基於塊內插值的多解析度體繪製方法

2023-09-13 17:31:35

基於塊內插值的多解析度體繪製方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於塊內插值的多解析度體繪製方法。其包括以下步驟：數據劃分、分塊細節水平選擇、建立二級索引和體繪製。本發明的有益效果是：本發明的基於塊內插值的多解析度體繪製方法利用塊內邊界插值方法，避免了引入額外數據量和額外的數據預處理，消除了多解析度體繪製的分塊效應，並且利用GPU完成插值，使本發明的體繪製方法更加簡單高效。
【專利說明】基於塊內插值的多解析度體繪製方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於體繪製方法【技術領域】，尤其涉及一種基於塊內插值的多解析度體繪製方法。

【背景技術】
[0002]體繪製是一種直接由三維數據場產生屏幕上二維圖像的技術。數字圖像對應的是描述數據元素的顏色和光強的二維陣列，這些元素成為像素，同理，一個三維數據場可以用一個具有相應值的三維陣列來描述，這些值稱為體素。類似於數字圖像的二維光柵，可以把體數據場看為一個三維光柵。一個典型的三維數據場是醫學圖像三維數據場，由CT(計算機斷層成像)或MRI(核磁共振)掃描獲得一系列的醫學圖像切片數據，把這些切片數據按照位置和角度信息進行規則化處理，然後就形成一個三維空間中由均勻網格組成的規則的數據場，網格上的每個節點為一個體素，描述了對象的密度等屬性信息。體繪製以這種體素為基本操作單位，計算出每個體素對顯示圖像的影響。體繪製技術最大的優點是可以探索物體的內部結構，可以描述非常定形的物體，如肌肉，煙雲等，而面繪製在這些方面比較弱。缺點是數據存儲量大，計算時間較長。體繪製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。體繪製首先需要對數據進行分類處理，不同類別賦予不同的顏色和不透明度值，然後根據空間中視點和體數據的相對位置確定最終的成像效果。體繪製常用的算法有光線投射法，足跡表法，錯切變形法，三維紋理貼圖法等。體繪製技術是一種用於三維數據體顯示的重要方法，通過對空間三維物體的直接展現，它能夠準確表達出三維體數據中的數據分布、空間關係等特點。同時，通過旋轉放大等一系列的交互手段，它能夠形象直觀的展示出數據內部的結構層次關係，因此，體繪製技術已經廣泛應用於包括機械工程、地質勘探、醫學以及流體物理在內的多個領域之中。隨著數據探測和數據存儲技術的發展，現在所用於體繪製的體數據的大小急速增加。由於體繪製技術需要預先將整個體數據讀入顯存，因此當數據量的大小超過顯存容量的時候，體繪製就會受到限制。雖然可以採用將數據分塊?弓Mt，然後分開讀入內存分開繪製的方法解決內存不足的限制，但是該方法會導致頻繁地硬碟到顯存的讀寫操作，嚴重影響繪製的實時效率。在這種情況下，多解析度體繪製技術應運而生。多解析度體繪製技術採用了多解析度表示的思想，按某種方式對數據體進行分塊，為每個分塊賦予不同的解析度級別，並據此對其進行不同程度的抽樣處理，以此減小繪製過程中載人顯存的總體數據量。這種方式既能夠在一定程度上降低用於繪製的整體數據量，又能最大限度的保證數據體內信息的完整，保證繪製質量。但是，由於在數據處理過程中採用了分塊處理，同時，在生成數據紋理的時候，對不同大小的塊進行了重新的整合1因此，生成的數據紋理和數據本身的空間位置關係不一樣。在光線投影法中，沿著一條光線對數據進行採樣時，就可能會導致採樣點選取錯誤，從而在最終的繪製結果中出現邊界效應。現有的解決邊界效應的方法，大多是通過增加額外的數據量來保證採樣過程的正確性。但是當數據量很大，內存限制極為嚴重的時候，通過增加額外數據量的方法就可能會導致最終的數據量超過內存容量限制，使得繪製變得困難。同時，該方法會增加數據預處理的複雜度。


【發明內容】

[0003]為了解決以上問題，本發明提出了一種基於塊內插值的多解析度體繪製方法。
[0004]本發明的技術方案是:一種基於塊內插值的多解析度體繪製方法，包括以下步驟:
[0005]S1.依據選取的塊大小將數據體劃分為多個大小相等的分塊；
[0006]S2.對步驟SI中得到的每一個分塊選擇合適的分塊細節水平，具體包括以下步驟:
[0007]S21.將步驟SI中得到的每一個分塊進一步細分為多個子塊；
[0008]S22.計算步驟S21中每個子塊中所有數據點的均值，表示為:

【權利要求】
1.一種基於塊內插值的多解析度體繪製方法，其特徵在於，包括以下步驟: S1.依據選取的塊大小將數據體劃分為多個大小相等的分塊； S2.對步驟SI中得到的每一個分塊選擇合適的分塊細節水平，具體包括以下步驟: S21.將步驟SI中得到的每一個分塊進一步細分為多個子塊； S22.計算步驟S21中每個子塊中所有數據點的均值，表示為:
其中，BVgi表示第i個子塊的均值，Sj為當前子塊內第j個點的標量值，Ifflax為當前算法中所能使用的最高分塊細節水平，I表示當前用於分析的細節水平； S23.根據步驟S22中得到的每個子塊中所有數據點的均值，計算每個子塊的均方差，表示為:
其中，Bi表示當前分塊中第i個子塊的均方差； S24.對當前分塊的所有子塊進行綜合分析，計算在當前分塊細節水平之下當前分塊的平均均方差，表示為:
其中，V1表示在當前細節水平下當前分塊的平均均方差，Smax表示當前分塊數據的最大值，Smin表示當前分塊數據的最小值； S25.定義滿足Is廠avgi I >Bi的所有點為奇異點，計算在當前分塊細節水平下每個子塊內奇異點所佔比例，並找出所有的奇異子塊，計算奇異子塊在當前分塊內所佔比例T1 ； S26.建立均方差和奇異子塊比例列表，引入用戶設定的門限值，計算當前分塊的最終解析度級別，表示為:
Ζ = {Ξ/|^<7:(}η{3/|7；<7；}
Im = min(L), 其中，Tu表示用戶設定的均方差門限，Ts表示用戶設定的奇異子塊比例門限，L表示所有滿足門限的分塊細節水平，Im表示當前分塊最終使用的分塊細節水平； S3.創建二級索引，將分塊數據整合為空間矩形，具體包括以下步驟: S31.對原始數據體組織進行處理，形成元祖體； S32.將所有低級分塊組合為最高級分塊，計算最高級分塊的累計個數； S33.根據步驟S32中的最高級分塊累計個數計算空間矩形大小； S34.根據步驟S33中的空間矩形大小，申請打包數據所需空間，並利用分級坐標方法，形成打包數據； S4.根據步驟S3中的空間矩形，在GPU片元上利用光線投射法進行體繪製，具體包括以下步驟:S41.按照採樣間隔At對元祖體數據進行採樣，並用該採樣點處的光強度以及光衰減係數表徵數據體中對應段的光強度和光衰減係數，則光學深度表示為:
其中，表示光線從O位置傳遞到t位置的累計衰減程度，k(i.At)表示光衰減程度，I表不米樣點序號；S42.根據元祖體與打包數據的映射關係，計算採樣點位置的顏色值Ci與不透明度Ai,表示為:
Ai = 1-θ^α,Δ?)Δ?
Ci = c (i.Δ t) Δ t ；S43.將所有點發出的光線進行融合，並在GPU片元著色器上利用塊內邊界插值方法得到繪製結果，表不為:
2.如權利要求1所述的基於塊內插值的多解析度體繪製方法，其特徵在於:所述步驟S32中計算最高級分塊的累計個數的公式具體為:
其中，N1表示將所有級別低於I的分塊進行組合之後級別I的累積分塊個數，L1則代表將I級及以下的所有分塊全部進行組合之後I級別還剩餘的分塊個數。
3.如權利要求1所述的基於塊內插值的多解析度體繪製方法，其特徵在於:所述步驟S33根據最高級分塊累計個數計算空間矩形大小具體包括以下步驟: S331.設定空間矩形三個方向的邊長分別為x、y、z，並將其初始值均設為I; S332.判斷當前空間矩形是否已經滿足空間要求； S333.若滿足，則得到計算結果； S334.若不滿足，則找到三條邊長中的最小值，將其增加1，重複步驟S332。
4.如權利要求1所述的基於塊內插值的多解析度體繪製方法，其特徵在於:所述步驟S34根據空間矩形大小，申請打包數據所需空間，並利用分級坐標方法，形成打包數據具體包括以下步驟: S341.初始化分級坐標，將其所有級別均設置為O; S5342.從當前的解析度級別列表中的最高級別中取出一個分塊，若最高級別列表為空，則從次聞級別列表中獲取；S343.根據當前的分級坐標計算該分塊存放的起始點位置； S344.將該分塊寫入步驟S343中得到的對應位置； S345.將分級坐標中對應級別的值增加一，並進行進位檢查； S346.判斷解析度級別列表是否為空； S347.若為空，則操作結束； S348.若不為空，則繼續步驟S342。
5.如權利要求4所述的基於塊內插值的多解析度體繪製方法，其特徵在於:所述步驟S343根據當前的分級坐標計算該分塊存放的起始點位置具體包括以下步驟: S3431.根據分級坐標中的最高級別坐標Flmax,計算當前分塊應放置的大塊位置ORG，計算公式表示為:
ORGz = Flfflax/(x.y).2lmax
ORGy = (Flmax% (x.y))/x.2lmax ；
ORGx = (Flmax% (x.y))% xi2lmax S3432.取出Γ級坐標F1,，其中Γ比步驟S3431中分塊級別低一級； S3433.若步驟S3431中分塊級別為O級，則操作結束； S3434.若步驟S3431中分塊級別不為O級，則計算當前分塊的起始點坐標，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.如權利要求1所述的基於塊內插值的多解析度體繪製方法，其特徵在於:所述步驟S42中元祖體與打包數據的映射關係的確定方法具體包括以下步驟: S421.確定採樣點所在分塊位置，並計算該分塊的起始點位置； S422.根據分塊原始點位置與採樣點位置，計算當前採樣點的塊內偏移； S423.根據當前分塊在打包數據中的起始點位置及經過轉換後的塊內偏移，得到該點在打包數據中的實際位置。
7.如權利要求1所述的基於塊內插值的多解析度體繪製方法，其特徵在於:所述步驟S43中塊內邊界插值方法具體包括以下步驟: S431.根據當前採樣點的紋理坐標計算其塊內相對坐標； S432.根據相對坐標判斷其是否屬於邊界區域； S433.若採樣點不屬於邊界區域，則直接取出其紋理值； S434.若採樣點屬於邊界區域，則根據塊內已知點的值估算該採樣點的紋理值，具體包括以下步驟: S4341.設點A屬於邊界區域，記為V(A)； S4342.將點A沿Y方向分別平移相同距離，得到點B和點C，使點B處於邊界上，點C處於邊界內，分別記為V(B)和V (C)； S4343.根據點B和點C的值，計算得到點A的值，表示為:
V (A) = 2ν ⑶-V (c)。
【文檔編號】G06T15/08GK104200511SQ201410427177
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】魯才, 曹琛, 胡光岷 申請人:電子科技大學