虚拟手术中心脏次表面散射材质绘制方法研究

发布时间：2020-10-22 01:10

　　 随着虚拟现实和真实感绘制技术的迅猛发展,虚拟手术中软组织的真实感绘制能为现代医学提供更好的视觉反馈和诊疗效果。心脏结构的复杂性及其病灶的隐蔽性使心血管病患病率和死亡率居高不下。心脏次表面散射材质绘制是心脏病灶呈现和真实感的主要来源。因此,提高心脏绘制的真实感是虚拟手术研究的重点之一。本文以人体心脏次表面材质作为研究对象,进行较高精度的心脏表面三维模型重建,构建心脏光照模型分解心脏次表面光照,在能量守恒的基础上改进辐射度积分算法绘制心脏次表面效果,同时基于屏幕和纹理空间对心脏的次表面散射进行混合绘制,结合后处理实现了虚拟手术中心脏次表面散射材质绘制真实感的提升,以便于观察心脏表面的病灶。本文的主要工作与研究成果如下:(1)心脏光照绘制框架设计。根据心脏表面几何模型的三维重建算法构建患者心脏三维模型,并对心脏的相关数据进行预处理,在分析已有的光照模型的基础上,设计虚拟手术中的心脏光照模型,并引入符合心脏光照效果的次表面散射材质绘制方法,提出并阐述本文的总体绘制框架。(2)虚拟手术中心脏光照模型构建与计算。针对心脏手术场景光照特点,分析心脏的光学特性和次表面结构,在此基础上借鉴传统的分层模型构建心脏光照模型。其次,基于能量守恒定律,对入射光线类型和光照物理过程进行分解,分别计算心脏材质的漫反射项,镜面高光项和次表面散射项,融入光照衰减,阴影软化等后处理技术,生成满足心脏真实的光照效果,并采用延迟渲染的思想计算光照进行加速,可以较好地用于虚拟手术中心脏真实感绘制。(3)心脏次表面混合绘制。在对虚拟手术中心脏光照模型构建的基础上,首先将纹理坐标作为渲染对象坐标并利用高斯函数卷积和简化运算,在纹理空间(Texture Space,TS)寻找最优近似值模拟心脏次表面散射效果。其次针对纹理空间算法在组织曲度过大导致区域间散射不足等问题,结合屏幕空间(Screen Space,SS)深度信息和蒙版混合绘制进行消除,通过视差贴图等改善材质细节,最后利用反走样、背面剔除等技术作为后处理,产生更真实的心脏绘制效果。最后,根据本文提出的心脏光照模型设计并开发了心脏次表面散射材质绘制的实验原型系统,实现了各个模块的算法验证和可视化集成,并给出了实验结果与分析。实验结果表明,本文提出的心脏次表面散射材质绘制方法能较好地表现心脏材质的光照特性,符合虚拟手术真实感和实时性的需求,对软组织的真实感绘制具有重要的指导意义。
【学位单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R-05;TP391.9
【部分图文】：

最后，通过构建虚拟手术中心脏的光照原型实验系统，验证了本研宄提??出的心脏光照模型及所采用的次表面散射光照算法的正确性与可行性。本文所提??出的总体研究的框架如图１－２所示：??心脏三维越—构建舰翻？改进ｆ酿－＊■?Ｓ紐—??Ｉ?材质绘制?Ｉ?射?１?卜糸棚擬??图１－２本文研究的总体框架??虚拟手术中心脏的三维建模是论文的预处理工作，其目的是为后续的绘制和??研宄提供支持和辅助。本研宄利用实验室先前的研宄内容１４３，４４１，通过对人体可视??化（Ｖｉｓｉｂｌｅ?Ｈｕｍａｎ?Ｐｒｏｊｅｃｔ，?ＶＨＰ）数据的处理对心脏进行三维重建，然后依次通??过构建心脏光照模型、绘制虚拟手术心脏次表面散射材质、改进次表面散射和改??善心脏绘制效果的后处理搭建原型实验系统以验证本文提出的方法。研宄内容主??要分为六个部分，以下对本文研究总体框架中的主要研究内容进行简要阐述：??（１）

福州大学硕士学位论文???出心脏的闭合轮廓曲线，遍历像素寻找相同的阈值生成等值线，然后通过寻??应的轮廓线进行片间的轮廓对应，最后确定匹配轮廓上的点，利用小三角形??连接相邻层面上的对应点进行轮廓拼接得到心脏的几何表面。??基于移动立方体法［４７１的心脏三维重建是指通过移动立方体来寻找等值线，通??理每个数据中的立方体单元，通过阈值筛选出等值面上的立方体，采用层间??方法计算其与等值面的交点，然后按照立方体上每一个顶点相对位置，将交??照次序拼接生成对应等值面，最后同样利用小三角形面片连接等值面对应生??脏器官模型，如图２－２所示。??

图２－４所示：??ＳＤＫＭＥＳＨ—ＶＥＲＴＥＸ
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本文编号：2850871