体绘制中显示隐含分界面一种方法和其实现.PDF

1000-9825/2002/13(09)1887-06 ©2002 Journal of Software 软 件 学 报 Vol.13, No.9 体绘制中显示隐含分界面的一种方法及其实现 彭延军, 石教英 (浙江大学 CADCG 国家重点实验室,浙江 杭州 310027) E-mail: yj peng@ 摘要: 在普通的体光照模型下,使用直接体绘制显示对象内部的隐含分界面( 内部不同介质之间的分界面), 需要 改变传递函数,确定体素的颜色值和不透明度.虽然能够看到对象内部的结构,但是在这种模型下,要透过物体的 表面清晰地看到其内部的隐含分界面是不可能的.这一方面是由于普通体光照模型中的粒子不具有选择透光 性,即不能透过波长在一定范围内的可见光而吸收另一部分波长不同的可见光,只能同等地吸收各种波长的光; 另一方面是因为普通体光照模型缺乏表面信息部分.该算法使用一种具有选择透光性的体光照模型,在这种模 型中加入表面散射部分,这一部分与视线、光源位置无关, 同时采用非真实感绘制技术来加大隐含分界面的显示 效果.在这种光照模型下,可以清晰地显示出隐含分界面具体的细节部分. 关 键 词: 光照模型;直接体绘制;传递函数;体素;散射;非真实感绘制 中图法分类号: TP391 文献标识码: A 三维标量数据场的显示,特别是CT,MR 等三维体数据的显示,是目前标量数据场可视化研究的一个主要方 向,主要有使用面光照模型的面绘制和使用体光照模型的直接体绘制两种方法.面绘制方法是从三维数据集中 抽取出等值面,通过传统的图形学技术来实现.面绘制可有效地绘制出三维体的表面,但缺乏内部信息的表达. 直接体绘制方法是以体素作为基本单元,在体光照模型下直接由三维体数据生成三维体的图像.因其具有高度 保真性,体绘制技术已经成为目前三维标量数据场可视化研究的一个主要方面. 透过对象表面看清其内部的隐含分界面( 内部不同介质之间的界面)和其内部细节而不改变对象的外部形 态,这是对医学可视化结果的一个特殊要求.只有在这种结果下,医生才能透过组织表面看清内部的病变结构和 细节信息,确定其相对位置,为治疗提供帮助和支持,从而使可视化结果更有利于医疗检查、诊断和辅助治疗. 在体绘制中,透过物体表面显示隐含分界面的现有技术主要有两个方面:一方面是在普通光照模型下改变 传递函数;另一方面是通过改变光照模型来解决.我们首先来看一下已有的光照模型:Nelson Max 指出[1],假定连 续分布的三维数据场中充满着小粒子, 由于这些小粒子具有发光、吸收、反射等功能,使得光线通过三维数据 场时发生了变化,基于这一假设形成了几种不同的光学模型.光线的吸收模型:如果三维空间中的小粒子可完全 吸收所射入的光线,而无反射和发光功能,也就构成了一个光线的吸收模型,这也是体光学模型中最简单的一 种.光线的发射模型:如果在火焰、高温气体的可视化中,构成这些物质的小粒子很小而且几乎是透明的,但是发 出的光线却很强,就可以认为这些小粒子仅具有发射光线的功能,从而构成了光线的发射模型.光线的吸收与发 射模型:如果将光线的吸收模型与发射模型结合起来,就可以更好地反映出一般情况下,光线在充满粒子的三维 空间中的变化,进一步构成了光线的吸收与发射模型.这一模型也是在体绘制中应用最广泛的一种.而传递函数 是在一定的光照模型下,根据体数据的分类,确定各类体数据对应的颜色(R ,G,B)值、不透明度, 以用于随后的光 收稿日期: 2002-01-29; 修改日期: 2002-05-31 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 作者简介: 彭延军(1971 －), 男, 山东滕州人,博士生,讲师,主要研究领域为数字图像处理,医学可视化;石教英(1937 －), 男,浙江 宁波人,教授,博士生导师,主要研究领域为计算机图形学,虚拟现实,科学计算可视化,多媒体技术. 1888 Journal of Software 软件学报 2002,13(9) 照和明暗处理并最终生成结果图像. 虽然颜色值和不透明度几乎能模拟出所有的颜色,可以根据需要改变传递函数、决定体素的不透明度,最 终显示出物体内部的结构.但是在这种模型下,要透过物体的表面清晰地看到其内部的结构和细节是不可能的. 其根本原因在于:一方面,这种模型下的粒子不具有选择透光性,也就是说,不能透过波长在一定范围内的可见 光而同时又吸收另一部分波