CN105825471A - 一种基于Unity 3D的三维体表面重构与渲染方法 - Google Patents

Abstract

本专利提出了一种基于Unity 3D的三维体表面重构与渲染新方法，专利成果可适用于3D打印。本方法专利的技术主要步骤如下：(1)目标物体三维图像采集和处理，本专利采用切片断层扫描，然后利用拉普拉斯算子得到目标物体曲面边缘数据；(2)三维目标物体表面数据重构,通过线性插值方法计算等值点的位置，通过中心差分方法计算出等值点的法向量，利用三角网格化计算等值点相应表面数据；(3)目标物体的表面渲染，在Unity 3D下读入目标物体三维表面数据，选择光照，色彩等指标对重构三维物体表面渲染。大量的实验证明，这种三维重构和渲染方法是十分有效，得到的结果在立体感和视觉效果上强于现有的技术方法。

Description

一种基于Unity 3D的三维体表面重构与渲染方法

本发明主要是对二维图像进行三维图形重构和渲染的新技术，具体涉及一种基于Unity3D的MarchingCubes重构方法和Mesh渲染技术。

背景技术

三维重构是计算机视觉技术研究的主要内容之一，应用在工程技术和其他很多领域。一般要对物体进行三维分析，从而得到对研究或展示的有用信息。基于二维图像三维重构技术的研究具有重要现实意义，而且具有广阔的应用范围，包括考古学，建筑学，以及材料加工，工业检测以及医疗成像设备等领域。

当前的三维重构方法大致可以分为两类:一种是体绘制方法，另一种是表面绘制方法。虽然这两种方法都是用于三维重构的研究，但这两种方法的侧重点并不相同。体绘制方法是一种直接由三维数据场产生屏幕上二维图像的技术。而表面绘制是根据三维数据场，计算得到表面体数据，再绘制表面。体绘制比表面绘制计算量更大，计算时间更长，限制了图像绘制速度，主要原因是其贡献了内部信息的呈现。

在表面绘制方法中，已经有不少专家做了探索。1987年,Lorensen和Cline提出了一种Marchingcubes的表面重构方法。1992年，Nielson和Hamann等人提出了利用渐近线判别解决MarchingCubes存在的歧义问题。2003年，Lopes等人一种基于MarchingCubes的改进算法，即增加目标等值面的逼近点来绘制更精确的表面。上述方法虽然取得了不错的效果，但没有应用在Unity3D上，使绘制结果展现更逼真。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于Unity3D三维体体表面重构与渲染方法，以提高三维绘制的展现效果。在该发明中，用户提供输入目标断层图像，就可让计算机进行分析，最终获得三维重构结果。

本发明的技术方案如下：

步骤1，使用计算机断层技术(CT)或磁共振成像(MRI)对目标物体进行扫描，获得多张断层BMP格式图片。

步骤2，使用MarchingCubes技术对步骤1的多张图片作为输入，在MarchingCubes中加入自动识别目标的边界得到阈值。识别的原则是当图片灰度变化时，灰度的一阶方向导数在局部最大，或二阶导数为零，即阶梯型边缘曲面上的Laplacian函数值为零。

步骤3，MarchingCubes算法根据阈值计算，获得三维空间体表面的数据。

步骤4，在Unity3D中对步骤3中获得的三维空间体数据进行访问，获得三维空间体数据进行实例化。

步骤5，利用Unity3D下的Mesh网格技术以步骤4中得到的三维空间体数据作为Mesh的Vertices属性和Normals的输入,并自适应分配满足体数据需要Mesh网格数量。

步骤6，将Unity3D下的mesh进行光照，颜色，纹理等渲染，绘制完成。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，

图1为本发明基于Unity3D三维体表面重构与渲染方法的流程图；

图2为本发明步骤3到步骤8的重要过程的过程图；

图3为本发明步骤6中提到的33种立方体表面绘制情况展示图；

图4是根据数学公式模拟出的断层切片图片，用本方法在Unity3D下展示的结果图。

具体实施方式

步骤1，使用计算机断层技术(CT)或磁共振成像(MRI)对目标物体进行扫描，获得多张断层BMP格式图片。

步骤2，使用MovingCubes技术对步骤一的多张图片作为输入，在MovingCubes中加入自动识别目标的边界得到阈值。识别的原则是当图片灰度变化时，灰度的一阶方向导数在局部最大，或二阶导数为零，即阶梯型边缘曲面上的Laplacian函数值为零。Laplacian公式如下：

步骤3，MarchingCubes算法。根据步骤1的多张断层切片图，依次选取相邻两张切片图。再依次选取这两张图片中的相邻四个像素点，构成空间立方体。对这立方体的八个顶点V_i(i＝1,2,3,4,5,6,7,8),构建顶点状态：

其中Vi表示在立方体的顶点像素值，R表示步骤2所算的边界阈值，即目标物体的边界像素阈值。SV_i＝0，则表示该立方体顶点在目标外围，反之，则表示该立方体顶点在目标内部。

步骤4，根据其立方体的顶点状态，判断目标等值面与此立方体某条棱线是否有相交，判断如下：

L_i表示立方体的第i条棱，SV₀,SV₁表示这条棱上的两个顶点的状态，当顶点状态一样则表示，两顶点都在目标等值表面的里头或外头，否则，表示该棱与等值表面有一条交线。

步骤5，现知道是否有交线后可以算交点的位置，此交点就是在等值面上的等值点。如果一个单位长度边E的端点V₁和V₀的标量像素值分别为L₁和L₀，那么对固定的阈值R，交点位置I＝(I_x,I_y,I_z)计算公式如下：

I{x,y,z}＝V₀{x,y,z}+ρ(V₁{x,y,z}–V₀{x,y,z})(4)

式中，ρ＝(α–L₀)/(L₁–L₀)。

得到公式(4)所计算的交点后，还要计算交点处的法向量，体数据就包含了交点及交点处的法向量。

在立方体中由梯度来表示法向量，计算规则：令f(i,j,k)表示图像在三维规则网格采样点(i,j,k)处的灰度值，那么在各个方向的梯度可以有中心差分简单估算，如下公式：

即(x,y,z)处的梯度向量是{Gx,Gy,Gz},梯度大小是

步骤6，MarchingCubes的立方体有八个顶点，每个顶点都有可能在目标内部或外部或目标等值面上，所有立方体的交点连线方式总共有2⁸种，通过旋转对称，消除重复的情况，最终只剩33种，MarchingCubes提前建立离线索引表，只要得到步骤6所计算得到的交点，就能查找索引表，把所计算的所有交点，三个交点相连接即三角化，来逼近目标等值面。

步骤7，我们在Unity3D下获取步骤6的所有交点及其连接方式，用Mesh网格按规则输入到Vertices和Normals中进行重构三维表面。

Unity3D下一Mesh网格最多可以绘制65000个顶点的面片，在这里需要对输入的体数据进行分段绘制，最终组合起来的Mesh网格完整了展示了目标表面。

步骤8，对Unity3D下Mesh网格进行进行光照，颜色，纹理等渲染，绘制完成。

Claims (3)

1.一种基于Unity3D的三维体表面重构与渲染方法，其特征在于：在重构三维图形时，进行以下步骤：

步骤1，使用计算机断层技术(CT)或磁共振成像(MRI)对目标物体进行扫描，获得多张断层BMP格式图片；

步骤2，使用MovingCubes技术对步骤1的多张图片作为输入，从而获得目标物体表面的三维空间体数据；

步骤3，在Unity3D中对步骤2中获得的目标表面三维空间体数据进行访问，并对体数据进行实例化；

步骤4，利用Unity3D下的Mesh网格技术自适应分批次对步骤3中得到的三维空间体数据作为Mesh的Vertices属性和Normals属性的输入；

步骤5，将Unity3D下的Mesh网格进行光照，颜色，纹理等渲染，绘制完成。

2.根据权利要求1所述的Unity3D的三维体表面重构与渲染方法，其特征在于：步骤4所述的自适应分批次处理体数据是由于，一个Mesh网格面片最大支持的Vertices个数为65000个，而一般重构目标的体数据中Vertices远多于这个数量，故程序首先建立长度为10的静态Mesh数组，依次对每个Mesh对象按顺序输入Vertices和Normals属性值，如果体数据输入10个Mesh后还剩下一些数据没有处理，则动态的分配Mesh,再给其输入数据，直到所有体数据处理完毕，上面提到的数字10是实验得到的保持效率最好的数值。

3.根据权利要求1所述的Unity3D的三维体表面重构与渲染方法，其特征在于：步骤5所述的进行光照，颜色，纹理等渲染方法为，Unity3D重构目标后，对重构结果进行展示，添加DirectionalLight光照模型，以提供光亮让重构结果可以反射光。另外给Mesh面片都添加Materials,使用Unity3D库中已有的Shader或者自己编写Shader代码来调节Mesh面片的颜色，调节颜色的主要属性有MainColor和SpecularColor，还可以在Shader代码中添加纹理，Select选择最合适的表面纹理，这样绘制结果就更加逼真。