CN107564090A - 一种三维牙颌模型渲染方法 - Google Patents
一种三维牙颌模型渲染方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种三维牙颌模型渲染方法。输入三维牙颌模型，构建纹理图片，并赋予到三维牙颌模型上，将三维牙颌模型置于点光源的光照下，对牙齿模型和牙龈模型分别采用不同的片段着色器，综合纹理信息、光照信息、牙颌材质信息的参数信息对三维牙颌模型在视图中所显示的每个像素点的颜色进行计算，获得最终显示颜色并渲染；利用眩光处理方法对渲染的背景进行处理，加深渲染效果。本发明和现有直接对牙颌模型进行着色的传统渲染方法相比，渲染方法效果更为真实，立体感好，真实感强。
Description
技术领域
本发明涉及了数字口腔领域，尤其是涉及了一种三维牙颌模型渲染方法，具体地说是有关牙齿和牙龈的数字化模型渲染的方法。
背景技术
近年来，数字口腔技术发展迅速，牙齿隐形正畸也逐渐普及。在隐形牙齿矫治时，矫治器制造方会利用三维模型处理的相关技术模拟患者佩戴牙套后，牙齿在口腔中发生的位置变化。并将三维模拟的治疗方案向口腔正畸医生展示，方便医生评价治疗方案，得到最优的治疗效果。同时，治疗方案也向患者进行展示，已期获得更好的治疗配合。在模拟治疗方案中，真实的牙颌三维渲染效果可以帮助口腔医生更好的观测、测量牙齿的特征，也使患者更容易理解和接受。现有渲染方法大多采用单一的着色方式，即整个牙齿具有统一的颜色，渲染的结果具有立体感不强，真实感欠缺等缺点。因此需要提供一种更为真实的牙颌模型渲染方法。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供了一种真实的牙颌三维模型的渲染方法，具有较强真实感。
为实现上述目的，如图1所示，本发明采用的技术方案为：
1)输入三维牙颌模型，三维牙颌模型包括牙齿模型和牙龈模型；
2)构建纹理图片，并将纹理图片赋予到三维牙颌模型上，获得三维牙颌模型在视图中所显示的每个像素点的纹理颜色；
3)将三维牙颌模型置于点光源的光照下，对牙齿模型和牙龈模型分别采用不同的片段着色器(FragmentShader)，综合纹理信息、光照信息、牙颌材质信息的参数信息对三维牙颌模型在视图中所显示的每个像素点的颜色进行计算，获得最终显示颜色并渲染；
纹理信息是指步骤2)所得的纹理颜色结果。
牙颌材质信息是指牙齿模型和牙龈模型的基本底色。
光照信息是指点光源照射到牙齿模型后，计算获得的镜面反射光颜色及其区域位置和散射光颜色及其区域位置。
4)利用眩光处理方法对渲染的背景进行处理，加深渲染效果。
本发明所述的目标为三维牙颌模型，背景为三维牙颌模型以外外围的显示区域。
所述步骤2)具体是：
2.1)将输入的三维牙颌模型展开变换为一个二维平面图，使得参数化，三维牙颌模型中每个网格点对应到二维平面图的一个点坐标；
具体实施中，所述的二维平面为圆形或长方形。
2.2)处理纹理图片使其和二维平面图尺寸匹配，再将纹理图片的颜色赋予到二维平面图上作为纹理颜色，使得二维平面图上各个点的颜色与纹理图片中位于相同位置的像素点颜色相同；
2.3)再将赋予颜色后的二维平面图变换回三维牙颌模型。从而三维牙颌模型上每个网格点对应于纹理图片上的UV坐标点。
所述的纹理图片是患者口内照片的局部区域或者自定义构建的渐变图片。
一种实施方式所采用的纹理图片为靠近牙根区到牙尖区域颜色逐步由偏黄向偏白过度的矩形区域，矩形区域的长边沿牙齿模型的主轴，即牙根区到牙尖方向。一种可行的选择是，矩形区域沿长边从底部到顶部从RGB分量为(203,164,131)的棕黄色向RGB分量为(252,250,249)的浅白色逐步过度。
一种实施方式所采用的纹理图片为选择患者口内照片的局部区域，口内照片为患者牙齿的水平平视拍摄的照片，使得渲染结果真实。如图2所示，沿患者牙齿的主轴，截取合适大小的矩形区域，以此区域的图片作为纹理图片。
所述步骤3)具体是包括；
选择光照模型，利用光照模型计算点光源分别照射到三维牙颌模型的牙齿模型和牙龈模型上产生的镜面反射光颜色和散射光颜色，再把镜面反射光颜色和散射光颜色与步骤2)的纹理颜色、牙齿模型和牙龈模型各自的底色相叠加形成三维牙颌模型的最终显示颜色。
光照模型是指点光源照射到三维牙颌模型上的散射和反射的颜色计算模型。选择光照模型要综合考虑权利2所述生成的纹理信息、牙颌材质信息、光照信息。
本发明是四个颜色的叠加：纹理颜色、镜面反射光颜色、散射颜色和底色，牙齿模型和牙龈模型的底色不同。
所述步骤3)中获得最终显示颜色公式如下：
采取以下公式计算牙颌模型在视图中所显示的每个像素点的颜色，每个点的颜色由底色、纹理颜色、散射光颜色和反射光颜色四部分组成：
其中，ambient为底色和纹理颜色的融合颜色，diffuse为散射光颜色，specular为镜面反射光颜色，k为散射光所占比例因子，比例因子k位于0到1之间，n和l分别为所需计算颜色的像素点的法向和光照方向，rs为镜面反射因子；
上式中的光照方向l按以下公式计算：
l＝lightPos-vertexPos
其中，lightpos是光源的位置，vertexPos是当前要计算颜色的像素点的经过模型和视角变换后的坐标；
上式中的镜面反射因子rs按以下公式计算：
其中，F表示菲涅尔参数的近似因子，用来模拟入射光线在物体表面的反射和折射比例；D是微面分布因子，用来模拟物体表面的粗糙程度；G为几何衰减因子，位于0到1之间，用来模拟经过阴影或者遮挡后，光线的衰减比例，v表示视角方向的向量，用来模拟人眼睛看模型时视线的方向；
上式镜面反射因子rs的计算中，三个因子F、G、D按以下公式计算：
F＝f+(1-f)(1-(h·v))5
其中，h是指向光源的向量l和指向视点的向量v的和向量的一半，f是在当前入射角情况下的反射率，m是用来模拟物体表面光滑程度的常量因子，位于0-1之间。
所述步骤4)中具体采用以下公式计算：
以三维牙颌模型以外的外围显示区域作为背景并均置为黑色，然后采用图像模糊方法，对三维牙颌模型用一定的模糊步长进行多次模糊处理，并逐次增加模糊步长，得到模糊过后的模糊窗口，最终显示时将步骤3)获得的三维牙颌模型覆盖模糊窗口中的三维牙颌模型进行显示，得到眩光渲染结果。
眩光是指眼睛看到与较暗的表面相比很明亮的光线时发生的效果。本发明利用眩光的原理，将所渲染的前景和背景做融合，以达到凸出前景的视觉效果。
优选地，模糊处理是采用高斯模糊方法对黑色场景进行模糊处理，即对黑色场景图像中的每一和像素的值用它和周围的像素的加权平均值替代。
本发明的有益效果是：
本发明渲染获得的三维牙颌模型具有立体感好、真实感强的优点，现有的牙齿渲染模型是将牙齿统一着色为纯白的，而真实口腔中，牙齿表层是半透明且有颜色的变化，本发明中的渲染方法结合患者的口内照对牙齿进行渲染着色，渲染效果更容易被接受。
附图说明
图1为整体的流程图；
图2为沿牙齿主轴截取纹理图片的示意图；
图3为整体的渲染效果图；
图4为设置完成底色的效果图；
图5为只设置散射光的效果图；
图6为只设置镜面反射光的效果图；
图7为背景加强后的单颗牙齿渲染效果图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例如下：
1)输入的三维牙颌模型文件，可以是现有的任何三维模型文件格式，例如STL，OBJ，CTM，OFF，JSON等。有些格式的三维模型直接包含有UV纹理坐标信息(如OBJ)，有些则需另外添加单独的UV纹理映射坐标文件。
2)构建纹理图片，并将纹理图片赋予到三维牙颌模型上，获得三维牙颌模型在视图中所显示的每个像素点的纹理颜色。
实施例构建的纹理图片是按照牙齿主轴的方向取自患者各个牙齿的一部分图片，如图2所示。
3)将三维牙颌模型置于点光源的光照下，输入牙齿模型上任意一点的坐标，在一些实施方式中，是利用牙齿的立方体包围盒识别。
对牙齿模型和牙龈模型分别采用不同的片段着色器(FragmentShader)，综合纹理信息、光照信息、牙颌材质信息的参数信息对三维牙颌模型在视图中所显示的每个像素点的颜色进行计算，获得最终显示颜色并渲染。
预先设置牙齿模型和牙龈模型的底色，牙齿模型底色的RGB分量为(205,193,213)，牙龈模型底色的RGB分量为(232,165,159)。图4是设置完成底色的显示效果，此时的渲染结果是没有立体感的。
实施例选择Cook-Torrance的光照模型，分别对牙齿模型和牙龈模型利用光照模型计算点光源照射到三维牙颌模型的模型上产生的镜面反射光颜色和散射光颜色。图5和图6分别展示了只有散射光和只有镜面反射光的效果。
对牙齿模型，散射光RGB分量为(115,115,155)，镜面反射RGB分量为(153,153,153)。对于牙龈模型，散射光RGB分量为(88,61,57)，镜面反射RGB分量为(153,153,153)。
最终将底色、散射光效果、镜面反射光效果进行叠加获得如图3所示的渲染效果。
4)利用眩光处理方法对渲染的背景进行处理，加深渲染效果。
由于显示屏幕存在两个渲染屏幕，两个渲染屏幕相互交替成像显示。因此在具体实施中，可以采用以下过程处理，
清除两个渲染屏幕中目标以外的区域，并全部置为黑色；
采用图像模糊方法，用模糊步长将第一个屏幕的三维牙颌模型目标rt0进行模糊处理，再赋予替换到第二个屏幕的三维牙颌模型目标rt0，然后将赋予替换后的第二个屏幕的三维牙颌模型目标rt0再进行模糊处理，再赋予替换到第一个屏幕的三维牙颌模型目标rt0；如此重复上述过程若干次，并逐次增加模糊步长，最终得到模糊过后的黑色背景。
将正常的背景渲染到后台缓冲区，将模糊过后的黑色背景和后台缓冲区的正常背景进行混合显示，得到“眩光”效果的最终渲染结果。
实施例采用高斯模糊进行模糊，模糊次数为5，每次模糊的步长(对于每个像素，模糊的步长决定影响它的像素范围)增加1。图7显示了实施例进行了眩光处理使得单颗牙齿背景加强后的效果。
Claims (6)
1.一种三维牙颌模型渲染方法。其特征在于：
1)输入三维牙颌模型，三维牙颌模型包括牙齿模型和牙龈模型；
2)构建纹理图片，并将纹理图片赋予到三维牙颌模型上，获得三维牙颌模型在视图中所显示的每个像素点的纹理颜色；
3)将三维牙颌模型置于点光源的光照下，对牙齿模型和牙龈模型分别采用不同的片段着色器，综合纹理信息、光照信息、牙颌材质信息的参数信息对三维牙颌模型在视图中所显示的每个像素点的颜色进行计算，获得最终显示颜色并渲染；
4)利用眩光处理方法对渲染的背景进行处理，加深渲染效果。
2.根据权利要求1-2所述的一种三维牙颌模型渲染方法，特征在于：
所述步骤2)具体是：
2.1)将输入的三维牙颌模型展开变换为一个二维平面图，三维牙颌模型中每个网格点对应到二维平面图的一个点坐标；
2.2)处理纹理图片使其和二维平面图尺寸匹配，再将纹理图片的颜色赋予到二维平面图上作为纹理颜色，使得二维平面图上各个点的颜色与纹理图片中位于相同位置的像素点颜色相同；
2.3)再将赋予颜色后的二维平面图变换回三维牙颌模型。
3.根据权利要求1-2所述的一种三维牙颌模型渲染方法，特征在于：
所述的纹理图片是患者口内照片的局部区域或者自定义构建的渐变图片。
4.根据权利要求1所述的一种三维牙颌模型渲染方法，特征在于：所述步骤3)具体是包括；选择光照模型，利用光照模型计算点光源分别照射到三维牙颌模型的牙齿模型和牙龈模型上产生的镜面反射光颜色和散射光颜色，再把镜面反射光颜色和散射光颜色与步骤2)的纹理颜色、牙齿模型和牙龈模型各自的底色相叠加形成三维牙颌模型的最终显示颜色。
5.根据权利要求4所述的一种三维牙颌模型渲染方法，特征在于：所述步骤3)中获得最终显示颜色公式如下：
采取以下公式计算牙颌模型在视图中所显示的每个像素点的颜色：
<mrow>
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<mi>s</mi>
</msub>
</mrow>
其中，ambient为底色和纹理颜色的融合颜色，diffuse为散射光颜色，specular为镜面反射光颜色，k为散射光所占比例因子，比例因子k位于0到1之间，n和l分别为所需计算颜色的像素点的法向和光照方向，rs为镜面反射因子；
上式中的光照方向l按以下公式计算：
l＝lightPos-vertexPos
其中，lightpos是光源的位置，vertexPos是当前要计算颜色的像素点的经过模型和视角变换后的坐标；
上式中的镜面反射因子rs按以下公式计算：
<mrow>
<msub>
<mi>r</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，F表示菲涅尔参数的近似因子，D是微面分布因子，G为几何衰减因子，位于0到1之间，v表示视角方向的向量；
上式镜面反射因子rs的计算中，三个因子F、G、D按以下公式计算：
F＝f+(1-f)(1-(h·v))5
<mrow>
<mi>D</mi>
<mo>=</mo>
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</mfrac>
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</mrow>
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其中，h是指向光源的向量l和指向视点的向量v的和向量的一半，f是在当前入射角情况下的反射率，m是用来模拟物体表面光滑程度的常量因子，位于0-1之间。
6.根据权利要求4所述的一种三维牙颌模型渲染方法，特征在于：所述步骤4)中具体采用以下公式计算：
以三维牙颌模型以外的外围显示区域作为背景并均置为黑色，然后采用图像模糊方法，对三维牙颌模型用模糊步长进行多次模糊处理，并逐次增加模糊步长，得到模糊过后的模糊窗口，最终显示时将步骤3)获得的三维牙颌模型覆盖模糊窗口中的三维牙颌模型进行显示，得到眩光渲染结果。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710801264.0A CN107564090A (zh) | 2017-09-07 | 2017-09-07 | 一种三维牙颌模型渲染方法 |
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| CN201710801264.0A CN107564090A (zh) | 2017-09-07 | 2017-09-07 | 一种三维牙颌模型渲染方法 |
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