[理学]医学成像技术第八章 三维重建技术.ppt

表面 重建 皮肤 灰度 阈值 HU=500 表面 重建 皮肤 HU=500 骨头 HU=1150 表面 重建 透明显示 皮肤 HU=500 表面 重建 透明显示 皮肤 HU=500 骨骼 HU=1150 阻光度=0.8 阻光度=0.6 阻光度=0.4 阻光度=0.25 7.3 体绘制 在自然环境和计算模型中，许多对象和现象只能用三维数据场来表示。与传统的计算机图形学相比，对象体不再用几何曲面或曲线表示的三维实体，而是用体素（Voxel）作为基本造型单元。对于每一体素，不仅其表面而且其内部都包含了对象信息，这是仅用曲线和曲面等几何造型方法所无法表示的。体绘制的目的就在于提供一种基于体素的绘制技术，它有别于传统的基于面的绘制，能显示出对象体的丰富的内部细节。 体光照模型 体光照模型是研究直接体绘制的基础。从物理意义上讲，当光线穿过体素与光线遇到一曲面时，会发生不同的光学现象。前者如光线穿过云层会发生吸收、散射等现象；后者如光线射到桌面上，有漫射、反射、透射等现象。不同的物理背景决定了体光照强度的计算与面光照强度的计算有不同的模型和方法。体光照模型就是研究光线穿过体素时的变化，将光线穿过体素时的物理现象用数学模型来描述。在目前的体绘制中，采用得较多的有： 源-衰减模型（Source attenuation） 变密度发射模型（Varying density emitters） 材料分类及组合模型（Classification and mixture） 源-衰减模型最早由Jaffery提出。该模型为体数据场中的每一体素分配一个源强度和一个衰减系数，每一个体素作为一个质点光源，发出的光线在数据场中沿距离衰减后被投影到视平面上，形成结果图象。 当光照射到物体表面时，光线可能被吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为热，反射、透射的光进入人的视觉系统，使我们能看见物体。 为模拟这一现象，建立一些数学模型来替代复杂的物理模型，这些模型就称为明暗效应模型或者光照明模型。三维形体的图形经过消隐后，再进行明暗效应的处理，可以进一步提高图形的真实感。 计算某一点的光强度的模型。 光照模型 影响观察者看到的表面颜色的因素 ①物体的几何形状 ②光源 位置、距离、颜色、数量、强度、种类 ③环境 遮挡关系、光的反射与折射、阴影 ④视点位置 ⑤物性 材料、颜色、透明度 折射性 ⑥表面光洁度 光源 ①几何性质 点光源 线光源 面光源 ②光谱组成 白色光等能量的各种波长可见光的组合 彩色光 单色光 光的传播 反射定律：入射角等于反射角，而且反射光线、入射光线与法向量在同一平面上 折射定律 折射定律：折射线在入射线与法线构成的平面上，折射角与入射角满足 能量关系 在光的反射和折射现象中的能量分布： 下标为i,d,s,t,v的能量项分别表示为入射光强，漫反射光强，镜面反射光强，透射光强，吸收光强 能量是守恒的 简单光照明模型 模拟物体表面的光照明物理现象的数学模型－光照明模型 简单光照明模型亦称局部光照明模型，其假定物体是不透明的，只考虑光源的直接照射，而将光在物体之间的传播效果笼统地模拟为环境光。 可以处理物体之间光照的相互作用的模型称为整体光照明模型 简单光照明模型 光照射到物体表面，主要发生： 反射 透射（对透明物体） 部分被吸收成热能 反射光，透射光决定了物体所呈现的颜色 简单光照明模型-环境光 假定物体是不透明的（即无透射光） 环境光：在空间中近似均匀分布，即在任何位置、任何方向上强度一样,记为Ia 环境光反射系数Ka：在分布均匀的环境光照射下，不同物体表面所呈现的亮度未必相同，因为它们的环境光反射系数不同。 光照明方程（仅含环境光）： Ie = KaIa Ie为物体表面所呈现的亮度。 简单光照明模型- 环境光例子 具有不同环境光反射系数的两个球 简单光照明模型-环境光 缺点：虽然不同的物体具有不同的亮度，但是同一物体的表面的亮度是一个恒定的值，没有明暗的自然过度。 考虑引入点光源。 点光源：几何形状为一个点，位于空间中的某个位置，向周围所有的方向上辐射等强度的光。记其亮度为Ip 点光源的照射：在物体的不同部分其亮度也不同，亮度的大小依赖于物体的朝向及它与点光源之间的距离. 简单光照明模型 简单光照明模型：-漫反射角度余弦的推导 漫反射 粗糙、无光泽物体（如粉笔）表面对光的反射 光照明方程 漫反射的亮度 点光源的亮度 漫反射系数 入射角 漫反射光的强度 只与入射角有关 简单光照明模型