[發明專利]用于借助光線投影有效地編輯三維體積的方法和裝置

無效

• 申請號: 201210179825.5
• 申請日: 2012-06-01
• 公開（公告）號: CN102855656A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: K.恩格爾
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: G06T15/08
• 分類號: G06T15/08
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 謝強

技術領域

本發明涉及用于借助光線投影（Ray?Casting）有效地改變三維體積的一種方法和一種裝置。

背景技術

本發明屬于體繪制（Volume?Rendering）、即三維身體或對象的描繪（Darstellung）或可視化的領域。三維對象的建模、重建或可視化在醫學（例如CT、PET、MR、超聲波）、物理（例如大分子的電子結構）或地理（地層的特性和位置）領域中具有廣泛應用范圍。典型地，借助電磁波或聲波照射待檢查的對象，以檢查其特性。探測散射的射線并且從探測的值中確定身體的特征。通常地，結果是物理參數（例如密度、組織成分的分量、彈性、速度），對于身體確定該參數的值。在此，通常使用虛擬的柵格，在其柵格點上確定參數的值。這些柵格點或在這些位置上的參數的值通常表示為體素。通常將這些體素以所謂的灰度值的形式呈現。

借助體繪制，在二維顯示面（例如監視器）上從體素中產生檢查的對象或身體的三維描繪。在此，從體素中產生所謂的像素（通常具有從體素中通過插值獲得的對象點的中間級），從像素中合成二維圖像顯示的圖像。為了在二維顯示器上可視化三維，通常進行所謂的阿爾法合成（Alpha-Compositing）或者阿爾法分解（Alpha-Zerlegung）。在這些標準方法中，體素或從體素形成的體積點被賦予顏色以及透明度值，更精確來說是用于不透明度的值或阻光度（通常用英語Opacity表示，其表示身體的不同層的透明性或遮蓋力（Deckkraft））。更具體地，一個對象點通常對應于以對顏色分量紅、綠和藍編碼的（所謂的RGB值）三元組形式的三個顏色、和對不透明性進行參數化的所謂的阿爾法值。這些參數綜合形成顏色值RGBA，其與其它的對象點的顏色值（通常借助所謂的阿爾法混合（Alpha?Blending）為了可視化部分透明的對象）組合或混合為用于像素的顏色值。

為了賦予合適的顏色值，通常利用照明模型工作。該照明模型在為了可視化而對對象建模的或模擬的照明情況下考慮燈光效果（通常是對象的表面上的燈光的反射；在此可以是檢查的對象的外表面或內部層的表面）。

文獻中有一系列被應用的照明模型。常用的例如有Phong模型或Blinn-Phong模型。

用于體繪制的最常用的方法中的一種是所謂的Ray-Casting（光線投影）或者說模擬用于描繪或可視化身體的光照。在Ray-Casting中，將從虛擬觀察者的眼睛出發的虛擬光線，發送通過檢查的身體或檢查的對象。沿著光線，從體素確定對于采樣點（Abtastpunkt）的RGBA值，并且借助阿爾法合成或阿爾法混合合成為用于二維圖像的像素。在此，通常借助上面提到的照明模型中的一個在稱為“陰影法（Shading）”的方法的范圍內考慮照明效果。

為了更好研究利用體繪制描繪的對象的特征，通常需要合適地調整對象的描繪。具體來說，可以修改或影響在顯示器上顯示的對象的描繪，例如通過對對象的部分著色、去除或放大。對于這樣的操作在英語的專業文獻中還使用體編輯和分割的概念。體編輯涉及諸如裁剪（Clipping）、裁切（Cropping）和沖孔（Punching）的干預。分割允許對對象結構、例如顯示的身體部位的解剖結構進行分類。在分割過程中例如對對象組成部分著色或去除。直接體編輯（Direct?Volume?Editing）的概念涉及借助于諸如筆刷（brushes）、鑿（chisels）、鉆（drills）或刀（knifes）等虛擬工具交互編輯或影響對象描繪。例如用戶可以借助于鼠標或其它觸覺或按其它工作原理的輸入裝置通過著色或切除對象部分來交互地修改在監視器上顯示的對象的圖像。

在這樣處理所顯示的對象時，修改對象圖像的所計算的像素經常是不夠的，而是必須進行像素的重新計算。即，在諸多這樣的操作（著色、裁剪，…）中必須在每個修改的情況下重新進行體繪制。然后對對于體繪制所使用的體數據進行該操作。為此的一種方法由Bürger等人在[1]中提出。該方法使得可以通過直接編輯復制的體積來操作描繪。

存在對借助光線投影來操作對象的描繪的靈活的低開銷的方法的需求，其中，與公知的方法相比應該主要降低存儲、計算和帶寬要求。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，允許借助光線投影來有效地修改三維體積（對象）的描繪。