一種基于Unity 3D的三維體表面重構與渲染方法
【專利摘要】本專利提出了一種基于Unity 3D的三維體表面重構與渲染新方法，專利成果可適用于3D打印。本方法專利的技術主要步驟如下：(1)目標物體三維圖像采集和處理，本專利采用切片斷層掃描，然后利用拉普拉斯算子得到目標物體曲面邊緣數(shù)據(jù)；(2)三維目標物體表面數(shù)據(jù)重構,通過線性插值方法計算等值點的位置，通過中心差分方法計算出等值點的法向量，利用三角網(wǎng)格化計算等值點相應表面數(shù)據(jù)；(3)目標物體的表面渲染，在Unity 3D下讀入目標物體三維表面數(shù)據(jù)，選擇光照，色彩等指標對重構三維物體表面渲染。大量的實驗證明，這種三維重構和渲染方法是十分有效，得到的結果在立體感和視覺效果上強于現(xiàn)有的技術方法。
【專利說明】-種基于Unity 3D的Ξ維體表面重構與這染方法
[0001] 本發(fā)明主要是對二維圖像進行Ξ維圖形重構和擅染的新技術，具體設及一種基于 Unity 3D的Marching Qibes重構方法和Mesh擅染技術。
【背景技術】
[0002] Ξ維重構是計算機視覺技術研究的主要內(nèi)容之一，應用在工程技術和其他很多領 域。一般要對物體進行Ξ維分析，從而得到對研究或展示的有用信息?；诙S圖像Ξ維重 構技術的研究具有重要現(xiàn)實意義，而且具有廣闊的應用范圍，包括考古學，建筑學，W及材 料加工，工業(yè)檢測W及醫(yī)療成像設備等領域。
[0003] 當前的Ξ維重構方法大致可W分為兩類:一種是體繪制方法，另一種是表面繪制 方法。雖然運兩種方法都是用于Ξ維重構的研究，但運兩種方法的側重點并不相同。體繪制 方法是一種直接由Ξ維數(shù)據(jù)場產(chǎn)生屏幕上二維圖像的技術。而表面繪制是根據(jù)Ξ維數(shù)據(jù) 場，計算得到表面體數(shù)據(jù)，再繪制表面。體繪制比表面繪制計算量更大，計算時間更長，限制 了圖像繪制速度，主要原因是其貢獻了內(nèi)部信息的呈現(xiàn)。
[0004] 在表面繪制方法中，已經(jīng)有不少專家做了探索。1987年，Lorensen和Cline提出了 一種Marching cubes的表面重構方法。1992年，Nielson和化mann等人提出了利用漸近線判 別解決Marching Cubes存在的歧義問題。2003年，Lopes等人一種基于Marching Qibes的改 進算法，即增加目標等值面的逼近點來繪制更精確的表面。上述方法雖然取得了不錯的效 果，但沒有應用在化ity 3D上，使繪制結果展現(xiàn)更逼真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于化ity 3DS維體體表面重構與擅染方法，W提高 Ξ維繪制的展現(xiàn)效果。在該發(fā)明中，用戶提供輸入目標斷層圖像，就可讓計算機進行分析， 最終獲得Ξ維重構結果。
[0006] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0007] 步驟1，使用計算機斷層技術(CT)或磁共振成像(MRI)對目標物體進行掃描，獲得 多張斷層BMP格式圖片。
[000引步驟2,使用Marching Cubes技術對步驟1的多張圖片作為輸入，在Marching 化bes中加入自動識別目標的邊界得到闊值。識別的原則是當圖片灰度變化時，灰度的一階 方向?qū)?shù)在局部最大，或二階導數(shù)為零，即階梯型邊緣曲面上的Laplacian函數(shù)值為零。
[0009] 步驟3，Marching化bes算法根據(jù)闊值計算，獲得Ξ維空間體表面的數(shù)據(jù)。
[0010] 步驟4,在化ity 3D中對步驟3中獲得的Ξ維空間體數(shù)據(jù)進行訪問，獲得Ξ維空間 體數(shù)據(jù)進行實例化。
[0011] 步驟5,利用化ity 3D下的Mesh網(wǎng)格技術W步驟4中得到的Ξ維空間體數(shù)據(jù)作為 Mesh的Vertices屬性和Normals的輸入，并自適應分配滿足體數(shù)據(jù)需要Mesh網(wǎng)格數(shù)量。
[0012] 步驟6,將化ity 3D下的mesh進行光照，顏色，紋理等擅染，繪制完成。
【附圖說明】
[0013] 讀者在參照附圖閱讀了本發(fā)明的【具體實施方式】W后，將會更清楚地了解本發(fā)明的 各個方面。其中，
[0014] 圖1為本發(fā)明基于化ity 3DS維體表面重構與擅染方法的流程圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明步驟3到步驟8的重要過程的過程圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明步驟6中提到的33種立方體表面繪制情況展示圖；
[0017] 圖4是根據(jù)數(shù)學公式模擬出的斷層切片圖片，用本方法在化ity 3D下展示的結果 圖。
【具體實施方式】
[0018] 步驟1，使用計算機斷層技術(CT)或磁共振成像(MRI)對目標物體進行掃描，獲得 多張斷層BMP格式圖片。
[0019] 步驟2,使用Moving化bes技術對步驟一的多張圖片作為輸入，在Moving Cubes中 加入自動識別目標的邊界得到闊值。識別的原則是當圖片灰度變化時，灰度的一階方向?qū)?數(shù)在局部最大，或二階導數(shù)為零，即階梯型邊緣曲面上的Laplacian函數(shù)值為零。Laplacian 公式如下：
U)
[0020] 步驟3，Ma;rching Cubes算法。根據(jù)步驟1的多張斷層切片圖，依次選取相鄰兩張切 片圖。再依次選取運兩張圖片中的相鄰四個像素點，構成空間立方體。對運立方體的八個頂 點 ￥1。= 1，2,3,4,5,6,7,8)，構建頂點狀態(tài)：
(2)
[0021] 其中Vi表示在立方體的頂點像素值，R表示步驟2所算的邊界闊值，即目標物體的 邊界像素闊值。SVi = 0,則表示該立方體頂點在目標外圍，反之，則表示該立方體頂點在目 標內(nèi)部。
[0022] 步驟4,根據(jù)其立方體的頂點狀態(tài)，判斷目標等值面與此立方體某條棱線是否有相 交，判斷如下：
C3) 以表示立方體的第i條棱，SVo，SVi表示運條棱上的兩個頂點的狀態(tài)，當頂點狀態(tài)一樣則 表示，兩頂點都在目標等值表面的里頭或外頭，否則，表示該棱與等值表面有一條交線。
[0023] 步驟5,現(xiàn)知道是否有交線后可W算交點的位置，此交點就是在等值面上的等值 點。如果一個單位長度邊E的端點Vi和Vo的標量像素值分別為^和^，那么對固定的闊值R， 交點位置1 = (11山山)計算公式如下： I{x,y,z}=V〇{x,y,z}+p(Vi{x,y,z}-V〇{x,y,z}) (4) 式中，P=(a-L〇)/(Xi-L〇)。
[0024] 得到公式(4)所計算的交點后，還要計算交點處的法向量，體數(shù)據(jù)就包含了交點及 交點處的法向量。
[0025] 在立方體中由梯度來表示法向量，計算規(guī)則:令f(i，j，k)表示圖像在Ξ維規(guī)則網(wǎng) 格采樣點（i，j，k)處的灰度值，那么在各個方向的梯度可W有中屯、差分簡單估算，如下公 式：
(5) 良P(x，y，z)處的梯度向量是{Gx，Gy，Gz}，梯度大小是
[0026] 步驟6，Ma;rching Cubes的立方體有八個頂點，每個頂點都有可能在目標內(nèi)部或外 部或目標等值面上，所有立方體的交點連線方式總共有28種，通過旋轉對稱，消除重復的情 況，最終只剩33種，Marching Cubes提前建立離線索引表，只要得到步驟6所計算得到的交 點，就能查找索引表，把所計算的所有交點，Ξ個交點相連接即Ξ角化，來逼近目標等值面。
[0027] 步驟7,我們在化ity 3D下獲取步驟6的所有交點及其連接方式，用Mesh網(wǎng)格按規(guī) 則輸入到VeKices和Normals中進行重構Ξ維表面。
[0028] Unity 3D下一Mesh網(wǎng)格最多可W繪制65000個頂點的面片，在運里需要對輸入的 體數(shù)據(jù)進行分段繪制，最終組合起來的Mesh網(wǎng)格完整了展示了目標表面。
[0029] 步驟8,對化ity 3D下Mesh網(wǎng)格進行進行光照，顏色，紋理等擅染，繪制完成。
【主權項】
1. 一種基于Unity 3D的三維體表面重構與渲染方法，其特征在于:在重構三維圖形時， 進行以下步驟： 步驟1，使用計算機斷層技術(CT)或磁共振成像(MRI)對目標物體進行掃描，獲得多張 斷層BMP格式圖片； 步驟2,使用Moving Cubes技術對步驟1的多張圖片作為輸入，從而獲得目標物體表面 的三維空間體數(shù)據(jù)； 步驟3,在Unity 3D中對步驟2中獲得的目標表面三維空間體數(shù)據(jù)進行訪問，并對體數(shù) 據(jù)進行實例化； 步驟4，利用Unity 3D下的Mesh網(wǎng)格技術自適應分批次對步驟3中得到的三維空間體數(shù) 據(jù)作為Mesh的Vert ices屬性和Normals屬性的輸入； 步驟5，將Unity 3D下的Mesh網(wǎng)格進行光照，顏色，紋理等植染，繪制完成。2. 根據(jù)權利要求1所述的Unity 3D的三維體表面重構與渲染方法，其特征在于：步驟4 所述的自適應分批次處理體數(shù)據(jù)是由于，一個Mesh網(wǎng)格面片最大支持的Vert ices個數(shù)為 65000個，而一般重構目標的體數(shù)據(jù)中Vertices遠多于這個數(shù)量，故程序首先建立長度為10 的靜態(tài)Mesh數(shù)組，依次對每個Mesh對象按順序輸入Vertices和Normals屬性值，如果體數(shù)據(jù) 輸入10個Mesh后還剩下一些數(shù)據(jù)沒有處理，則動態(tài)的分配Mesh，再給其輸入數(shù)據(jù)，直到所有 體數(shù)據(jù)處理完畢，上面提到的數(shù)字10是實驗得到的保持效率最好的數(shù)值。3. 根據(jù)權利要求1所述的Unity 3D的三維體表面重構與渲染方法，其特征在于：步驟5 所述的進行光照，顏色，紋理等渲染方法為，Unity 3D重構目標后，對重構結果進行展示，添 加 Directional Light光照模型，以提供光亮讓重構結果可以反射光。另外給Mesh面片都添 加 Materials，使用Unity 3D庫中已有的Shader或者自己編寫Shader代碼來調(diào)節(jié)Mesh面片 的顏色，調(diào)節(jié)顏色的主要屬性有Main Color和Specular Color，還可以在Shader代碼中添 加紋理，Select選擇最合適的表面紋理，這樣繪制結果就更加逼真。
【文檔編號】G06T15/00GK105825471SQ201610141651
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月13日
【發(fā)明人】袁玉波, 湯偉, 趙婷婷, 邱文強, 溥冬梅, 阮彤, 高炬, 馮東雷, 殷亦超
【申請人】華東理工大學