專利名稱：面向色盲設(shè)計(jì)顏色傳輸函數(shù)用于體繪制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輔助用戶設(shè)計(jì)適合色盲觀察者的顏色傳輸函數(shù)用于直接體繪制的方法，屬于體數(shù)據(jù)可視化及圖像處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
體數(shù)據(jù)可視化作為一種有效的交流與分析體數(shù)據(jù)的工具被廣泛使用，然而約總?cè)丝诘?%面臨著不同程度的視覺障礙(色盲和色弱)，這部分觀察者同樣有瀏覽與探索體數(shù)據(jù)的需求。傳統(tǒng)的面向色盲觀察者的改進(jìn)方法主要是基于圖像重新著色的，主要分為兩類1)通過設(shè)置一些參數(shù)進(jìn)行部分顏色偏移；2)對圖像包含的整體顏色種類進(jìn)行顏色對比度增強(qiáng)優(yōu)化，然后重新著色圖像的每個(gè)像素。前者需要通過調(diào)節(jié)參數(shù)，交互復(fù)雜而效果一般；后者最優(yōu)化一個(gè)目標(biāo)方程，通常能得到最優(yōu)化的對比度增強(qiáng)方案。由于對體數(shù)據(jù)的瀏覽是一個(gè)交互的過程，用戶需要通過旋轉(zhuǎn)、平移等操作觀察體繪制的結(jié)果，而基于圖像的重新著色的方案需要針對每一幀繪制結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，因此它通常面臨著性能問題而無法使用戶得到滿意的交互體驗(yàn)。另外，在不同視角的兩幀之間，不同的圖像內(nèi)容生成不同的優(yōu)化結(jié)果，而優(yōu)化結(jié)果的變化導(dǎo)致重新著色后的體繪制結(jié)果中的相同結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)生顏色不一致現(xiàn)象(顏色偏移問題)；而當(dāng)相鄰兩幀的優(yōu)化結(jié)果不同的時(shí)候，可能會造成顏色色調(diào)被反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象(時(shí)序不一致問題)。特別地，傳統(tǒng)的顏色加法算子是針對兩個(gè)RGB顏色空間中顏色的融合，即兩個(gè)顏色的R、G、B分量分別線性插值后得到一個(gè)新的顏色，而色盲觀察者的視覺顏色感知空間是在LMS顏色空間中兩個(gè)相交的半平面(相關(guān)技術(shù)可參考H. Brettel, F. Vienot, and J. D. Mollon. ,1997, Computerized simulation of color appearance fordichromats)，使得線性插值后得到的融合顏色與輸入的兩個(gè)顏色之間的關(guān)系在色盲觀察者的視覺感知中不再是線性的，因此會一定程度上導(dǎo)致融合后的顏色丟失其本應(yīng)表達(dá)的信息，干擾色盲觀察者對圖像內(nèi)容的探索(例如，使用傳統(tǒng)方法將兩個(gè)顏色按照一定的不透明度進(jìn)行融合后得到的顏色，在色盲觀察者的視覺感知中，可能會與原來的兩個(gè)顏色之一的顏色感知距離太近，導(dǎo)致無法區(qū)分三個(gè)不同顏色的情況，造成對結(jié)果圖像的不正確理解)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種面向色盲設(shè)計(jì)顏色傳輸函數(shù)用于體繪制的方法，它可輔助用戶設(shè)計(jì)適合色盲觀察者的顏色傳輸函數(shù)用于直接體繪制。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是所述面向色盲設(shè)計(jì)顏色傳輸函數(shù)用于體繪制的方法包括如下步驟(1)根據(jù)體數(shù)據(jù)、包含不同顏色的顏色傳輸函數(shù)和不透明度傳輸函數(shù)，在當(dāng)前視角下通過基于光線投射的體繪制方法繪制得到體繪制的初步結(jié)果圖像；(2)對所述初步結(jié)果圖像進(jìn)行重新著色，以將所述初步結(jié)果圖像中的色盲觀察者所不能區(qū)分的顏色替換為色盲觀察者能夠區(qū)分的顏色；
(3)保持所述不透明度傳輸函數(shù)不變，從繪制窗口中隨機(jī)采樣非背景的像素位置， 所采樣的非背景的像素位置的數(shù)量大于等于所述顏色傳輸函數(shù)中的顏色種類；在所采樣的非背景的各像素位置上分別投射一條從視點(diǎn)出發(fā)的光線，通過光線投射方法累積該條光線上的所述顏色傳輸函數(shù)中的各種顏色所對應(yīng)的權(quán)重值，相應(yīng)得到關(guān)于所述顏色傳輸函數(shù)中的各種顏色的線性組合，所述線性組合以對應(yīng)的所述權(quán)重值為系數(shù)；(4)令各所述線性組合分別等于經(jīng)步驟(2)重新著色得到的結(jié)果圖像在所采樣的非背景的各所述像素位置處的顏色，得到相應(yīng)的方程并組成一個(gè)線性方程組，所述線性方程組以所述顏色傳輸函數(shù)中的各種顏色的分量作為未知數(shù)，且各未知數(shù)的取值范圍符合其所在的顏色空間所定義的取值范圍；后使用帶約束條件的最小二乘法對所述線性方程組求解，得到新的顏色傳輸函數(shù)中的各種顏色；(5)根據(jù)所述體數(shù)據(jù)、所述新的顏色傳輸函數(shù)和所述不透明度傳輸函數(shù)，在當(dāng)前視角下使用基于光線投射的體繪制方法繪制得到最終的體繪制的結(jié)果圖像。進(jìn)一步地，本發(fā)明在步驟(5)中，使用所述基于光線投射的體繪制方法時(shí)，在顏色累積過程中，按以下步驟進(jìn)行兩個(gè)顏色的融合1)先將處于同一顏色空間的第一顏色和第二顏色相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為LMS顏色空間的第三顏色和第四顏色；將所述第三顏色和第四顏色分別通過色盲模擬模型相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為第五顏色和第六顏色；在所述色盲模擬模型中，色盲觀察者的LMS顏色空間由兩個(gè)相交的半平面組成；2)在所述兩個(gè)相交的半平面上尋找一條連接所述第五顏色和第六顏色的最短路徑；在所述最短路徑上尋找一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，使得該目標(biāo)點(diǎn)與所述第五顏色和第六顏色所對應(yīng)的點(diǎn)滿足以下關(guān)系式(I)，d(G, C5) d(G, C6) = α2 (1—α2) (I)式(I)中，C5、C6、G分別表示第五顏色、第六顏色、所述目標(biāo)點(diǎn)在所述色盲觀察者的 LMS顏色空間的位置，d(G，C5)和d(G，C6)分別表示目標(biāo)點(diǎn)沿著所述最短路徑到C5和C6的距離，α 2表示所述第二顏色對應(yīng)的不透明度；3)將目標(biāo)點(diǎn)所對應(yīng)的顏色轉(zhuǎn)換為第一顏色和第二顏色所在的顏色空間的第七顏色；4)將所述第一顏色、第二顏色和第七顏色分別相應(yīng)地轉(zhuǎn)換為LW顏色空間中的第八顏色、第九顏色和第十顏色；保持第十顏色的a*通道和b*通道的分量值不變，按以下式 (II)對第十顏色的L*通道的分量值進(jìn)行修改，L*10 = (1-α 2) XL*8+a 2XL*9, (II) 式(II)中，ΙΛ、ΙΛ和分別表示第八顏色、第九顏色和第十顏色的L*通道分量的值，α 2表示所述第二顏色對應(yīng)的不透明度；5)將經(jīng)步驟4)修改的第十顏色轉(zhuǎn)換為第一顏色和第二顏色所在的顏色空間的顏色。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是 首先，本發(fā)明方法得到的是一個(gè)優(yōu)化的顏色傳輸函數(shù)，因而避免了在每一幀都需要進(jìn)行優(yōu)化求解的步驟，提高了繪制效率，也提升了用戶在瀏覽體數(shù)據(jù)時(shí)的交互體驗(yàn)；其次，由于使用了一個(gè)優(yōu)化的顏色傳輸函數(shù)，在用戶進(jìn)行交互體數(shù)據(jù)瀏覽過程中就避免了因?qū)Σ煌瑤捏w繪制結(jié)果圖像進(jìn)行單獨(dú)的全局優(yōu)化而造成的顏色偏移問題和時(shí)序一致性的問題；最后，使用本發(fā)明的新的顏色融合算子，可以避免當(dāng)兩個(gè)顏色融合后產(chǎn)生的顏色與原來的兩個(gè)顏色之一的顏色感知距離太近而造成無法區(qū)分的情況，有效降低色盲觀察者對體繪制結(jié)果圖像所包含信息的不正確理解。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖；圖2是色盲LMS顏色空間中對兩個(gè)顏色進(jìn)行顏色融合的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的面向色盲設(shè)計(jì)體繪制顏色傳輸函數(shù)的方法作進(jìn)一步說明，具體步驟如下步驟1)首先按照傳統(tǒng)的體繪制框架流程，讀入體數(shù)據(jù)；然后，用戶通過系統(tǒng)提供的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)界面設(shè)計(jì)一個(gè)包含M種不同顏色的顏色傳輸函數(shù)和一個(gè)不透明度傳輸函數(shù)，或者從磁盤導(dǎo)入一個(gè)已保存的傳輸函數(shù)的配置文件；接著，根據(jù)體數(shù)據(jù)、包含M種不同顏色的顏色傳輸函數(shù)和不透明度傳輸函數(shù)，通過基于光線投射的直接體繪制方法(如圖1 中的步驟a)繪制得到在當(dāng)前視角下的體繪制的初步結(jié)果圖像。步驟2)對于步驟1)得到的當(dāng)前視角下的體繪制的初步結(jié)果圖像，使用面向色盲的基于圖像的重新著色的方法，對其進(jìn)行重新著色(如圖1中的步驟b)，以將初步結(jié)果圖像中的色盲觀察者不易區(qū)分的顏色替換為色盲觀察者容易區(qū)分的顏色，使得重新著色后的結(jié)果圖像盡可能多地包含色盲觀察者容易區(qū)分的顏色分類信息，以利于色盲觀察者更容易地理解圖像所包含的信息。其中，面向色盲的基于圖像的重新著色的方法可以是Kuhn等人提出的基于帶約束的全局優(yōu)化重新著色方法(相關(guān)技術(shù)可參考G. R. Kuhn,Μ. M. Oliveira, and L Α. F.Fernandes.，2008，An efficient naturalness-preserving image-recoloring method for dichromats)、Machado等人提出的實(shí)時(shí)的時(shí)序一致的對比增強(qiáng)方法(相關(guān)技術(shù)可參考 G. M. Machado and Μ. Μ. Oliveira. , 2010, Real-time temporal-coherent color contrast enhancement for dichromats)等。步驟3)保持步驟1)所述的不透明度傳輸函數(shù)不變，將步驟1)所述的顏色傳輸函數(shù)定義為一組由M種不同的未知顏色組成的集合ICiIi = 1，2，...，M}(如圖1中的步驟 c)；隨機(jī)采樣繪制窗口中的數(shù)量為N (N彡M)的非背景的像素位置，記作{Pk|k= 1,2,..., N}；在各個(gè)采樣得到的非背景的像素位置Pk(k = 1,2,...，N)上，分別投射一條從視點(diǎn)出發(fā)的光線，通過光線投射方法累積該條光線上的M種不同的顏色值所對應(yīng)的權(quán)重值，相應(yīng)得到關(guān)于所述未知顏色集合中的M種不同顏色的線性組合如下
權(quán)利要求
1.一種面向色盲設(shè)計(jì)顏色傳輸函數(shù)用于體繪制的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)根據(jù)體數(shù)據(jù)、包含不同顏色的顏色傳輸函數(shù)和不透明度傳輸函數(shù)，在當(dāng)前視角下通過基于光線投射的體繪制方法繪制得到體繪制的初步結(jié)果圖像；(2)對所述初步結(jié)果圖像進(jìn)行重新著色，以將所述初步結(jié)果圖像中的色盲觀察者所不能區(qū)分的顏色替換為色盲觀察者能夠區(qū)分的顏色；(3)保持所述不透明度傳輸函數(shù)不變，從繪制窗口中隨機(jī)采樣非背景的像素位置，所采樣的非背景的像素位置的數(shù)量大于等于所述顏色傳輸函數(shù)中的顏色種類；在所采樣的非背景的各像素位置上分別投射一條從視點(diǎn)出發(fā)的光線，通過光線投射方法累積該條光線上的所述顏色傳輸函數(shù)中的各種顏色所對應(yīng)的權(quán)重值，相應(yīng)得到關(guān)于所述顏色傳輸函數(shù)中的各種顏色的線性組合，所述線性組合以對應(yīng)的所述權(quán)重值為系數(shù)；(4)令各所述線性組合分別等于經(jīng)步驟(2)重新著色得到的結(jié)果圖像在所采樣的非背景的各所述像素位置處的顏色，得到相應(yīng)的方程并組成一個(gè)線性方程組，所述線性方程組以所述顏色傳輸函數(shù)中的各種顏色的分量作為未知數(shù)，且各未知數(shù)的取值范圍符合其所在的顏色空間所定義的取值范圍；后使用帶約束條件的最小二乘法對所述線性方程組求解， 得到新的顏色傳輸函數(shù)中的各種顏色；(5)根據(jù)所述體數(shù)據(jù)、所述新的顏色傳輸函數(shù)和所述不透明度傳輸函數(shù)，在當(dāng)前視角下使用基于光線投射的體繪制方法繪制得到最終的體繪制的結(jié)果圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向色盲設(shè)計(jì)顏色傳輸函數(shù)用于體繪制的方法，其特征在于，在步驟(5)中，使用所述基于光線投射的體繪制方法時(shí)，在顏色累積過程中，按以下步驟進(jìn)行兩個(gè)顏色的融合1)先將處于同一顏色空間的第一顏色和第二顏色相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為LMS顏色空間的第三顏色和第四顏色；將所述第三顏色和第四顏色分別通過色盲模擬模型相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為第五顏色和第六顏色；在所述色盲模擬模型中，色盲觀察者的LMS顏色空間由兩個(gè)相交的半平面組成；2)在所述兩個(gè)相交的半平面上尋找一條連接所述第五顏色和第六顏色的最短路徑； 在所述最短路徑上尋找一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，使得該目標(biāo)點(diǎn)與所述第五顏色和第六顏色所對應(yīng)的點(diǎn)滿足以下關(guān)系式(I)，d(G，C5) d(G，C6) = α2 (1-α2) (I)式(I)中，C5、C6、G分別表示第五顏色、第六顏色、所述目標(biāo)點(diǎn)在所述色盲觀察者的LMS 顏色空間的位置，d(G，C5)和d(G，C6)分別表示目標(biāo)點(diǎn)沿著所述最短路徑到C5和C6的距離， α2表示所述第二顏色對應(yīng)的不透明度；3)將目標(biāo)點(diǎn)所對應(yīng)的顏色轉(zhuǎn)換為第一顏色和第二顏色所在的顏色空間的第七顏色；4)將所述第一顏色、第二顏色和第七顏色分別相應(yīng)地轉(zhuǎn)換為LW顏色空間中的第八顏色、第九顏色和第十顏色；保持第十顏色的a*通道和b*通道的分量值不變，按以下式 (II)對第十顏色的L*通道的分量值進(jìn)行修改，
全文摘要
本發(fā)明公開一種面向色盲設(shè)計(jì)顏色傳輸函數(shù)用于體繪制的方法。它是在體繪制系統(tǒng)中導(dǎo)入體數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)顏色傳輸函數(shù)和不透明度傳輸函數(shù)，用基于光線投射算法的體繪制方法繪制得到結(jié)果圖像；用面向色盲的重新著色方法對所述結(jié)果圖像重新著色；令顏色傳輸函數(shù)包含的顏色值未知，采樣窗口中的部分非背景像素并對這些像素分別投射光線并累積關(guān)于未知顏色的權(quán)值，得到未知顏色的線性組合；令每個(gè)所述的線性組合等于重新著色后圖像在相應(yīng)像素位置處的顏色，求解得到未知的顏色并構(gòu)造新的顏色傳輸函數(shù)；使用新的顏色傳輸函數(shù)，并使用新的面向色盲的顏色融合算子，繪制體數(shù)據(jù)得到適合色盲觀察者探索的結(jié)果圖像。
文檔編號G06T15/08GK102289840SQ20111016495
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月18日
發(fā)明者陳為, 陳偉鋒, 鮑虎軍 申請人:浙江大學(xué)