用于使三维对象可视化的方法、可视化装置和计算机程序产品制造方法及图纸

通过多个被模拟的可见射线（R1,…,R6）来使不均匀的三维对象（OBJ）的内部体积可视化。在此，针对相应的进入到所述对象体积（OV）中的可见射线（R1,…,R6），i) 沿着所述可见射线（R1,…,R6）来确定散射位置，ii) 根据随机过程来选择散射方向并且iii) 使所述可见射线（R1,…,R6）在所述散射位置朝所选择的散射方向散射。重复步骤i)至iii)，直至所述可见射线（R1,…,R6）在所述对象体积（OV）内被吸收，或者从所述对象体积（OV）射出，其中所射出的可见射线碰到照明源（LP1,…,LP3、LS1、LS2），并且根据所述照明源（LP1,…,LP3、LS1、LS2）的亮度值和/或色值来确定所述可见射线（R1,…,R6）对相应的可视化像素的照明贡献。关于所述多个可见射线（R1,…,R6）的相应的照明贡献在统计学上求平均，以便确定所述相应的可视化像素的亮度值和/或色值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使三维对象可视化的方法、可视化装置和计算机程序产品
本专利技术涉及体绘制（VolumeRendering）的、也就是说通过图像合成使不均匀的（inhomogen）三维对象可视化的
这样的对象尤其可以是真实的物体或者虚拟地建模的对象。对三维对象的可视化具有多个应用领域，尤其是在医学方面、在地球物理学方面、在材料研究方面、在虚拟现实领域和/或在计算机游戏方面。
技术介绍
在体绘制的情况下，也使内部体积可视化、也就是说不仅仅使不均匀的对象的表面可视化，使得也可以以切合实际的方式再现透明效果和/或内部结构。在这种情况下，三维对象由体积数据以三维分辨率来表示。所述体绘制的一种公知的方法是所谓的光线投射（Ray-Casting），在所述光线投射的情况下，在下文称作可见射线（Sehstrahl）的虚构射线的走向被模拟，所述虚构射线从虚构的观察者的眼睛或者虚构的探测器出发并且穿过要进行可视化的对象。沿着所述可见射线，针对在所述对象之内的点的照明值被确定。最后，根据针对所述可见射线确定的照明值来组合经可视化的二维图像。实际的可视化需要尽可能全面地考虑全局照明的效果，诸如环境遮蔽、阴影、透光性、所谓的色彩融合（ColorBleeding）、表面描阴、复杂的相机效果和/或由于任意的环境光照条件引起的照明。在这种情况下，环境遮蔽常常也被称作环境光遮蔽（AmbientOcclusion）。尤其是在体绘制的情况下，这样的照明效果非常有助于深度感知和形状感知并且借此有助于更好的图像理解。公知的体绘制系统虽然常常考虑局部照明效果。但是不能将所有的全局照明效果以切合实际的方式包括在内。根据出版物"ExposureRender:AnInteractivePhoto-RealisticVolumeRenderingFramework"，托马斯·克勒斯（ThomasKroes）等人，PLoSONE，第7卷，第7期，2012年7月，公知一种体绘制方法，所述体绘制方法使用蒙特-卡罗模拟（Monte-Carlo-Simulation）连同所谓的Woodcock跟踪（Woodcock-Tracking）来跟踪可见射线。然而，为了计算实际的描阴效果，除了相应的可见射线之外还要跟踪在对象体积之内的其它射线，这造成了很大的计算花费。此外，还需要所谓的重要性抽样（ImportanceSampling），这影响了蒙特-卡罗方法的统计特性。
技术实现思路
本专利技术的任务是说明用于使三维对象可视化的一种方法、一种可视化装置以及一种计算机程序产品，所述三维对象允许高效地将全局照明效果包括在内。该任务通过具有专利权利要求1的特征的方法、通过具有专利权利要求14的特征的可视化装置以及通过具有专利权利要求15的特征的计算机程序产品来解决。为了使通过体积数据来表示的、不均匀的三维对象可视化，针对相应的可视化像素模拟多个被分配给该可视化像素的可见射线。在这种情况下，所述体积数据说明待投影的对象在对象体积中的密度。在此，该密度尤其可以是物理密度、光密度、折射率和/或亮度值、色值、透明度值和/或阻光度值，并且以标量、矢量或张量的形式存在。可视化像素尤其可以虚拟地被布置在投影平面或者弯曲的投影面上。按照本专利技术，针对相应的进入到对象体积中的可见射线，i)根据沿着所述可见射线的密度确定散射位置，ii)根据随机过程选择散射方向，以及iii)使所述可见射线在散射位置朝所选择的散射方向进行散射。在这种情况下，所述随机过程例如可以基于伪随机数生成器或者准随机数生成器。重复步骤i)至iii)，直至所述可见射线在对象体积中被吸收或者从所述对象体积射出，其中所射出的可见射线碰到照明源，并且根据所述照明源的亮度值和/或色值来确定所述可见射线对相应的可视化像素的照明贡献。关于多个可见射线的相应的照明贡献在统计学上求平均，以便确定所分配的可视化像素的亮度值和/或色值。本专利技术允许以高效的方式考虑复杂的全局照明效果。由于可见射线朝随机被选择的散射方向散射直至吸收或者碰到照明源，可以避免可见射线或者照明射线的要花费大地计算的级联分岔（kaskadierteVerzweigung），而且仍然可以考虑在对象体积之内的复杂的光路。本专利技术的有利的实施方式和改进方案在从属权利要求中予以说明。根据本专利技术的一有利的实施方式，一个包围所述对象体积的环境图像可以被设置为照明源。在此，可以确定所射出的可见射线碰到所述环境图像的碰撞点并且根据在所述环境图像的碰撞点上的亮度值和/或色值来确定所述可见射线的照明贡献。这种环境图像常常也被称作光探头（LightProbe）或者光照图（LightMap）。只要这种环境图像完全或者部分地包围所述对象体积，至少对于很大份额的射出的可见射线来说就可以指望它们碰到所述环境图像的图像点并且这样得到照明贡献。以这种方式可以避免大份额的可见射线在一定程度上被浪费、也就是说被跟踪却没有提供照明贡献。借助于这样的环境图像，可以使对象如此地可视化，好像该对象处在由环境图像所投影的环境中并且以切合实际的方式受到由所述环境感应的照明。按照本专利技术的一改进方案，多个包围所述对象体积的环境图像可以被设置为照明源。在这种情况下，可以给可见射线分配一种散射类型并且根据所射出的可见射线的散射类型来选择所述环境图像中的至少一个。接着，所述可见射线的照明贡献可以特定地依据所述至少一个被选择的环境图像来确定。该散射类型尤其可以是反射或透射。同时，还可以针对未散射的可见射线设置散射类型“未散射”。反射的散射类型优选地根据在表面上的最多轻微的漫反射（diffuseSpiegelung）而可以被归入强烈地各向异性的散射，而透射的散射类型可以被归入具有与此相对地更低的各向异性的散射。优选地，在反射的散射类型的情况下，可以选择最多轻微地模糊的环境图像，而在透射的散射类型的情况下，可以选择与此相对地非常模糊的环境图像。尤其是，根据所述环境图像中的第一环境图像，可以通过对于散射类型特定的滤波来产生所述环境图像中的第二环境图像。这样，可以在未散射的可见射线的情况下选择未经滤波的第一环境图像，在反射的散射类型的情况下选择据此借助于模糊滤波器轻微地变得模糊的第二环境图像，以及在透射的散射类型的情况下选择与此相对地非常模糊或者漫反射的环境图像。以这种方式可以有效地通过相对应地被滤波的环境图像来模拟或者实现散射的特定的特性、如尤其是所述散射的各向异性。按照本专利技术的一有利的改进方案，可见射线的照明贡献可以根据未散射地从照明源延伸到散射位置的照明射线的亮度值和/或色值来调整。这允许在避免花费大的射线跟踪的情况下有效地考虑照明源的特定的照明影响（Lichteinfluss）。根据本专利技术的另一改进方案，至少一个、优选地平面的光源可以被设置为照明源。在这种情况下，有利地，在这种情况下，对散射方向的选择可以限于朝所述至少一个光源的方向的散射方向。因为常常不能指望朝随机方向从对象体积射出的可见射线碰到光源，所以可以通过限制可能的散射方向来减小在一定程度上被浪费的可见射线的份额。尤其是可以规定，利用预先给定的概率来限制散射方向，而且如果不进行所述限制，那么漫反射的照明贡献加入到所射出的可见射线的照明贡献中。根据本专利技术的一实施方式，所述可见射线的照明贡献可本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于使通过体积数据来表示的、不均匀的三维对象（OBJ）可视化的方法，其中a) 所述体积数据说明了待投影的对象（OBJ）在对象体积（OV）中的密度，b) 针对相应的可视化像素，模拟多个被分配给所述可视化像素的可见射线（R1,…,R6），其中针对相应的进入到所述对象体积（OV）中的可见射线（R1,…,R6），i) 根据沿着所述可见射线（R1,…,R6）的密度来确定散射位置，ii) 根据随机过程来选择散射方向，iii) 所述可见射线（R1,…,R6）在所述散射位置朝所选择的散射方向散射，而且iv) 重复步骤i)至iii)，直至所述可见射线（R1,…,R6）在所述对象体积（OV）内被吸收，或者从所述对象体积（OV）射出，其中所射出的可见射线碰到照明源（LP1,…,LP3、LS1、LS2），并且根据所述照明源（LP1,…,LP3、LS1、LS2）的亮度值和/或色值来确定所述可见射线（R1,…,R6）对相应的可视化像素的照明贡献，而且c) 关于所述多个可见射线（R1,…,R6）的相应的照明贡献在统计学上求平均，以便确定所分配的可视化像素的亮度值和/或色值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于使通过体积数据来表示的、不均匀的三维对象（OBJ）可视化的方法，其中a)所述体积数据说明了待投影的对象（OBJ）在对象体积（OV）中的密度，b)针对相应的可视化像素，模拟多个被分配给所述可视化像素的可见射线（R1,…,R6），其中针对相应的进入到所述对象体积（OV）中的可见射线（R1,…,R6），i)根据沿着所述可见射线（R1,…,R6）的密度来确定散射位置，ii)根据随机过程来选择散射方向，iii)所述可见射线（R1,…,R6）在所述散射位置朝所选择的散射方向散射，而且iv)重复步骤i)至iii)，直至所述可见射线（R1,…,R6）在所述对象体积（OV）内被吸收，或者从所述对象体积（OV）射出，其中所射出的可见射线碰到照明源（LP1,…,LP3、LS1、LS2），并且根据所述照明源（LP1,…,LP3、LS1、LS2）的亮度值和/或色值来确定所述可见射线（R1,…,R6）对相应的可视化像素的照明贡献，而且c)关于所述多个可见射线（R1,…,R6）的相应的照明贡献在统计学上求平均，以便确定所分配的可视化像素的亮度值和/或色值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包围所述对象体积（OV）的环境图像（LP1,…,LP3）被设置为照明源，所述射出的可见射线碰到所述环境图像（LP1,…,LP3）的碰撞点被确定，而且所述可见射线（R1,…,R6）的照明贡献根据在所述环境图像（LP1,…,LP3）的碰撞点上的亮度值和/或色值来确定。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，多个包围所述对象体积（OV）的环境图像（LP1,…,LP3）被设置为照明源，给所述可见射线（R1,…,R6）分配一种散射类型，根据所述射出的可见射线的散射类型来选择所述环境图像（LP1,…,LP3）中的至少一个，并且所述可见射线（R1,…,R6）的照明贡献特定地依据所述至少一个被选择的环境图像（LP1,…,LP3）来确定。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，根据所述环境图像中的第一环境图像（LP1），通过对于散射类型特定的滤波来产生所述环境图像中的至少一个第二环境图像（LP2、LP3）。5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述可见射线（R1,…,R6）的照明贡献根据未散射地从照明源（LP1,…,LP3、LS1、L...

【专利技术属性】
技术研发人员：K恩格尔，
申请(专利权)人：西门子保健有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE