一种基于环境光遮蔽的医学容积真实渲染方法与流程

本技术属于医学影像处理，具体涉及一种基于环境光遮蔽的医学容积真实渲染方法。

背景技术：

1、随着医学影像水平的发展，诊断设备更加高端，特别是ct、mri等高分辨率断层图像出现，促使医学三维重建技术也在不断的进步，这些技术能够提供丰富的人体内部结构信息。以往二维图像往往难以满足临床需求，尤其是在复杂的手术规划和疾病诊断中。因此，通过三维真实容积渲染，够提供更为直观、精细和全面的医学图像信息。

2、现在3d重建技术中，光线投射(ray casting)是一种常见的方法，特别是在体积渲染(volume rendering)中。它通过模拟光线从光源发出，穿过三维空间并与场景中的物体相交，来生成图像。从虚拟相机发出光线，这些光线沿着视线方向投射到场景中。

3、对于每条光线，检测它与场景中所有像素的交点。这涉及到几何计算，可能包括与不同方位像素的交点。在交点处，根据位置的材质属性和光照条件采样得到像素颜色。

4、通过应用光照模型来计算光线与体数据相互作用的结果。对光源方向、强度和颜色属性计算。沿光线路径混合颜色，叠加透明度和光的衰减。对于半透明或模糊物体，需要额外的计算来模拟吸收效果。最后将所有光线的颜色贡献合成到最终的图像中。这个过程涉及到像素的累积和混合，最后生成对应渲染图像。

5、光线投射虽然可以一定程度上展现解剖结构，但是，由于光照效果通常由直接光照(如方向光、点光源)和间接光照(如全局光照)组成。然而，这些技术往往忽略了局部的微小遮挡细节，导致渲染效果与现实世界存在差异。为了改善这一问题，引入了环境光遮蔽技术，它可以模拟光线在物体表面和角落的细微阴影，增强容积渲染的真实感。

6、现有的渲染方法存在以下缺点：

7、基于ray casting的体渲染，虽然可以实现解剖结构展示，但是不够真实逼真，特别是有器官遮挡的时候，不能很方便的识别空间位置；

8、环境光遮蔽技术目前主要应用到游戏行业，也通常是表面重建的渲染，目前还没有将其应用于医学容积体重建中。

9、环境光遮蔽技术由于遮蔽运算，涉及大量计算，影响运算效率和实时性，需要改进达到实时交互。

10、因此研发一种改进的基于环境光遮蔽的医学容积真实渲染方法很有必要。

技术实现思路

1、本技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种基于环境光遮蔽的医学容积真实渲染方法。

2、为了解决技术问题，本技术的技术方法是：一种基于环境光遮蔽的医学容积真实渲染方法，包括以下步骤：

3、步骤1：读入dicom图像；

4、步骤2：生成体数据：对dicom图像解析，按照图像号顺序，判断层间距是否满足重建，满足重建的条件为所有图像层间距一致，满足则生成对应体数据；

5、步骤3：进行raycast渲染：将体数据输入缓冲区，定义光线ray，ray＝(o，d)，其中o是光线的起点，d是光线的方向向量；对于每条光线，计算光线与体素的交点，并计算深度距离t，其中体素为体数据的基本单元；

6、其中：

7、

8、t表示深度距离，像素；

9、pi表示对应体素；

10、i表示所有投射方向上体素单元计数；

11、步骤4：在步骤3计算获得的交点处采样体素数据，获取体素的颜色和密度属性，应用phong光照模型计算光线与体素相互作用，根据体素的颜色和密度属性及phong光照模型计算交点的颜色，沿光线路径累积颜色和透明度，远的体素对颜色的贡献会因为光的衰减而减少，沿光线路径累积每个采样点的贡献，考虑光的透明度，将最终累积的颜色作为该光线的输出颜色，生成渲染图像；

12、步骤5：位置纹理编码：通过步骤3计算出的所有交点，定义任意p点在三维空间中的位置向量先进行归一化位置，然后进行纹理编码；

13、步骤6：向量纹理编码：通过步骤3计算出的所有交点，计算每个体素的向量，对所有向量进行编码，对于任意p点向量进行纹理编码；

14、步骤7：屏幕空间增量采样：将步骤4生成的渲染图像映射到视口区域，从视口区域每个像素发射射线，采用视口随机增量采样，每次随机增量采集视口像素值；

15、步骤8：oa遮蔽计算：对于每个采样点，计算当前像素是否被遮挡，如果采样点深度距离t小于当前像素深度加上一个由采样点法线方向和到当前像素向量决定的偏移量，则认为采样点被遮挡，计算出遮蔽值，实现实时绘制；

16、步骤9：与原纹理深度比较：将步骤4生成的渲染图像映射到视口区域，从视口区域每个像素发射射线，采用视口随机增量采样，每次随机增量采集视口像素值，计算两次随机位置的偏移量，先把这个偏移量从切线空间转到观察空间，再把采样点从观察空间转到屏幕空间，用得到的屏幕坐标采样深度缓冲获取采样点的深度值randomdepth，提取纹理编码后的深度距离t来进行比较，如果randomdepth大于深度距离t，进行遮蔽加权，计算的遮蔽加权系数oa，否则丢弃；

17、步骤10：加权合成oa、合成结果图像：将步骤4生成的渲染图像，和步骤9计算的遮蔽加权系数oa，进行遍历加权绘制，生成的带环境光遮蔽的真实图像，再次循环步骤7进行增量采样，依次渐进绘制，多次绘制到高清显示的合成结果图像，结束渲染流程。

18、优选的，所述步骤3中定义光线为：由一个视角起点和一个方向向量定义组成，方向向量是归一化的，表示光线的传播方向；ray＝(o，d)，其中o是光线的起点，d是光线的方向向量。

19、优选的，所述步骤5中归一化位置具体公式为：

20、

21、其中：

22、表示位置归一化向量；

23、w是归一化的权重，是场景的最大尺寸，在[0，1]范围内；

24、所述纹理编码方式如下：

25、

26、其中：

27、表示位置rgb纹理向量；

28、srgb是一个将线性纹理空间转化为srgb颜色空间的函数，用于处理颜色的非线性特性。

29、优选的，所述步骤6中纹理编码方式如下：

30、

31、其中：

32、octahedron encode作为encode编码函数，具体如下：

33、

34、表示对应八面体映射向量。

35、优选的，所述步骤8中计算当前像素是否被遮挡的公式如下：

36、

37、式中：

38、occlusion为0时认为采样点被遮挡，occlusion为1时认为采样点未被遮挡；

39、其中sampledepth为深度距离t；currentdepth当前像素深度；

40、n是采样点数量；

41、step函数在第一个参数小于0时返回1，否则返回0；

42、bias是为了避免深度图中的噪声而添加的一个小偏移量。

43、优选的，所述步骤9中遮蔽加权的遮蔽加权系数oa公式如下：

44、

45、式中：

46、np代表p的法线；

47、w代表p的切平面正方向的任意单位向量；

48、v(p，w)代表可见函数，如果，在w方向被遮挡则为1，否则为0。

49、与现有技术相比，本技术的优点在于：

50、(1)本技术公开了一种基于环境光遮蔽的医学容积真实渲染方法，实现光线投射体渲染阴影效果，提升了层次和细节，改进光线投射算法，在投射过程中生成遮蔽纹理图，改进采样点与射线使用随机算法以减轻遮蔽瑕疵，通过oa增量采样方式，渐进式渲染满足实时绘制，使渲染图像更加真实逼真，特别是有器官遮挡的时候，能很方便的识别空间位置；

51、(2)本技术容积重建引入环境光遮蔽技术，增加了医学图像的深度感和细节，使得重建的更加真实；

52、(3)本技术在光线投射算法中，引入位置纹理编码和向量纹理编码，方便后期gpu并行加速加权运算绘制，提高了运算效率和实时性，可达到实时交互；

53、(4)本技术通过遮蔽随机位置探测方案，优化遮蔽运算效率和质量，能更方便的识别空间位置。