隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和真實(shí)感繪制技術(shù)的迅猛發(fā)展,虛擬手術(shù)中軟組織的真實(shí)感繪制能為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)提供更好的視覺反饋和診療效果。心臟結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其病灶的隱蔽性使心血管病患病率和死亡率居高不下。心臟次表面散射材質(zhì)繪制是心臟病灶呈現(xiàn)和真實(shí)感的主要來源。因此,提高心臟繪制的真實(shí)感是虛擬手術(shù)研究的重點(diǎn)之一。本文以人體心臟次表面材質(zhì)作為研究對(duì)象,進(jìn)行較高精度的心臟表面三維模型重建,構(gòu)建心臟光照模型分解心臟次表面光照,在能量守恒的基礎(chǔ)上改進(jìn)輻射度積分算法繪制心臟次表面效果,同時(shí)基于屏幕和紋理空間對(duì)心臟的次表面散射進(jìn)行混合繪制,結(jié)合后處理實(shí)現(xiàn)了虛擬手術(shù)中心臟次表面散射材質(zhì)繪制真實(shí)感的提升,以便于觀察心臟表面的病灶。本文的主要工作與研究成果如下:(1)心臟光照繪制框架設(shè)計(jì)。根據(jù)心臟表面幾何模型的三維重建算法構(gòu)建患者心臟三維模型,并對(duì)心臟的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,在分析已有的光照模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)虛擬手術(shù)中的心臟光照模型,并引入符合心臟光照效果的次表面散射材質(zhì)繪制方法,提出并闡述本文的總體繪制框架。(2)虛擬手術(shù)中心臟光照模型構(gòu)建與計(jì)算。針對(duì)心臟手術(shù)場(chǎng)景光照特點(diǎn),分析心臟的光學(xué)特性和次表面結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上借鑒傳統(tǒng)的分層模型構(gòu)建心臟光照模型。其次,基于能量守恒定律,對(duì)入射光線類型和光照物理過程進(jìn)行分解,分別計(jì)算心臟材質(zhì)的漫反射項(xiàng),鏡面高光項(xiàng)和次表面散射項(xiàng),融入光照衰減,陰影軟化等后處理技術(shù),生成滿足心臟真實(shí)的光照效果,并采用延遲渲染的思想計(jì)算光照進(jìn)行加速,可以較好地用于虛擬手術(shù)中心臟真實(shí)感繪制。(3)心臟次表面混合繪制。在對(duì)虛擬手術(shù)中心臟光照模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上,首先將紋理坐標(biāo)作為渲染對(duì)象坐標(biāo)并利用高斯函數(shù)卷積和簡(jiǎn)化運(yùn)算,在紋理空間(Texture Space,TS)尋找最優(yōu)近似值模擬心臟次表面散射效果。其次針對(duì)紋理空間算法在組織曲度過大導(dǎo)致區(qū)域間散射不足等問題,結(jié)合屏幕空間(Screen Space,SS)深度信息和蒙版混合繪制進(jìn)行消除,通過視差貼圖等改善材質(zhì)細(xì)節(jié),最后利用反走樣、背面剔除等技術(shù)作為后處理,產(chǎn)生更真實(shí)的心臟繪制效果。最后,根據(jù)本文提出的心臟光照模型設(shè)計(jì)并開發(fā)了心臟次表面散射材質(zhì)繪制的實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊的算法驗(yàn)證和可視化集成,并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的心臟次表面散射材質(zhì)繪制方法能較好地表現(xiàn)心臟材質(zhì)的光照特性,符合虛擬手術(shù)真實(shí)感和實(shí)時(shí)性的需求,對(duì)軟組織的真實(shí)感繪制具有重要的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：福州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R-05;TP391.9
【部分圖文】：

最后，通過構(gòu)建虛擬手術(shù)中心臟的光照原型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了本研宄提??出的心臟光照模型及所采用的次表面散射光照算法的正確性與可行性。本文所提??出的總體研究的框架如圖１－２所示：??心臟三維越—構(gòu)建艦翻？改進(jìn)ｆ釀－＊■?Ｓ紐—??Ｉ?材質(zhì)繪制?Ｉ?射?１?卜糸棚擬??圖１－２本文研究的總體框架??虛擬手術(shù)中心臟的三維建模是論文的預(yù)處理工作，其目的是為后續(xù)的繪制和??研宄提供支持和輔助。本研宄利用實(shí)驗(yàn)室先前的研宄內(nèi)容１４３，４４１，通過對(duì)人體可視??化（Ｖｉｓｉｂｌｅ?Ｈｕｍａｎ?Ｐｒｏｊｅｃｔ，?ＶＨＰ）數(shù)據(jù)的處理對(duì)心臟進(jìn)行三維重建，然后依次通??過構(gòu)建心臟光照模型、繪制虛擬手術(shù)心臟次表面散射材質(zhì)、改進(jìn)次表面散射和改??善心臟繪制效果的后處理搭建原型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以驗(yàn)證本文提出的方法。研宄內(nèi)容主??要分為六個(gè)部分，以下對(duì)本文研究總體框架中的主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述：??（１）

福州大學(xué)碩士學(xué)位論文???出心臟的閉合輪廓曲線，遍歷像素尋找相同的閾值生成等值線，然后通過尋??應(yīng)的輪廓線進(jìn)行片間的輪廓對(duì)應(yīng)，最后確定匹配輪廓上的點(diǎn)，利用小三角形??連接相鄰層面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行輪廓拼接得到心臟的幾何表面。??基于移動(dòng)立方體法［４７１的心臟三維重建是指通過移動(dòng)立方體來尋找等值線，通??理每個(gè)數(shù)據(jù)中的立方體單元，通過閾值篩選出等值面上的立方體，采用層間??方法計(jì)算其與等值面的交點(diǎn)，然后按照立方體上每一個(gè)頂點(diǎn)相對(duì)位置，將交??照次序拼接生成對(duì)應(yīng)等值面，最后同樣利用小三角形面片連接等值面對(duì)應(yīng)生??臟器官模型，如圖２－２所示。??

圖２－４所示：??ＳＤＫＭＥＳＨ—ＶＥＲＴＥＸ
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本文編號(hào)：2850871