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基于扫描的3D显示的交互式投影图像生成
何涵武1·陈琛1·段银银1·何志远1
收到日期：2013年5月13日/接受日期：2013年5月28日/在线发布：2015年7月4日copy;Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015
摘要：统一不同类型的图形文件格式是广泛采用体积3D显示的基本要求。本文介绍了一种3D数据可视化和处理框架，该框架能够与传统3D软件包接口，并提供与广泛的真正3D显示应用的兼容性。利用OpenGL技术和图形处理单元的性能，该建议允许用户从不同类型的图形文件格式中可视化真实的3D体积。该方法可以处理构建的不同格式的三维模型，并将模型分解为一系列具有不同厚度，旋转角度和旋转轴的图像切片，以满足扫描体积显示的投影要求。采用布尔操作和局部视图重绘方法来检查3D对象内部部分的形状，这可以使用户更好地理解对象内部的复杂性和空间关系。用户可以以直观的方式浏览和与体积图像交互。还提出了一些方法来导出可以投影到旋转平面屏幕上的图像切片，以便在体积三维显示中出现。生成两种不同类型的图像文件，结果表明，在文件大小和时间消耗方面，矢量图像比位图图像质量更好。最后，通过开发一个模拟平台，可以实现将几何切片形成三维空间图像的过程，以模拟体积三维显示的呈现效果。
由Gabriel Wittum传播
广东工业大学机电工程学院，广州510006
关键词扫描体积显示3D数据处理可视化互动
1介绍
最近，人们对3D显示技术的兴趣越来越大，它可以在三个物理维度上形成一个对象的视觉表示。强大的CPU和GPU的可用性与先进的存储和计算技术相结合，为3D显示应用提供了许多机会，尤其是那些需要适当深度线索的应用。通过3D空间中明确定义的区域的照明的发射，散射或中继，体积显示可创建裸眼可见的3D图像[3,11,19,20]。与传统的3D渲染可视化技术相比，新的3D显示器能够呈现尽可能多的关于对象深度线索的细节信息，其中对象显示在不能明确显示深度信息的2D平面屏幕上。它也不同于双眼和自动立体显示技术，其中3D深度的感知是通过在我们的大脑中合并两个偏移图像而创建的[22]。双目技术仅仅通过使用一对特定的彩色滤光眼镜或带有放大镜的小型LCD或OLED显示器来模拟观看感知 - 这限制了单个用户的显示使用[5,15]。自动立体显微镜采用涉及透镜表面或光阻的光学方法，向多个用户呈现立体图像，而无需使用额外的观看辅助工具。然而，这两种方法都有许多缺点，这些缺点是由于3D图像与观察者不占据相同的空间。立体3D显示设备使得多个人可以用肉眼以三个全方位可视化真实的3D图像，而不需要任何特殊的3D观看设备
扫描体积立体显示器与旋转或平移投影表面一起工作，在3D投影表面上投影了一系列2D横截面或从3D物体上切下的图像[8]。如果屏幕的旋转速度足够快，用户的视觉持久性将这些切片融合成可从任何角度看到的单个3D图像。随着光学制造，数字存储，处理能力和通信技术的快速发展，各种令人印象深刻的显示倍频显示器正在兴起[7,18]。尽管在学术界和各种研究实验室提出并使用了多种系统，但仍有其自身问题需要解决的体积显示仍在开发中，尚未达到普通人群。不过，3D技术的未来将会非常活跃，没有无限可视区域的辅助设备。
现在几乎所有可视化数据都是为传统的2D显示设备设计的。为体积3D显示转换或创建内容目前复杂且昂贵。主要原因是不同数据格式之间的巨大差异，并且内容必须转换为特定3D显示技术的格式。随着显示基础设施的进步，图像数据采集对3D渲染要求的 要求越来越高。因此，为了利用有前途的3D显示技术，需要相关的三维数据处理方法来进行体积可视化。
统一不同类型图形文件格式的问题对采用立体3D显示器提出了相当大的技术挑战。阻碍快速普遍采用3D显示器的实际障碍是缺乏统一，强大的基础来构建灵活的空间3D基础设施。因此，需要进行进一步的调查，以便为实时3D应用生成快速统一的3D图像数据。随着不同种类的真正的3D显示设备的发明，需要开发呈现用于立体3D显示设备的数据的生成方法。为了绘制出真正的3D显示屏的潜力，我们迫切希望能够与来自广泛应用的传统2D数据兼容的功能强大的平台。
享受3D功能的用户数量无疑增加了。新的和新颖的使用场景正在推动技术限制。 Kurillo和Bajcsy [14]提到远程用户通过3D显示或者操纵他们的3D头像在协作虚拟空间中进行交互。此外，先进的三维可视化将极大地改善军事训练，态势感知，远程呈现，海底导航，医学可视化和娱乐等任务。在医疗应用中使用3D显示器已经受到很多关注，作为一项突破，可以提高各种手术过程的性能，从而展现可量化的优势
[10,13,21]。近年来，应用开发商已经开始将3D技术融入消费电子产品。主流电视，电脑显示器，智能手机和游戏机制造商纷纷推出被动3D显示产品[17]。
SpatialGL API [6]（一种可以与各种3D显示器接口的渲染框架）的开发已经带来了统一不同3D显示器的数据生成界面的希望。但是，这项工作以前不适用于非OpenGL管线应用程序。
为了向3D显示设备提供3D数据，Actuity系统公司设计了一个具有原生应用功能和可扩展兼容接口的3D操作系统，并且有一些令人印象深刻的互动活动和与传统商业建模软件兼容的例子[9 ]。但是，该操作系统仅限于许多开发人员不知道的Perspecta Volumetric 3D显示器 - 一种特殊设备。
生成3D投影数据的研究由Chen等人完成。 [4]。建立在诸如Maya之类的商业软件上的几何对象被分解成将被传送到3D显示系统的横截面图像。在处理复杂结构时，系统的性能需要改进。
为了生成用于固态真三维体积显示的“体素”（体积像素），Guo等人[12]采用Visual Studio和OpenGL处理 3D图像数据。但是他们的方法只适用于专门的固态器件，对其他显示系统没有多大意义[16]。
这些利用三维显示器全部潜力的尝试并不令人满意，而体积三维显示器的数据处理方法受限于与传统商业建模软件的兼容性较差。显然需要一个简单的通用3D渲染界面，该软件平台将进一步推动真正的体积显示技术的采用。
由于3D数据处理技术在开发和采用真实体积显示方面发挥重要作用，因此需要进行进一步调查，以便为实时3D应用生成快速统一的3D图像数据。在本文中，开发了一种具有良好兼容性的数据处理方法，它将保证基本的应用功能和兼容的接口。此外，图像处理方法适用于基于扫掠体积的系统，并且有效处理复杂的3D对象。还开发了一种新的图形用户界面，可以使3D场景具有基于观众位置的效果，例如清晰地展示内部结构，以查看局部放大的细节。
本文的其余部分组织如下： 2，解释了体积三维图像数据生成的相关研究。还介绍了两种图像数据生成方法。在Sect。 3，图像切片生成软件的开发及其实现将被描述。还介绍了一个用于查看复杂3D模型内部结构的交互式应用程序。最后，第4节给出结论
2方法
2.1概述
在交互式3D数据生成方法中，首先使用诸如AutoCAD或ProE的商业建模器来创建3D模型。然后，将数据文件转换为一般格式，将其加载到OpenGL中并处理以生成一系列2D图像切片。在本地处理期间，用户可以与模型交互，例如，使用我们的交互式应用程序查看3D对象的内部结构。当数据生成过程完成时，3D图像数据将被传送到3D显示器中。因此，通过统一的界面，用户可以在3D显示器中可视化不同的数据格式，从而克服来自广泛应用的可视化数据差异带来的障碍。数据处理流程图如图1所示。
2.2体积三维显示的原理
图2显示了一个示意图来说明旋转平面屏幕立体显示的原理。主要组件包括计算机，电机，传输模块，旋转模块，旋转平板显示器，玻璃屏蔽罩和许多投影仪。由数据生成接口传送的一系列2D图像图案将由2D投影仪投影到扩散旋转屏幕上。在没有高速图像投影仪的情况下，多投影仪方法是单投影仪解决方案的合适替代方案。通过减小气缸内空间的气压，高速旋转的阻力系数大大降低。玻璃防护罩可以设计成透明球或圆柱体的形式。每秒钟，每台投影机都会将一系列平面横截面图像投影到玻璃屏幕上的旋转屏幕上。如果屏幕的旋转速度足够高，则由于人眼的视觉持久效应，可以感知到具有准确深度提示的真实体积3D图像。
高帧速率，高分辨率和高亮度的特点对实现真正的3D显示器提出了挑战。已经有许多尝试构建基于单投影仪的三维体积显示系统[9,11]。在这些尝试中，只有一台固定的2D投影仪在图像被与屏幕一起旋转的多个反射镜反射后照亮漫射旋转屏幕。单个投影仪系统的缺点是显示装置的反应速度是有限的，并且会导致灰度和帧限制。 Qiudong et al。 [18]开发了一款基于多投影仪的立体3D显示器。尽管该解决方案可以改善屏幕尺寸和刷新率，但仍存在机械设计，图像匹配和振动等问题。
2.3数据格式
图像格式可以分为两个主要组 - 光栅和矢量图像。光栅图像也称为位图，由一组像素组成，每个像素都以不同的颜色绘制。位图图像可以显示丰富多彩的视觉效果。实际上所有的数码照片或扫描图像都是位图格式。位图图像的投影清晰度与其最终分辨率有关。
如果投影的清晰度较差，则在显示屏上放大位图图像时会产生锯齿状边缘。
矢量图像由几何图元组成，而不是点。这些基元可以是点，线，曲线，多边形或通过路径连接的任何其他形状，这些形状通过称为节点的位置。矢量图像的描述可以以任何需要的显示尺寸平滑渲染。矢量图像文件的大小远小于位图图像文件的大小。而且，矢量图像定义与图像分辨率无关。因此，矢量图像可以缩放到更大的尺寸而不会降低其清晰度。在这种方法中，两种数据格式是同时生成的。
2.4显示数据生成
商业软件用于构建3D场景，并且使用基于OpenGL的方法生成3D场景的交叉切片，并将其交付到立体3D显示器。数据采用3DS [1]和DXF [2]格式。 3DS数据包含丰富的信息，包括3D模型的几何信息和材料信息。 DXF格式是包含在AutoCAD图形文件中的所有信息的标记数据表示。通常，图形文件中所有用户指定的信息都可以转换为DXF格式。通过使用两个平行平面来切割构建的物体可以获得切片。要获得指定的角度和位置截面切片，应该执行两次分割功能。每个切割平面都有一个垂直的正常矢量。在每个操作中，将删除将通过指定法向矢量的方向来控制的切除部分。如图3所示，切片的厚度由两个剪切平面之间的间隔距离决定。因此，可以通过旋转固定轴周围的剪切平面或旋转来产生物体的一系列切片围绕固定轴的3D模型，而两个切割平面保持不变。切片的厚度应确保丰富的信息，例如，颜色，纹理和形状被保留以重绘3D图像。
在图4a中，展示了一个简化的切片数学模型。虚拟照相机旨在拍摄创建切片图像的视图。虚拟相机绕Ym轴旋转。该运动同时是旋转和移动的组合。虚拟相机在完美的圆形路径上移动和旋转，因此它始终保持对焦状态。为了获得对象的整个视图，需要仔细计算一定的半径。
在圆上的每个位置，3D模型将被两个平行平面P1和P2切割，如图4b所示。切片的厚度t由平面P1和平面P2之间的距离确定。两架飞机都垂直于他们拍摄虚拟相机的观看方向。
在第i个位置，让Oc表示具有坐标（xi，yi，zi）的虚拟相机。虚拟相机的位置可以表示为：
⎨ x i = x 0 r lowast; c o s ( i lowast; delta; )
⎩yi =y0 rlowast;sin(ilowast;delta;) (1)
zi = z0
其中（x0，y0，z0）是用户确定的对象的分裂中心。 delta;表示两个相邻切片之间的角度，而i *delta;（i = 0，...，360 /delta;）定义了虚拟相机的方向。如果虚拟摄像机移动到圆形路径上的第i个位置，则它将相应地绕其本地Yc轴旋转角度i *delta;（图4b）。 r是圆形路径的半径，由物体的大小决定。通过执行分割操作，生成由si表示的图像片段。
算法1中描述了分割过程：
表格
如果虚拟相机围绕Ym轴旋转360°，并且在每个视点执行类似的切割操作，则会实现3D模型的一系列切片。
3D模型和裁剪平面的相对位置可根据所需参数进行指定和调整，以获得不同角度和厚度的图像切片。
3实验结果
3.1软件开发
为了验证上面提出的方法，软件是基于Microsoft VC 6.0，MFC和OpenGL平台开发的。图5所示的软件中有五个主要模块。虚线矩形内的元素是系统的主要部分。在虚线矩形之外，3D模型文件被加载到系统中，2D图像切片文件是输出结果，将被传送到视觉模拟模块。
每个模块的主要功能描述如下：
构建模块。模块的功能可以将3D模型文件导入到系统中。 3D模型可以由许多流行的3D建模应用程序预先构建，例如， AutoCAD，ProE，UG或SolidWorks。然后构造模块将使用OpenGL重建模型，并生成3DS或DXF格式的模型。
bull;数据获取模块。该模块负责生成模型的图像切片。为此，需要控制模型的视角，确定剪裁平面的位置并获取切片数据。
bull;中央控制模块。通过此模块，用户可以使用交互式设备（如键盘，鼠标或其他输入设备）与3D图像进行交互。模块可以通知数据获取模块生成新的图像切片并且渲染引擎根据用户的指令渲染3D模型。
渲染引擎。该引擎将生成屏幕文件。每个文件都包含几何图形，视点，纹理和Shad- ing信息作为3D对象的描述。在渲染文件之前，引擎将等待所有的信息被接收。然后将场景文件中包含的数据传递给图像导出模块进行处理并输出到位图图像和矢量图像。
图像导出模块。位图图像和矢量图像
都可以通过这个模块导出，所以我们可以对它们进行比较。导出的文件分为光栅图像和矢量图像格式。
bull;V
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