表现体素上真实光照的计算全息图生成方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供一种表现体素上真实光照的计算全息图生成方法和装置，该方法包括确定初始化光源的环境光光强、漫反射光光强、镜面反射光光强和光源位置，再读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数，使用反向光线投射算法，基于光源的环境光光强、漫反射光光强、镜面反射光光强和光源位置获取每条相交光线上各个采样点的合成光照后的颜色值和不透明度，最后基于所有相交光线的上的各个采样点的合成光照后的颜色值和不透明度，生成待全息物体的全息图。本发明专利技术实施例提供的方法和装置，实现了在全息图生成中附加环境反射、漫反射和镜面反射光照作用，以增强重建像的真实感。

【技术实现步骤摘要】
表现体素上真实光照的计算全息图生成方法和装置
本专利技术涉及全息图领域，尤其涉及一种表现体素上真实光照的计算全息图生成方法和装置。
技术介绍
近年来，体数据作为能够记录三维空间原始信息的数据，被广泛应用于气象、工业、医疗等多种领域。通过直接体绘制技术，人们可以更好的理解体数据中的各种信息。但是，直接体绘制技术是把三维信息绘制在二维屏幕上观察，随着三维显示技术的发展，现有的二维显示无法满足人们同时感知深度信息的观看需求。全息显示能够真实还原三维场景，提供物理和心理上的双重景深。全息领域的计算全息术，可以记录和再现现实中不存在的物体，尤其是动态物体，发展前景广阔。然而，现有的基于直接体绘制的计算全息显示方法中，对于光照的考虑并不足够。吸收-发射模型是体绘制中常用的物理模型，这一模型把体素看作能够吸收和发射光线的粒子，而没有考虑到外部光源对体素的作用。但是现实中是可以存在多个光源的，通过考虑外部光源对体素的作用，可以表现体数据在真实环境下的明暗效果。本专利技术针对全息图计算中的体素真实感属性缺乏的问题，考虑外部光源的作用，在合成结果中附加环境反射、漫反射和镜面反射等光照作用，以增强重建像的真实感。因此，如何避免现有的计算全息显示技术中没有考虑外部光源的作用而造成生成的全息图中体素真实感属性缺乏的情况，仍然是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种表现体素上真实光照的计算全息图生成方法和装置，用以解决现有的计算全息显示技术中因为没有考虑外部光源的作用而造成生成的全息图中体素真实感属性缺乏的问题。第一方面，本专利技术实施例提供一种表现体素上真实光照的计算全息图生成方法，包括：确定初始化光源的环境光光强、初始化光源的漫反射光光强、初始化光源的镜面反射光光强和初始化光源的光源位置；读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；模拟在全息面上设置的虚拟摄像机向所述体数据形成的模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；对于所述相交光线中的第s条光线，在其行进路线上进行采样并基于所述环境光光强、所述漫反射光光强、所述镜面反射光光强、所述光源位置和第s条光线上任一采样点的位置确定所述任一采样点上的环境光反射光强、漫反射光光强和镜面反射光光强；其中，s＝1，2，3，…，n，n为相交光线的总条数；基于第s条光线上任一采样点的环境光反射光强、漫反射光光强、镜面反射光光强、所述任一采样点的颜色值和所述任一采样点的不透明度，确定所述任一采样点的合成光照后的颜色值和不透明度；基于所述相交光线的n条光线上的各个采样点的合成光照后的颜色值和不透明度，生成待全息物体的全息图。优选地，该方法中，所述模拟在全息面上设置的虚拟摄像机向所述体数据形成的模型投射光线，具体包括:模拟从全息面设置的虚拟摄像机向所述体数据形成的模型投射光线；其中，所述全息面放置于所述模型的正前方，所述光线形成的光线簇的锥角不超过用于在所述全息面进行全息成像的空间光调制器的最大衍射角。优选地，该方法中，所述对于所述相交光线中的第s条光线，在其行进路线上进行采样并基于所述环境光光强、所述漫反射光光强、所述镜面反射光光强、所述光源位置和第s条光线上任一采样点的位置确定所述任一采样点上的环境光反射光强、漫反射光光强和镜面反射光光强；其中，s＝1，2，3，…，n，n为相交光线的总条数，具体包括：对于所述相交光线中的第s条光线，在其行进路线上进行采样，采样起始点为该光线入射击中所述模型的点，采样终止点为该光线射出击中所述模型的点；其中，s＝1，2，3，…，n，n为相交光线的总条数；基于第s条光线上任一采样点的位置和所述光源位置，确定所述任一采样点指向光源的单位向量，基于所述任一采样点的位置和所述虚拟摄像机的位置，确定所述任一采样点指向视点的单位向量；基于所述任一采样点的三维坐标和灰度值、所述任一采样点周围相邻六体素的三维坐标和灰度值，确定所述任一采样点的单位法向量；基于所述任一采样点指向光源的单位向量和所述任一采样点指向视点的单位向量，确定所述任一采样点的半角向量；基于所述环境光光强，确定所述任一采样点上的环境光反射光强；基于所述漫反射光强、所述任一采样点的单位法向量和所述任一采样点指向光源的单位向量，确定所述任一采样点上的漫反射光光强；基于所述镜面反射光光强、所述任一采样点的单位法向量和所述任一采样点的半角向量，确定所述任一采样点上的镜面反射光光强。优选地，该方法中，所述基于第s条光线上任一采样点的位置和所述光源位置，确定所述任一采样点指向光源的单位向量，基于所述任一采样点的位置和所述虚拟摄像机的位置，确定所述任一采样点指向视点的单位向量；基于所述任一采样点的三维坐标和灰度值、所述任一采样点周围相邻六体素的三维坐标和灰度值，确定所述任一采样点的单位法向量，具体包括：通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点指向光源的单位向量其中，(xs,ys,zs)为所述光源的三维坐标，为第s条光线上第i个采样点的三维坐标，i＝1,2,3,…,Ns，Ns为第s条光线上采样点的总数；通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点指向视点的单位向量其中，(xc,yc,zc)为所述虚拟摄像机的三维坐标，为第s条光线上第i个采样点的三维坐标，i＝1,2,3,…,Ns，Ns为第s条光线上采样点的总数；通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点的单位法向量其中，Δs为预设微小偏移量，第s条光线上第i个采样点的三维坐标对应的体素的函数值为表示三维坐标对应的体素的灰度值；对应地，所述基于所述任一采样点指向光源的单位向量和所述任一采样点指向视点的单位向量，确定所述任一采样点的半角向量，具体包括：通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点的半角向量其中，为第s条光线上的第i个采样点指向光源的单位向量，为第s条光线上的第i个采样点指向视点的单位向量；所述基于所述环境光光强，确定所述任一采样点上的环境光反射光强，基于所述漫反射光强、所述任一采样点的单位法向量和所述任一采样点指向光源的单位向量，确定所述任一采样点上的漫反射光光强，基于所述镜面反射光光强、所述任一采样点的单位法向量和所述任一采样点的半角向量，确定所述任一采样点上的镜面反射光光强，具体包括：通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点的环境光反射光强其中，ka是环境光反射系数，Ia是光源的环境光光强；通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点的漫反射光光强其中，是第s条光线上的第i个采样点的单位法向量，是第s条光线上的第i个采样点指向光源的单位向量，kd是漫反射系数，Id是光源的漫反射光光强；通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点的镜面反射光光强其中，为第s条光线上的第i个采样点的半本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表现体素上真实光照的计算全息图生成方法，其特征在于，包括：/n确定初始化光源的环境光光强、初始化光源的漫反射光光强、初始化光源的镜面反射光光强和初始化光源的光源位置；/n读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；/n模拟在全息面上设置的虚拟摄像机向所述体数据形成的模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；/n对于所述相交光线中的第s条光线，在其行进路线上进行采样并基于所述环境光光强、所述漫反射光光强、所述镜面反射光光强、所述光源位置和第s条光线上任一采样点的位置确定所述任一采样点上的环境光反射光强、漫反射光光强和镜面反射光光强；其中，s＝1，2，3，…，n，n为相交光线的总条数；/n基于第s条光线上任一采样点的环境光反射光强、漫反射光光强、镜面反射光光强、所述任一采样点的颜色值和所述任一采样点的不透明度，确定所述任一采样点的合成光照后的颜色值和不透明度；/n基于所述相交光线的n条光线上的各个采样点的合成光照后的颜色值和不透明度，生成待全息物体的全息图。/n

【技术特征摘要】
1.一种表现体素上真实光照的计算全息图生成方法，其特征在于，包括：
确定初始化光源的环境光光强、初始化光源的漫反射光光强、初始化光源的镜面反射光光强和初始化光源的光源位置；
读入待全息物体的体数据，设置用于将所述体数据标量值转换为四元量的传递函数；
模拟在全息面上设置的虚拟摄像机向所述体数据形成的模型投射光线，检测出与所述模型相交的光线作为相交光线；
对于所述相交光线中的第s条光线，在其行进路线上进行采样并基于所述环境光光强、所述漫反射光光强、所述镜面反射光光强、所述光源位置和第s条光线上任一采样点的位置确定所述任一采样点上的环境光反射光强、漫反射光光强和镜面反射光光强；其中，s＝1，2，3，…，n，n为相交光线的总条数；
基于第s条光线上任一采样点的环境光反射光强、漫反射光光强、镜面反射光光强、所述任一采样点的颜色值和所述任一采样点的不透明度，确定所述任一采样点的合成光照后的颜色值和不透明度；
基于所述相交光线的n条光线上的各个采样点的合成光照后的颜色值和不透明度，生成待全息物体的全息图。


2.根据权利要求1所述的表现体素上真实光照的计算全息图生成方法，其特征在于，所述模拟在全息面上设置的虚拟摄像机向所述体数据形成的模型投射光线，具体包括:
模拟从全息面设置的虚拟摄像机向所述体数据形成的模型投射光线；
其中，所述全息面放置于所述模型的正前方，所述光线形成的光线簇的锥角不超过用于在所述全息面进行全息成像的空间光调制器的最大衍射角。


3.根据权利要求1所述的表现体素上真实光照的计算全息图生成方法，其特征在于，所述对于所述相交光线中的第s条光线，在其行进路线上进行采样并基于所述环境光光强、所述漫反射光光强、所述镜面反射光光强、所述光源位置和第s条光线上任一采样点的位置确定所述任一采样点上的环境光反射光强、漫反射光光强和镜面反射光光强；其中，s＝1，2，3，…，n，n为相交光线的总条数，具体包括：
对于所述相交光线中的第s条光线，在其行进路线上进行采样，采样起始点为该光线入射击中所述模型的点，采样终止点为该光线射出击中所述模型的点；其中，s＝1，2，3，…，n，n为相交光线的总条数；
基于第s条光线上任一采样点的位置和所述光源位置，确定所述任一采样点指向光源的单位向量，基于所述任一采样点的位置和所述虚拟摄像机的位置，确定所述任一采样点指向视点的单位向量；基于所述任一采样点的三维坐标和灰度值、所述任一采样点周围相邻六体素的三维坐标和灰度值，确定所述任一采样点的单位法向量；
基于所述任一采样点指向光源的单位向量和所述任一采样点指向视点的单位向量，确定所述任一采样点的半角向量；
基于所述环境光光强，确定所述任一采样点上的环境光反射光强；
基于所述漫反射光强、所述任一采样点的单位法向量和所述任一采样点指向光源的单位向量，确定所述任一采样点上的漫反射光光强；
基于所述镜面反射光光强、所述任一采样点的单位法向量和所述任一采样点的半角向量，确定所述任一采样点上的镜面反射光光强。


4.根据权利要求3所述的表现体素上真实光照的计算全息图生成方法，其特征在于，所述基于第s条光线上任一采样点的位置和所述光源位置，确定所述任一采样点指向光源的单位向量，基于所述任一采样点的位置和所述虚拟摄像机的位置，确定所述任一采样点指向视点的单位向量；基于所述任一采样点的三维坐标和灰度值、所述任一采样点周围相邻六体素的三维坐标和灰度值，确定所述任一采样点的单位法向量，具体包括：
通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点指向光源的单位向量



其中，(xs,ys,zs)为所述光源的三维坐标，为第s条光线上第i个采样点的三维坐标，i＝1,2,3,…,Ns，Ns为第s条光线上采样点的总数；
通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点指向视点的单位向量



其中，(xc,yc,zc)为所述虚拟摄像机的三维坐标，为第s条光线上第i个采样点的三维坐标，i＝1,2,3,…,Ns，Ns为第s条光线上采样点的总数；
通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点的单位法向量






其中，Δs为预设微小偏移量，第s条光线上第i个采样点的三维坐标对应的体素的函数值为表示三维坐标对应的体素的灰度值；
对应地，所述基于所述任一采样点指向光源的单位向量和所述任一采样点指向视点的单位向量，确定所述任一采样点的半角向量，具体包括：
通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点的半角向量



其中，为第s条光线上的第i个采样点指向光源的单位向量，为第s条光线上的第i个采样点指向视点的单位向量；
所述基于所述环境光光强，确定所述任一采样点上的环境光反射光强，基于所述漫反射光强、所述任一采样点的单位法向量和所述任一采样点指向光源的单位向量，确定所述任一采样点上的漫反射光光强，基于所述镜面反射光光强、所述任一采样点的单位法向量和所述任一采样点的半角向量，确定所述任一采样点上的镜面反射光光强，具体包括：
通过如下公式确定第s条光线上的第i个采样点的环境光反射光强



其中，ka是环境光反射系数，I...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑新柱，赵昕，李会，彭程，陈铎，李远航，颜玢玢，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11