材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法、系统、存储介质和程序技术方案

本发明专利技术涉及材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法，包括如下步骤：S1：为组成三维牙颌模型的子结构制定对应的材质属性，并为每个子结构的若干状态分别制定对应的材质参数；S2：根据直接光源参数与制定的材质属性与材质参数计算三维牙颌模型的直接光照结果；S3：根据环境光数据与制定的材质属性与材质参数计算三维牙颌模型的间接光照结果；S4：综合三维牙颌模型的直接光照结果与间接光照结果计算最终渲染的结果。本发明专利技术的材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法和系统能够根据用户为三维牙颌子结构制定的材质信息，驱动三维牙颌模型实时渲染出多材质的效果，能够根据软件使用场景简便地为三维牙颌模型调试出多材质的渲染效果。便地为三维牙颌模型调试出多材质的渲染效果。便地为三维牙颌模型调试出多材质的渲染效果。

【技术实现步骤摘要】
材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法、系统、存储介质和程序


[0001]本专利技术涉及数字口腔与图形渲染领域，尤其涉及材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法、系统、存储介质和程序。

技术介绍

[0002]近年来，随着数字化口腔医学技术的发展，虚拟正畸排牙已经成为临床治疗过程中常用的辅助手段。制定矫治方案的专业软件能够根据口扫结果对患者的牙列进行三维分析，帮助技师进行虚拟正畸排牙，以进行正畸治疗方案的设计和实施。同时，由于正畸治疗周期较长，医生可通过软件使用直观的三维模型与患者交流，更加简便地在术前向患者展示预期的治疗效果，辅助患者进行治疗决策。牙齿正畸治疗方案的三维模型，大多使用基于经验的冯氏光照模型(Phong Lighting Model,，Phong)或者基于物理的渲染方法(Physically Based Rendering，PBR)进行实时渲染方法。与Phong光照模型对应的材质体系包括ambient，diffuse，specular，shininess等参数；而与PBR光照模型对应的材质体系包括albedo，metallic，roughness，ior等参数。光照模型、材质参数以及可编程着色器代码实现的差异，均会影响三维牙颌最终的渲染效果。现有三维牙颌模型一般整体使用单一的光照模型与单一的材质，渲染效果往往过于单一，因此需要提供一种材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法及系统，能够根据软件使用场景简便地为三维牙颌模型调试出多材质的渲染效果。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是设计一种能够根据软件使用场景简便地为三维牙颌模型调试出多材质渲染效果的三维牙颌模型实时渲染方法，解决现有的技术问题。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术的材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法包括如下步骤：
[0005]步骤S1：能够帮助艺术家根据软件使用场景简便地为三维牙颌模型调试出多材质的渲染效果，为组成三维牙颌模型的子结构(包括牙齿和牙龈)制定对应的材质属性，材质属性可以唯一标识一种材质，并为每个子结构的若干状态(如牙齿分为正常牙与假牙)分别制定对应的材质参数，根据材质参数创建材质实例，不同的材质实例可绑定同一材质；
[0006]步骤S2：根据直接光源参数与制定的材质属性与材质参数计算三维牙颌模型的直接光照结果I
direct
(这里只计算反射部分)，具体包括如下步骤：
[0007]步骤S21：根据制定的材质属性与材质参数，结合三维牙颌模型的顶点数据，以当前顶点为反射点，分别计算每个光源的漫反射光照；
[0008]步骤S22：以当前顶点为反射点，分别计算每个光源的镜面反射光照；
[0009]步骤S23：综合漫反射光照部分与镜面反射光照部分，计算直接光照的最终结果I
direct
；
[0010]步骤S3：根据环境光数据与制定的材质属性与材质参数计算三维牙颌的间接光照结果I
indirect
；
[0011]步骤S4：综合三维牙颌模型的直接光照结果I
direct
与间接光照结果I
indirect
计算最终渲染的结果I，其计算公式为：I＝I
direct
*α+I
indirect
*(1
‑
α)，其中，α为可调节因子，用来调整直接光照与间接光照强度。
[0012]进一步的，步骤S1包括如下步骤：
[0013]步骤S11：根据材质属性创建材质，并绑定对应的光照模型，结构如下：
[0014]材质属性＝[光照模型类型，顶点数据格式，纹理贴图，
…
，子类型]，其中，光照模型类型决定绑定该材质的实体渲染所使用的光照模型，子类型用来区分三维牙颌的不同组成部分，如Tooth为牙齿，Gum为牙龈；
[0015]步骤S12：根据绑定的光照模型制定对应的材质参数，具体如下：
[0016]Phong光照模型：材质参数＝[M
ambient
，M
diffuse
，M
specular
，M
shininess
]，其中，M
ambient
：描述材质对环境光照的反射能力；M
diffuse
：描述材质对漫反射光照的反射能力；M
specular
：描述材质对镜面光照的反射能力；M
shininess
：描述材质的反光度；
[0017]PBR光照模型：材质参数＝[M
albedo
，M
roughness
，M
metallic
，M
ior
]，其中，M
albedo
：描述材质非金属部分的漫反射颜色与材质金属部分的高光颜色的集合；M
roughness
：描述材质因其表面细微的结构细节所导致的反光强弱程度；M
metallic
：描述材质的金属属性；M
ior
：描述材质的折射率。
[0018]进一步的，步骤S2中，Phong光照模型计算三维牙颌模型的直接光照结果I
direct
包括：
[0019]a、根据入射光方向进行漫反射光照的亮度计算，其计算公式为：其中，L
diffuse
为光源漫反射强度，m为光源编号，为反射点指向光源的向量，为反射点处法向量；
[0020]b、根据入射光与观察方向进行镜面反射光照的亮度计算，其计算公式为：其中，L
specular
为光源漫反射强度，为反射点处光源的镜面反射方向，为反射点指向观察者的向量；
[0021]c、直接光照结果I
direct
的计算公式为：
[0022]进一步的，步骤S2中，PBR光照模型计算三维牙颌模型的直接光照结果I
direct
包括：
[0023]a、使用渲染反射方程，先计算BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数)的漫反射部分，其计算公式为：其中，c为反射点漫反射颜色，其计算公式为：c=(1
‑
M
metallic
)*M
albedo
；
[0024]b、先计算BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数)的镜面反射部分，其计算公式为：其中，D为法
线分布函数，与粗糙度相关；F为菲涅尔效应，与金属度相关；G为可见性函数，与粗糙度相关，其计算公式分别为：其中，为光源方向与观察向量半程向量；其中，F0为平面的基础反射率，为平面的基础反射率，其中，k为M
roughness
的重映射，
[0025]c、直接光照结果I...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1：输入三维牙颌模型数据，为组成三维牙颌模型的子结构制定对应的材质属性，并为每个子结构的若干状态分别制定对应的材质参数；步骤S2：根据直接光源参数与制定的材质属性与材质参数计算三维牙颌模型的直接光照结果I
direct
，具体包括如下步骤：步骤S21：根据制定的材质属性与材质参数，结合三维牙颌模型的顶点数据，以当前顶点为反射点，分别计算每个光源的漫反射光照；步骤S22：以当前顶点为反射点，分别计算每个光源的镜面反射光照；步骤S23：综合漫反射光照部分与镜面反射光照部分，计算直接光照的最终结果I
direct
；步骤S3：根据环境光数据与制定的材质属性与材质参数计算三维牙颌的间接光照结果I
indirect
；步骤S4：综合三维牙颌模型的直接光照结果I
direct
与间接光照结果I
indirect
计算最终渲染的结果I，其计算公式为：I＝I
direct
*α+I
indirect
*(1
‑
α)，其中，α为可调节因子，用来调整直接光照与间接光照强度。2.根据权利要求1所述的材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法，其特征在于：步骤S1包括如下步骤：步骤S11：根据材质属性创建材质，并绑定对应的光照模型，结构如下：材质属性＝[光照模型类型，顶点数据格式，纹理贴图，
…
，子类型]，其中，光照模型类型决定绑定该材质的实体渲染所使用的光照模型，子类型用来区分三维牙颌的不同组成部分，如Tooth为牙齿，Gum为牙龈；步骤S12：根据绑定的光照模型制定对应的材质参数，具体如下：Phong光照模型：材质参数＝[M
ambient
，M
diffuse
，M
specular
，M
shininess
]，其中，M
ambient
：描述材质对环境光照的反射能力；M
diffuse
：描述材质对漫反射光照的反射能力；M
specular
：描述材质对镜面光照的反射能力；M
shininess
：描述材质的反光度；PBR光照模型：材质参数＝[M
albedo
，M
roughness
，M
metallic
，M
ior
]，其中，M
albedo
：描述材质非金属部分的漫反射颜色与材质金属部分的高光颜色的集合；M
roughness
：描述材质因其表面细微的结构细节所导致的反光强弱程度；M
metallic
：描述材质的金属属性；M
ior
：描述材质的折射率。3.根据权利要求2所述的材质驱动的三维牙颌模型实时渲染方法，其特征在于：步骤S2中，Phong光照模型计算三维牙颌模型的直接光照结果I
direct
包括：a、根据入射光方向进行漫反射光照的亮度计算，其计算公式为：其中，L
diffuse
为光源漫反射强度，m为光源编号，为反射点指向光源的向量，为反射点处法向量；b、根据入射光与观察方向进行镜面反射光照的亮度计算，其计算公式为：其中，L
specular

【专利技术属性】
技术研发人员：陈谭颖，李涛，胡知斌，朱余静，
申请(专利权)人：可丽尔医疗科技常州有限公司，
类型：发明
国别省市：