进行显示，具体如图6所示。具体包括，在本发明中，上述预设频率大于120Hz。在一个具体实施例中，用户使用主动快门式3D眼镜K观看成像平面C(即显示屏幕)时，当成像平面C上左眼图像M’出现时，位于3D眼镜K上方的感应监测装置将眼镜的右眼关闭、开启左眼，此时用户只能通过左眼看到左眼图像M’；当成像平面C中右眼图像N’出现时，相应地该感应监测装置控制该3D眼镜K的左眼关闭右眼开启。这样保留了三维数据矩阵的深度信息，基于双目模型将三维图像数据通过三维显示的方式展现出来，更符合人眼视觉规律，更好地给用户带来立体感。
另外，在本发明提供的三维体数据绘制方法/医疗数据绘制方法/三维图像显示方法中，上述成像平面C具体为液晶面板，其有基板上交叉的栅线和数据线划分出像素单元，该像素单元分别用于绘制及显示左眼图像M’和右眼图像N’。还包括：图像处理系统，用于对三维体数据/医疗三维体数据进行处理(如，对三维体数据进行预处理、分类、重采样等)以及用于控制左眼图像M’/右眼图像N’的显示时序。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维体数据绘制方法，其特征在于，所述三维体数据绘制方法包括：
基于人眼模型和三维体数据矩阵建立绘制所述三维体数据的左视点和右视点；
分别从所述左视点和所述右视点出发，光线经过成像平面中的像素点、朝向所述三维体数据矩阵投射；
沿光线方向分别对所述三维体数据矩阵中的颜色和和不透明度进行迭代积分；
在所述成像平面得到三维图像，其中，所述左视点形成左眼图像、右视点形成右眼图像。
2.如权利要求1所述的三维体数据绘制方法，其特征在于，
所述左视点和所述右视点位于同一观察平面中，且所述观察平面与光轴垂直。
3.如权利要求2所述的三维体数据绘制方法，其特征在于，
所述左视点和所述右视点的视轴交汇于所述三维体数据矩阵的几何中心处；
所述左视点和所示右视点之间的距离为60～70mm，且所述左视点和所述右视点之间的汇聚角为1°。
4.如权利要求1-3任意一项所述的三维体数据绘制方法，其特征在于，在沿光线方向分别对所述三维体数据矩阵中的颜色和和不透明度进行迭代积分之前，还包括：
判断光线是否会与所述三维体数据矩阵相交。
5.如权利要求4所述的三维体数据绘制方法，其特征在于，判断光线是否会与所述三维体数据矩阵相交，具体包括：
寻找所述三维体数据矩阵中距离所述成像平面最近和最远的两点；
分别获取两条光线和所述三维体数据矩阵中六个面的交点；
计算与所述三维体数据矩阵中最远端顶点对应的三个面的交点，并比较出这三个交点中的最小值；
计算出与所述三维体数据矩阵中最近端顶点对应的三个面的交点，并比较出这个交点的最大值；
若与所述最远端对应交点的最小值小于与所述最近端对应交点的最大值，则该光线与所述三维体数据矩阵不相交。
6.如权利要求1-3、5任意一项所述的三维体数据绘制方法，其特征在于，在沿光线方向分别对所述三维体数据矩阵中的颜色和和不透明度进行迭代积分中，具体包括：
在所述光线方向进行迭代积分的过程中，当光线在所述三维体数据矩阵中中的光程大于其在该三维体数据矩阵中的最大光程，则终止对该光线的运算。
7.如权利要求1-3、5任意一项所述的三维体数据绘制方法，其特征在于，在沿光线方向分别对所述三维体数据矩阵中的颜色和和不透明度进行迭代积分中，具体包括：
在所述光线方向进行迭代积分的过程中，当在该光线方向上不透明度的迭代积分值大于或等于1，则终止对该光线的运算。
8.一种医疗数据绘制方法，其特征在于，所述医疗数据绘制方法包括如权利要求1-7任意一项所述的三维体数据绘制方法。
9.一种三维图像显示方法，其特征在于，所述三维图像显示方法包括：
使用如权利要求1-7任意一项所述的三维体数据绘制方法绘制三维图像，所述三维图像中包括左眼图像和右眼图像；
以预设频率分时切换所述左眼图像和右眼图形，将所述三维图像进行显示。
10.如权利要求9所述的三维图像显示方法，其特征在于，在以预设频率分时切换所述左眼图像和右眼图形中，具体包括：
以大于120Hz的频率分时切换所述左眼图像和所述右眼图像。
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Denomination of invention: Three-dimensional data drawing method, application thereof and three-dimensional image display method

Effective date of registration: 20180904

Granted publication date: 20180413

Pledgee: Bank of Nanjing Jiangbei District branch of Limited by Share Ltd

Pledgor: NANJING LOFTY DIGITAL TECHNOLOGY CO., LTD.

Registration number: 2018320000159