基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法。其包括以下步驟：數(shù)據(jù)劃分、分塊細(xì)節(jié)水平選擇、建立二級(jí)索引和體繪制。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法利用塊內(nèi)邊界插值方法，避免了引入額外數(shù)據(jù)量和額外的數(shù)據(jù)預(yù)處理，消除了多分辨率體繪制的分塊效應(yīng)，并且利用GPU完成插值，使本發(fā)明的體繪制方法更加簡(jiǎn)單高效。
【專利說明】基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于體繪制方法【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]體繪制是一種直接由三維數(shù)據(jù)場(chǎng)產(chǎn)生屏幕上二維圖像的技術(shù)。數(shù)字圖像對(duì)應(yīng)的是描述數(shù)據(jù)元素的顏色和光強(qiáng)的二維陣列，這些元素成為像素，同理，一個(gè)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可以用一個(gè)具有相應(yīng)值的三維陣列來描述，這些值稱為體素。類似于數(shù)字圖像的二維光柵，可以把體數(shù)據(jù)場(chǎng)看為一個(gè)三維光柵。一個(gè)典型的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)是醫(yī)學(xué)圖像三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，由CT(計(jì)算機(jī)斷層成像)或MRI(核磁共振)掃描獲得一系列的醫(yī)學(xué)圖像切片數(shù)據(jù)，把這些切片數(shù)據(jù)按照位置和角度信息進(jìn)行規(guī)則化處理，然后就形成一個(gè)三維空間中由均勻網(wǎng)格組成的規(guī)則的數(shù)據(jù)場(chǎng)，網(wǎng)格上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)體素，描述了對(duì)象的密度等屬性信息。體繪制以這種體素為基本操作單位，計(jì)算出每個(gè)體素對(duì)顯示圖像的影響。體繪制技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以探索物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以描述非常定形的物體，如肌肉，煙云等，而面繪制在這些方面比較弱。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。體繪制形成的圖像一般是半透明的圖像，顏色一般是人工指定的偽彩色。體繪制首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，不同類別賦予不同的顏色和不透明度值，然后根據(jù)空間中視點(diǎn)和體數(shù)據(jù)的相對(duì)位置確定最終的成像效果。體繪制常用的算法有光線投射法，足跡表法，錯(cuò)切變形法，三維紋理貼圖法等。體繪制技術(shù)是一種用于三維數(shù)據(jù)體顯示的重要方法，通過對(duì)空間三維物體的直接展現(xiàn)，它能夠準(zhǔn)確表達(dá)出三維體數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)分布、空間關(guān)系等特點(diǎn)。同時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)放大等一系列的交互手段，它能夠形象直觀的展示出數(shù)據(jù)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系，因此，體繪制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括機(jī)械工程、地質(zhì)勘探、醫(yī)學(xué)以及流體物理在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域之中。隨著數(shù)據(jù)探測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在所用于體繪制的體數(shù)據(jù)的大小急速增加。由于體繪制技術(shù)需要預(yù)先將整個(gè)體數(shù)據(jù)讀入顯存，因此當(dāng)數(shù)據(jù)量的大小超過顯存容量的時(shí)候，體繪制就會(huì)受到限制。雖然可以采用將數(shù)據(jù)分塊?弓Mt，然后分開讀入內(nèi)存分開繪制的方法解決內(nèi)存不足的限制，但是該方法會(huì)導(dǎo)致頻繁地硬盤到顯存的讀寫操作，嚴(yán)重影響繪制的實(shí)時(shí)效率。在這種情況下，多分辨率體繪制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。多分辨率體繪制技術(shù)采用了多分辨率表示的思想，按某種方式對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行分塊，為每個(gè)分塊賦予不同的分辨率級(jí)別，并據(jù)此對(duì)其進(jìn)行不同程度的抽樣處理，以此減小繪制過程中載人顯存的總體數(shù)據(jù)量。這種方式既能夠在一定程度上降低用于繪制的整體數(shù)據(jù)量，又能最大限度的保證數(shù)據(jù)體內(nèi)信息的完整，保證繪制質(zhì)量。但是，由于在數(shù)據(jù)處理過程中采用了分塊處理，同時(shí)，在生成數(shù)據(jù)紋理的時(shí)候，對(duì)不同大小的塊進(jìn)行了重新的整合1因此，生成的數(shù)據(jù)紋理和數(shù)據(jù)本身的空間位置關(guān)系不一樣。在光線投影法中，沿著一條光線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣時(shí)，就可能會(huì)導(dǎo)致采樣點(diǎn)選取錯(cuò)誤，從而在最終的繪制結(jié)果中出現(xiàn)邊界效應(yīng)。現(xiàn)有的解決邊界效應(yīng)的方法，大多是通過增加額外的數(shù)據(jù)量來保證采樣過程的正確性。但是當(dāng)數(shù)據(jù)量很大，內(nèi)存限制極為嚴(yán)重的時(shí)候，通過增加額外數(shù)據(jù)量的方法就可能會(huì)導(dǎo)致最終的數(shù)據(jù)量超過內(nèi)存容量限制，使得繪制變得困難。同時(shí)，該方法會(huì)增加數(shù)據(jù)預(yù)處理的復(fù)雜度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決以上問題，本發(fā)明提出了一種基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法，包括以下步驟:
[0005]S1.依據(jù)選取的塊大小將數(shù)據(jù)體劃分為多個(gè)大小相等的分塊；
[0006]S2.對(duì)步驟SI中得到的每一個(gè)分塊選擇合適的分塊細(xì)節(jié)水平，具體包括以下步驟:
[0007]S21.將步驟SI中得到的每一個(gè)分塊進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)子塊；
[0008]S22.計(jì)算步驟S21中每個(gè)子塊中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值，表示為:

【權(quán)利要求】
1.一種基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法，其特征在于，包括以下步驟: S1.依據(jù)選取的塊大小將數(shù)據(jù)體劃分為多個(gè)大小相等的分塊； S2.對(duì)步驟SI中得到的每一個(gè)分塊選擇合適的分塊細(xì)節(jié)水平，具體包括以下步驟: S21.將步驟SI中得到的每一個(gè)分塊進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)子塊； S22.計(jì)算步驟S21中每個(gè)子塊中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值，表示為:
其中，BVgi表示第i個(gè)子塊的均值，Sj為當(dāng)前子塊內(nèi)第j個(gè)點(diǎn)的標(biāo)量值，Ifflax為當(dāng)前算法中所能使用的最高分塊細(xì)節(jié)水平，I表示當(dāng)前用于分析的細(xì)節(jié)水平； S23.根據(jù)步驟S22中得到的每個(gè)子塊中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值，計(jì)算每個(gè)子塊的均方差，表示為:
其中，Bi表示當(dāng)前分塊中第i個(gè)子塊的均方差； S24.對(duì)當(dāng)前分塊的所有子塊進(jìn)行綜合分析，計(jì)算在當(dāng)前分塊細(xì)節(jié)水平之下當(dāng)前分塊的平均均方差，表示為:
其中，V1表示在當(dāng)前細(xì)節(jié)水平下當(dāng)前分塊的平均均方差，Smax表示當(dāng)前分塊數(shù)據(jù)的最大值，Smin表示當(dāng)前分塊數(shù)據(jù)的最小值； S25.定義滿足Is廠avgi I >Bi的所有點(diǎn)為奇異點(diǎn)，計(jì)算在當(dāng)前分塊細(xì)節(jié)水平下每個(gè)子塊內(nèi)奇異點(diǎn)所占比例，并找出所有的奇異子塊，計(jì)算奇異子塊在當(dāng)前分塊內(nèi)所占比例T1 ； S26.建立均方差和奇異子塊比例列表，引入用戶設(shè)定的門限值，計(jì)算當(dāng)前分塊的最終分辨率級(jí)別，表示為:
Ζ = {Ξ/|^<7:(}η{3/|7；<7；}
Im = min(L), 其中，Tu表示用戶設(shè)定的均方差門限，Ts表示用戶設(shè)定的奇異子塊比例門限，L表示所有滿足門限的分塊細(xì)節(jié)水平，Im表示當(dāng)前分塊最終使用的分塊細(xì)節(jié)水平； S3.創(chuàng)建二級(jí)索引，將分塊數(shù)據(jù)整合為空間矩形，具體包括以下步驟: S31.對(duì)原始數(shù)據(jù)體組織進(jìn)行處理，形成元祖體； S32.將所有低級(jí)分塊組合為最高級(jí)分塊，計(jì)算最高級(jí)分塊的累計(jì)個(gè)數(shù)； S33.根據(jù)步驟S32中的最高級(jí)分塊累計(jì)個(gè)數(shù)計(jì)算空間矩形大??； S34.根據(jù)步驟S33中的空間矩形大小，申請(qǐng)打包數(shù)據(jù)所需空間，并利用分級(jí)坐標(biāo)方法，形成打包數(shù)據(jù)； S4.根據(jù)步驟S3中的空間矩形，在GPU片元上利用光線投射法進(jìn)行體繪制，具體包括以下步驟:S41.按照采樣間隔At對(duì)元祖體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并用該采樣點(diǎn)處的光強(qiáng)度以及光衰減系數(shù)表征數(shù)據(jù)體中對(duì)應(yīng)段的光強(qiáng)度和光衰減系數(shù)，則光學(xué)深度表示為:
其中，表示光線從O位置傳遞到t位置的累計(jì)衰減程度，k(i.At)表示光衰減程度，I表不米樣點(diǎn)序號(hào)；S42.根據(jù)元祖體與打包數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，計(jì)算采樣點(diǎn)位置的顏色值Ci與不透明度Ai,表示為:
Ai = 1-θ^α,Δ?)Δ?
Ci = c (i.Δ t) Δ t ；S43.將所有點(diǎn)發(fā)出的光線進(jìn)行融合，并在GPU片元著色器上利用塊內(nèi)邊界插值方法得到繪制結(jié)果，表不為:
2.如權(quán)利要求1所述的基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法，其特征在于:所述步驟S32中計(jì)算最高級(jí)分塊的累計(jì)個(gè)數(shù)的公式具體為:
其中，N1表示將所有級(jí)別低于I的分塊進(jìn)行組合之后級(jí)別I的累積分塊個(gè)數(shù)，L1則代表將I級(jí)及以下的所有分塊全部進(jìn)行組合之后I級(jí)別還剩余的分塊個(gè)數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法，其特征在于:所述步驟S33根據(jù)最高級(jí)分塊累計(jì)個(gè)數(shù)計(jì)算空間矩形大小具體包括以下步驟: S331.設(shè)定空間矩形三個(gè)方向的邊長(zhǎng)分別為x、y、z，并將其初始值均設(shè)為I; S332.判斷當(dāng)前空間矩形是否已經(jīng)滿足空間要求； S333.若滿足，則得到計(jì)算結(jié)果； S334.若不滿足，則找到三條邊長(zhǎng)中的最小值，將其增加1，重復(fù)步驟S332。
4.如權(quán)利要求1所述的基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法，其特征在于:所述步驟S34根據(jù)空間矩形大小，申請(qǐng)打包數(shù)據(jù)所需空間，并利用分級(jí)坐標(biāo)方法，形成打包數(shù)據(jù)具體包括以下步驟: S341.初始化分級(jí)坐標(biāo)，將其所有級(jí)別均設(shè)置為O; S5342.從當(dāng)前的分辨率級(jí)別列表中的最高級(jí)別中取出一個(gè)分塊，若最高級(jí)別列表為空，則從次聞級(jí)別列表中獲?。籗343.根據(jù)當(dāng)前的分級(jí)坐標(biāo)計(jì)算該分塊存放的起始點(diǎn)位置； S344.將該分塊寫入步驟S343中得到的對(duì)應(yīng)位置； S345.將分級(jí)坐標(biāo)中對(duì)應(yīng)級(jí)別的值增加一，并進(jìn)行進(jìn)位檢查； S346.判斷分辨率級(jí)別列表是否為空； S347.若為空，則操作結(jié)束； S348.若不為空，則繼續(xù)步驟S342。
5.如權(quán)利要求4所述的基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法，其特征在于:所述步驟S343根據(jù)當(dāng)前的分級(jí)坐標(biāo)計(jì)算該分塊存放的起始點(diǎn)位置具體包括以下步驟: S3431.根據(jù)分級(jí)坐標(biāo)中的最高級(jí)別坐標(biāo)Flmax,計(jì)算當(dāng)前分塊應(yīng)放置的大塊位置ORG，計(jì)算公式表示為:
ORGz = Flfflax/(x.y).2lmax
ORGy = (Flmax% (x.y))/x.2lmax ；
ORGx = (Flmax% (x.y))% xi2lmax S3432.取出Γ級(jí)坐標(biāo)F1,，其中Γ比步驟S3431中分塊級(jí)別低一級(jí)； S3433.若步驟S3431中分塊級(jí)別為O級(jí)，則操作結(jié)束； S3434.若步驟S3431中分塊級(jí)別不為O級(jí)，則計(jì)算當(dāng)前分塊的起始點(diǎn)坐標(biāo)，具體包括以下步驟: S34341.若F1, = O,則 ORG 不變； S34342.若匕,=1，則ORGx 增加 2〃 ； S34343.若F1, =2，則 ORGy 增加 21,； S34344.若F1, =3，則 0RGx，ORGy 增加 2〃 ；
S34345.若F1, = 4，則 ORGz 增加 21,；
S34346.若F1, =5，則 ORGx, ORGz 增加 21,；
S34347.若F1, =6，則 ORGy, ORGz 增加 21,；
S34348.若F1, =7，則 ORGx, ORGy, ORGz 增加 21,。
6.如權(quán)利要求1所述的基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法，其特征在于:所述步驟S42中元祖體與打包數(shù)據(jù)的映射關(guān)系的確定方法具體包括以下步驟: S421.確定采樣點(diǎn)所在分塊位置，并計(jì)算該分塊的起始點(diǎn)位置； S422.根據(jù)分塊原始點(diǎn)位置與采樣點(diǎn)位置，計(jì)算當(dāng)前采樣點(diǎn)的塊內(nèi)偏移； S423.根據(jù)當(dāng)前分塊在打包數(shù)據(jù)中的起始點(diǎn)位置及經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的塊內(nèi)偏移，得到該點(diǎn)在打包數(shù)據(jù)中的實(shí)際位置。
7.如權(quán)利要求1所述的基于塊內(nèi)插值的多分辨率體繪制方法，其特征在于:所述步驟S43中塊內(nèi)邊界插值方法具體包括以下步驟: S431.根據(jù)當(dāng)前采樣點(diǎn)的紋理坐標(biāo)計(jì)算其塊內(nèi)相對(duì)坐標(biāo)； S432.根據(jù)相對(duì)坐標(biāo)判斷其是否屬于邊界區(qū)域； S433.若采樣點(diǎn)不屬于邊界區(qū)域，則直接取出其紋理值； S434.若采樣點(diǎn)屬于邊界區(qū)域，則根據(jù)塊內(nèi)已知點(diǎn)的值估算該采樣點(diǎn)的紋理值，具體包括以下步驟: S4341.設(shè)點(diǎn)A屬于邊界區(qū)域，記為V(A)； S4342.將點(diǎn)A沿Y方向分別平移相同距離，得到點(diǎn)B和點(diǎn)C，使點(diǎn)B處于邊界上，點(diǎn)C處于邊界內(nèi)，分別記為V(B)和V (C)； S4343.根據(jù)點(diǎn)B和點(diǎn)C的值，計(jì)算得到點(diǎn)A的值，表示為:
V (A) = 2ν ⑶-V (c)。
【文檔編號(hào)】G06T15/08GK104200511SQ201410427177
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】魯才, 曹琛, 胡光岷 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)