[发明专利]一种基于梯度自适应的Blinn-Phong光照增强算法

说明书

本发明针对直接体绘制中经典的Blinn‑Phong光照模型，提出了一种基于体素灰度值梯度的Blinn‑Phong光照增强算法。首先，利用中心差分法计算每一体素灰度值的梯度及梯度模值，并将梯度模值线性映射到该点的镜面指数，接着按照Blinn‑Phong光照模型计算环境光强度、漫反射光强度、镜面反射光强度以及累积光强，而后将每一体素灰度值的梯度模值线性映射到该点的不透明度系数，最后为累积光强赋予不透明度系数得到最终的颜色。

技术领域

本发明涉及直接体绘制领域，尤其是一种直接体绘制光照增强算法。

背景技术

直接体绘制是体数据可视化的一个重要方法，它首先需要对体数据进行分类处理，接着根据传递函数对不同类别体数据赋予不同的颜色和不透明度值等光学特征，然后根据空间中视点和体数据的相对位置确定最终的成像效果。直接体绘制算法不需要对体数据场进行预处理和分割，只要设计出相应的传递函数就能够实现对特定组织或感兴趣区域的可视化。该技术在地质和石油勘探、地震、医学、气象预报等领域取得了广泛的应用。

光照设计对于直接体绘制中绘制场景的表现效果非常重要，尤其是最终场景的真实感程度非常依赖于光照模型的设计。Phong光照模型是一种基于物理观察经验的简单高效的局部光照模型，此模型假设物体表面为非理想镜面反射体，即不仅会发生漫反射也会发生镜面发射，且场景中存在两种光，一种为环境光，一种为方向光，分别计算这两种光照射到物体表面所产生的光照现象，最后将两种反射效果相加，即可得出最终的光照效果。相对于Phong模型，Blinn-phong模型继续对其中的向量运算进行了一些改进，因此使得计算速度明显提高，而且它能提供比Phong模型更柔和、更平滑的高光。

针对直接体绘制中的Phong光照模型，国内外进行了大量研究和改进：2002年Kniss等人提出了将面进行标量化，在有光照和无光照之间的面进行插值处理。2003年Weiskopf在解决光照模型求法向量问题时，通过临近等值面的法向量来替代当前等值面的法向量来解决。2014年DJnsson等介绍了在光照模型中增加交互的方法，手动调节绘制效果。但上述方法都是为了解决Phong光照模型在同质区域的绘制问题，并未对不同物质间的边界的绘制做充分的研究。

发明内容

要解决的技术问题

针对体绘制中Blinn-Phong光照模型下的渲染效果亮度对比度较低，边界不突出的问题，提出了一种基于梯度自适应的Blinn-Phong光照增强算法。

技术方案

本发明提出了一种基于体素灰度值梯度的Blinn-Phong光照增强算法。首先，利用中心差分法计算每一体素灰度值的梯度及梯度模值，并将梯度模值线性映射到该点的镜面指数，接着按照Blinn-Phong光照模型计算环境光强度、漫反射光强度、镜面反射光强度以及累积光强，而后将每一体素灰度值的梯度模值线性映射到该点的不透明度系数，最后为累积光强赋予不透明度系数得到最终的颜色。

一种基于梯度自适应的Blinn-Phong光照增强算法，其特征在于步骤如下：

步骤1：令f(x_i,y_i,z_i)为体素任意一点(x_i,y_i,z_i)处的灰度值，根据公式1利用中心差分法计算该点梯度：