[发明专利]基于图形处理器的实时三维图像的光照模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像数据处理，具体地说，涉及一种基于图形处理器的实时三维图像的光照模拟方法。

背景技术

三维可视化的主要目的是将医学影像设备得到的一系列的二维切片(这一系列的二维切片构成体积图像数据)，使用计算机图形学的技术，构造出一个器官的三维模型，并且非常逼真的显示给观看者，使观看者能够直观地观察体积图像数据(即三维图像数据)。

为了使屏幕上显示的图像能够模拟出自然界的光照效果，在三维图像的重建过程中，应当构建光照模型，对体积图像数据各数据点进行光照量的计算，并将光照量混合入数据点的数据值，从而使最后在屏幕上显示的图像具有光照效果。

但是目前的光照模型大多是设置在中央处理器(CPU)中的功能固定光照模型，其计算量很少，但只对非常有限的一些材质(如橡胶)工作得很好，而对一些复杂的组织(如胎儿、心脏等)则显得不够真实，最后在屏幕上显示的图像不能够较逼真地模拟出自然界的光照效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于图形处理器的实时三维图像的光照模拟方法，采用这种光照模拟方法能够使屏幕上显示的图像较逼真地模拟出自然界的光照效果。采用的技术方案如下：

一种基于图形处理器的实时三维图像的光照模拟方法，其特征在于依次包括下述步骤：

(1)将三维图像数据中待处理的纹理保存进图形处理器中；

待处理的纹理经由中央处理器(CPU)通过OpenGL接口(OpenGL接口是一种三维图形接口)传送到图形处理器(GPU)中；通常图形处理器的可编程顶点处理器接收到纹理后，将纹理传递给可编程片段处理器。

(2)图形处理器根据设置在图形处理器中的光照模型，对纹理数据点进行光照量的计算；

优选通过图形处理器(GPU)的可编程处理器(通常为可编程片段处理器)，用CG(C for graphics)显卡编程语言表达光照模型；用CG语言表达的光照模型如下：

surfaceColor＝emissive+ambient+diffuse+specular；

其中surfaceColor表示光照量，光照量surfaceColor是放射光分量emissive、环境光分量ambient、漫反射光分量diffuse和镜面反射光分量specular等光照分量之和；各分量具体描述如下：

1)放射光分量emissive表示了由物体表面所发出的光，它的作用是独立于所有光源的，是一种在计算完其它所有光照分量后添加的颜色，它与其它分量没有联系，用K_e表示，即emissive＝K_e；

2)环境光分量ambient代表了入射光在一个场景里经过多次折射后、看起来像是来自四面八方一样的光，并不依赖于光源的位置，只依赖于物体材质的反射能力与照射在物体上的环境光的颜色，表示为ambient＝K_a*globalAmbient，其中K_a为环境光分量的系数，globalAmbient为入射环境光的颜色；

3)漫反射光分量di ffuse代表从一个表面相等地向所有方向反射出去的方向光，通常物体表面微观尺寸上是非常粗糙的，当入射光线到达物体表面时，光线会向各个方向反射，表示为diffuse＝K_d*lightColor*max(N·L，O)，其中K_d是物体的漫反射颜色，lightColor是入射漫反射光的颜色，N是规范化的表面法向量(通常情况下我们并不能直接获得每个顶点的表面法向量，这时需要用纹理数据点的表面法向量来代替)，L是规范化的指向光源的向量；

4)镜面反射光分量specular代表了从一个表面主要的反射方向附近被反射的光，它非常依赖于观察者的位置，不仅受光源和物体的反射颜色性质的影响，也受物体表面的光泽度的影响，表示为

specular＝K_s*l ightColor*facing*(max(N·H)，O)^shininess，

其中K_s是物体材质的镜面反射颜色，lightColor是入射镜面反射光的颜色，N是规范化的表面法向量，H是视点向量与光源向量的点积，shininess表示物体的光泽度；