[发明专利]一种实时的管腔内渲染方法

说明书

本发明提供一种实时的管腔内渲染方法，涉及渲染技术领域。该实时的管腔内渲染方法，包括以下步骤：S1、基础参数计算：1)计算管腔内模型的顶点法向n；2)计算中间方向矢量h；S2、计算出射光所占入射光比例；S3、计算出射光的亮度；S4、渲染流程：1)搭建渲染管道：包括加载管腔模型、计算顶点法向、顶点着色器、图元装配、几何着色器、光栅化、片元着色器、测试与混合、HDR后处理；2)将步骤2‑3放在片元着色器中；3)渲染管道包括但不限于为OpenGL、OpenCL和CUDA搭建。本发明，提出的管腔内渲染方法能够模拟真实的管腔内光照效果，且不要制作纹理，支持实时可交互渲染，有利于技术的推广。

技术领域

本发明涉及渲染技术领域，具体为一种实时的管腔内渲染方法。

背景技术

渲染是计算机图形学的最重要研究领域之一，其主要工作流程就是输入表面模型、材质和纹理等数据，利用CPU或GPU进行光照模型计算，然后输出一副虚拟的数字图像。随着计算机图形学和显卡等硬件的快速发展，渲染的逼真度正在快速提升。比如，电影中的场景越来越逼真，渲染的最高境界就是真假难辨。然而为了使渲染的图像尽可能真实，就需要尽可能在计算机中模拟现实中光与物体的交互，也就是带物理特性的光照模型。

近些年虚拟手术通过其独具的沉浸感、交互性以及想象性，在医学领域发挥着越来越重要的作用，其中外科软组织的真实感渲染是其最重要的一环。然而软组织的真实感渲染一直是一个未被完全攻克的技术难点，特别是管腔内的真实感渲染。管腔内的真实感渲染存在的技术难点有网格复杂且不规则、管腔内光线会发生多次不规则反射和散射、计算复杂难以实时。

目前存在的管腔内渲染算法为了考虑实时性，大多数采用的是直接光照模型，直接光照模型过于简单，无法模拟真实的管腔内光照效果，一些规则简单的管腔结构，采用纹理和全局光照模型能实现真实感渲染，然而这种方法无法处理复杂不规则的管腔内结构，同时纹理的制作对美工的要求很高且费时，不利于技术的推广。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种实时的管腔内渲染方法，解决了现有技术中存在的缺陷与不足。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种实时的管腔内渲染方法，包括以下步骤：

S1、基础参数计算：

1)计算管腔内模型的顶点法向n：公式为k为顶点1领域面片的数量，A_i为相邻面片i的面积，P_i为相邻面片i的归一化法向；

2)计算中间方向矢量h：公式为其中l为光线入射方向，v为视角方向；

S2、计算出射光所占入射光比例：

1)计算漫反射比例：其中color表示管腔内表面的基础材质颜色，F₉₀＝0.5+2.0α(h·v)²，其中α为管腔内表面的粗糙度，n为步骤1-1计算的顶点法向，h为步骤1-2计算的中间方向矢量；

2)计算法线朝向的比例的公式为：其中α为管腔内表面的粗糙度，n为步骤1-1计算的顶点法向，h为步骤1-2计算的中间方向矢量；

3)计算反射的光线所占的比例的公式为：F(l,h)＝F₀+(1-F₀)(1-(v·h))⁵，其中其中η表示管腔内表面相对于空气的折射率，h为步骤1-2计算的中间方向矢量；

4)计算未被遮蔽的比例的公式为：