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v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 学位论文完成同期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： | | i i ii il llll ll lll l lllll y 18 2 8171 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；塑旦没直墓他盂垩挂别应明的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名候5 l c 烫 签字日期：沙户年r 月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： 1 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学”中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社”用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 幢峡 导师签字 签字日期：为p 年上月习r 签字日期如，o 年厂月7 日 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 摘要 随着人民生活水平的提高，经济建设的发展，因强对流天气的发生而造成的 损失也就更加严重。多普勒天气雷达作为探测强对流风暴天气的有效工具，自上 个世纪六十年代以来，其探测结果为强风暴系统结构和演变的研究提供了重要依 据。使用多普勒天气雷达对强对流天气进行实时的监测，可以获得强对流天气的 内部三维结构。使用三维可视化技术分析对流天气的内部结构，是强对流天气预 警的技术基础之一，在业务部门具有广泛的应用价值。 近年来，我国已经初步建成三维多普勒天气雷达网。现阶段，国内的雷达数 据可视化系统功能比较有限，显示程序复杂。倘若用三维模式来表达三维雷达数 据体，可以更直观地显示不同区域的云层丰富信息。科学计算可视化运用计算机 图形学技术和图像处理技术，可以将通过科学计算或者数据采集获得的数据转换 为图像。而v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) 是一种开源、优秀的三维可视化工具包， 可以用来快速开发高效稳定的三维可视化系统。 本文根据雷达图像显示需要，采用n v i ( n e i g h b o ra n d v e r t i c a li n t e g r a t i o n ) 插 值方法将雷达数据从极坐标系转换到笛卡尔坐标系下，再对数据进行滤波去噪等 预处理。处理后的数据与v t k 融合产生新的数据，并将融合后的数据作为实现 可视化技术的基础数据。 本文的可视化技术中使用了面绘制和体绘制两种技术。面绘制技术使用m c ( m a r c h i n gc u b e s ) 算法提取等值面；体绘制技术主要使用光线投射算法，经过 颜色设置、光照效应、重采样处理、图像合成过程然后实现雷达图像的显示。本 文中主要使用合成法的光线投射算法进行体绘制。 实验证明，采用合成法的光线投射算法，通过设置不同参数可以较好较快地 实现雷达图像的可视化。利用v t k 可以快速实现将获得的二维雷达图像序列， 在三维空间上重建出立体的三维图像；可以实现x 、y 、z 坐标轴上任意切面的 雷达回波强度显示；可以任意方向切割三维图像以观察感兴趣切面的回波强度显 示。另外，还可以实现旋转、放大、平移图像，进行二维与三维图像的交互等高 级功能。 v t k 应用于雷达图像三维可视化，全三维空问的解释可以更加直观和全面 地展示回波的空间分布状况，弥补雷达显示之不足，可以在气象业务系统的显示 中充分发挥作用；同时也更加有助于利用回波资料丌发风暴体的预警系统。 r e s e a r c ho fs t r o n gs t o r ms y s t e ms t r u c t u r ea n de v o l u t i o n t h r o u g hu s i n gt h ed o p p l e r w e a t h e rr a d a rt oi n s t a n t l ym o n i t o rt h es t r o n gc o n v e c t i v ew e a t h e r , w ec a na c c e s si t s t h r e e - d i m e n s i o n a li n t e r n a l s t r u c t u r e u s i n g t h et h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n t e c h n i q u e s t oa n a l y z et h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fc o n v e c t i v ew e a t h e ri so n eb a s i c t e c h n i q u e t ow a r nt h es t r o n gc o n v e c t i v ew e a t h e r , a l s oi ti sa p p l i e dw i d e l yi nt h e b u s i n e s ss e c t o r i nr e c e n t y e a r s ，c h i n a h a s p r e l i m i n a r i l y e s t a b l i s h e dt h et h r e e - d i m e n s i o n a l d o p p l e rw e a t h e rr a d a rn e t w o r k a tt h ep r e s e n ts t a g e ，f u n c t i o n so ft h ed o m e s t i cr a d a r d a t av i s u a l i z a t i o ns y s t e ma r el i m i t e da n di t sd i s p l a yp r o g r a mi sc o m p l i c a t e d i ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lc a nb eu s e dt oe x p r e s st h et h r e e d i m e n s i o n a lr a d a rd a t a v o l u m e ，w e a l t hi n f o r m a t i o no ft h ec l o u d s i nd i f f e r e n tr e g i o n sw o u l db em o r e i n t u i t i v e l ys h o w e d s c i e n t i f i cc o m p u t e rv i s u a l i z a t i o nc o n v e y st h ed a t aw h i c hi s c a l c u l a t e db ys c i e n t i f i co rc o l l e c t e dt oi m a g eb yu s i n gc o m p u t e rg r a p h i c st e c h n i q u e a n d i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y v t ki sa no p e ns o u r c ea n de x c e l l e n tv i s u a l i z a t i o n t o o l k i t , i tc a nb eu s e dt od e v e l o ph i g h l ye f f i c i e n ta n ds t a b l et h r e e d i m e n s i o n a l v i s u a l i z a t i o ns y s t e mr a p i d l y a c c o r d i n gt o t h en e c e s s a r yo ft h er a d a r i m a g e sd i s p l a y ，t h i sp a p e ra d o p t s n v i ( n e i g h b o ra n dv e r t i c a li n t e g r a t i o n ) m e t h o dt oc o n v e r tr a d a rd a t af r o mp o l a r c o o r d i n a t e st oc a r t e s i a nc o o r d i n a t e s ，t h e np r e p r o c e s s e st h ed a t aj u s tl i k ef i l t e r i n gt o i i i r e d u c et h en o i s e w h e nt h ed a t ap r o c e s s e di sf u s e dw i t hv t k ，i tw i l lg e n e r a t en e w d a t aa n dt h ef u s e dd a t aw i l lb ep r o c e s s e da st h eb a s i cd a t at om a k et h ev i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g yc o m et r u e t h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yu s e di nt h i sp a p e rc o n t a i n ss u r f a c er e n d e r i n ga n d v o l u m er e n d e r i n g m ca l g o r i t h mi su s e dt oe x t r a c tt h ee q u i v a l e n c es u r f a c ei ns u r f a c e r e n d e r i n gt e c h n o l o g ya n dr a y c a s t i n ga l g o r i t h m i su s e di nv o l u m er e n d e r i n g t e c h n o l o g y a f t e rs e a i n gc o l o r 、l i g h t i n ge f f e c t s 、r e s a m p l i n ga n ds y n t h e s i z i n gt h ei m a g e c a nb ed i s p l a y e d t h i sp a p e rm a i n l yu s e dt h er a y c a s t c o m p o s i t e f u n c t i o nt or e n d e rt h e v o l u m e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tr a d a ri m a g ec a nb eq u i c k l yd i s p l a y e d t h r o u g hs e a i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r su n d e rt h er a y c a s t c o m p o s i t e f u n c t i o n b yu s i n g v t k ，t h r e e d i m e n s i o n a li m a g ei sq u i c k l yr e c o n s t r u c t e df r o mt h et w o - d i m e n s i o n a l r a d a r i m a g es e q u e n c e ；a r b i t r a r i l y t h r e e - d i m e n s i o n a ls e c t i o n so ft h er a d a re c h o i n t e n s i t yo nt h ex 、y 、zc o o r d i n a t ea r es h o w e d ；a n yd i r e c t i o nc a nb ec l i p p e dt om a k e t h ei n t e r e s t i n gs e c t i o nb eo b s e r v e d i na d d i t i o n ，i ta c h i e v e so t h e ra d v a n c e df u n c t i o n s l i k er o t a t i n g 、z o o m i n g 、p a n n i n gt h ei m a g ea n di n t e r a c t i n gt h et w o - d i m e n s i o n a li m a g e 、柝t ht h et h r e e - d i m e n s i o n a li m a g e w h e nv t ki su s e di nt h et h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no fr a d a ri m a g e t h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee c h oc a nb em o r ei n t u i t i v e l ya n df u l l yd i s p l a y e dt om a k eu p t h el a c ko fr a d a rd i s p l a yt h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ee x p l a n a t i o no ft h et h r e e d i m e n s i o n a ls p a c e ，w h i c hc a ng i v ef u l lp l a yt ot h ed i s p l a yo ft h em e t e o r o l o g i c a l s e r v i c es y s t e m ；a l s oi tc a np r o v i d em o r eh e l pt od e v e l o pt h ew a r n i n gs y s t e mo fs t o r m b yu s i n gt h ee c h om a t e r i a l k e yw o r d s ：v t k ；v i s u a l i z a t i o n ；r a d a ri m a g e ；e c h o 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题背景与研究意义1 1 2 1 多普勒雷达1 1 2 2 科学计算可视化技术2 1 3 国内外研究现状3 1 3 1v t k 的主要应用3 1 3 2 雷达图像的三维显示现状4 1 4 论文主要工作与创新点4 第二章可视化工具v t k 6 2 1v t k 的介绍一6 2 2v t k 的绘制过程7 2 2 1 可视化模式7 2 2 2 图形模式9 2 3v t k 中三维重建的主要类库1 0 2 4 医学数据三维可视化1 1 第三章三维雷达数据体1 3 3 1 雷达数据1 3 3 1 1 多普勒雷达的工作原理1 3 3 1 2 天气雷达的数据采集1 4 3 1 3 组合反射率1 5 3 2 雷达数据的预处理1 5 3 2 1n v i 插值1 6 3 2 2 滤波去噪1 8 3 3 雷达数据的导入1 9 第四章三维可视化系统的实现2 0 4 1 体数据三维可视化技术2 0 v 4 1 1 理论基础2 0 4 1 2 面绘制技术2 1 4 1 3 体绘制技术2 3 4 2 光线投射算法2 8 4 2 1 光线投射算法流程2 8 4 2 2 光线投射算法在v t k 中的实现3 l 4 2 3 光线投射法特点3 3 4 3 雷达图像可视化系统3 4 4 3 1 三维体重建3 5 4 3 2 三维切面显示3 7 4 3 3 任意切割显示3 8 4 3 4 更高级功能的研究实现4 0 第五章总结和展望4 4 5 1 本课题研究4 4 5 2 本课题研究工作的展望4 4 参考文献4 6 致谢4 9 个人简历5 0 发表的学术论文5 0 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 1 1 引言 第一章绪论 从2 0 世纪5 0 年代以来，使用天气雷达数据对灾害天气进行分析已经成为灾 害天气预警的重要手段。尤其是新一代天气雷达有很高的时间和空间分辨率，它 在中尺度气象研究中具有其他观测资料无可比拟的优越性 川。近年来，我国已经 初步建成三维多普勒天气雷达网。然而，现阶段对三维雷达数据体的解释采用二 维模式，具有一定的局限性。使用三维模式来表达三维雷达数据体，可以更直观 地显示不同区域云层的丰富信息。 计算机可视化技术在雷达图像显示中的研究应用为三维数据体解释问题提 供了必要的技术支持。v t k 是一种开源、优秀的三维可视化工具包，可以用来 快速开发高效稳定的可视化系统 2 | 。 1 2 课题背景与研究意义 1 2 1 多普勒雷达 近年来在我国的部分地区强降水、雷暴、冰雹和龙卷风等剧烈天气时有发生， 这些剧烈天气常导致严重的损失，例如2 0 0 9 年6 月安徽蒙城县接连两次遭受强 对流天气的袭击，其中坛城镇不到一个小时降雨量达6 2 1 毫米，造成树木被折 断，房屋和庄稼被损毁等现象。突发强降水还可造成城市内涝，导致城市或乡村 山体滑坡等灾害。 面对频繁发生的强对流天气，国务院领导高度重视，要求继续加强监测预报， 严防大风、雷电、冰雹、强降雨和山洪、滑坡、泥石流等灾害。 多普勒天气雷达作为探测强对流风暴天气的有效工具，其探测结果为强风暴 系统结构和演变的研究提供了重要依据，因此，多普勒天气雷达数据成为了我们 进行天气研究的依据。对雷达而言，通常称某个高度上的数据为c a p p i ( c o n s t a n t a l t i t u d ep p i ) 数据，以区别于固定仰角观测的p p i 数据。严格来说，多部雷达组网 拼图数据是由各雷达的c a p p i 数据合并而成的一组等高面回波数据集。因此， 雷达在等高面上的有效数据区域，也就是c a p p i 有效数据区域才能被认作是该 1 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 雷达参与组网拼图的有效数据区域。 c a p p i 数据的有效范围比等射束高度图更能反映出多普勒天气雷达业务观 测范围 ：。这使我们能够在三维空间内进行强对流云的各项内部参数定量计算。 因此我们可以利用回波资料进行风暴的检测，追踪和预报，及时通知有关部门采 取措施，进行有效的防暴工作，减少工农业生产的损失。 然而，这些雷达产品必须通过特定的显示平台才能够在业务系统中充分发挥 作用 驯。全三维空间的解释可以更直观地解释风暴体，它可以更加直观地展示回 波结构，弥补雷达显示之不足；也更加有助于利用回波资料开发风暴体的预警系 统。 1 2 2 科学计算可视化技术 随着计算机应用的普及和科学技术的迅速发展，来自卫星遥感、天气预报等 领域的数据量越来越大，可达上百兆、上千兆，用传统的方法来显示三维雷达图 像速度慢、效率低，本文使用科学计算可视化技术可以很好的解决这个问题。 科学计算可视化意指运用计算机图形学技术和图像处理技术，将通过科学计 算或者数据采集获得的数据( 如有限元分析数据，医学数据) 转换为图像的过程 5 卜 6 】。 可视化技术的过程用数据流模型来实现，其流程如图1 - 1 所示。在这个流程中， 关键是映射生成绘制成图的几何原语 7 。在框图中，各模块之间是利用信息传递 来完成各自功能的。 回巨 1 亟) t 亘 一目 图卜1 可视化过程示意图 科学计算可视化技术应用于气象预报，可以实现如下功能：一方面，科学计 算可视化可将大量的数据转换为图像，在屏幕上显示出某一时刻的云层的位置及 运动趋势、暴雨区的位置，使预报人员能对未来的天气作出准确的分析和预测。 另一方面，根据全球的气象监测数据和计算结果，可将不同时期全球的气温分布、 气压分布、雨量分布及风力风向等以图像形式表示出来，从而实现对全球的气象 情况及其变化趋势进行研究和预测 8 i 。气象预报的准确性依赖于对大量数据的计 2 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 算和对计算结果的分析。 本文预实现的雷达图像三维可视化，是科学计算可视化技术在气象学领域的 一个重要应用。雷达图像三维可视化就是运用计算机图形学和图像处理技术，将 获得的二维雷达图像序列，在三维空间上重建出立体的三维图像。通过人机交互， 用户可以对图像进行旋转、缩放、移动、剖面显示等操作，使图像能直观地显示 风暴体的内部复杂结构，为用户提供直观、逼真、具有真实感的三维雷达图像， 有效提高识别风暴体效率。 1 3 国内外研究现状 1 3 1v t k 的主要应用 v t k ( v i s 砌i z a t i o nt o o l k i t ) 主要是用于3 d 计算机图形学、图像处理及可视 化的软件系统 9 卜【10 1 ，是重要的教学和科研工具，其应用已渗透到医学、石油勘 探、声学、流体力学等领域，尤其在医学图像处理领域得到了广泛的应用。 1 9 8 9 年，美国国立医学图书馆( n l m ) 推出了“可视人计划( v i s i b l eh u m a n p r o j e c t ，v h p ) ，从1 9 9 4 年到1 9 9 8 年相继推出一男一女高精度、分辨组织切 片光学照相的c t 和m 断层图像后，计算机技术实现了人体解剖信息的数字 化、可视化。目前，美国可视人计划仍处在第二阶段工作，对余留部分图像数据 继续分割、分类，并考虑在下一代因特网支持下，实现有触觉控制的可视化人图 像数据集实时2 d 和3 d 可视化 1 2 一 1 3 。 现在，国外一些机构在u n i x 环境下已经开发出来比较成熟的三维医学图 像重建系统，包括美国州大学开发的3 d v i e w n i x 系统和德国汉堡大学开发的 v o x e l m a n 系统。国内对医学体数据场可视化的研究及应用开发起步较晚，始于 上个世纪9 0 年代初，相比国外水平有一定差距。清华大学，浙江大学，西北大 学，中科院自动化所等均作了大量的研究，如中科院自动化所开发的3 d m e d 系 统，第三军医大学“可视人”数据及“可视人系统”的研究等。虽然国内在医学 体数据场可视化领域的整体研究水平正在拉近与国外的差距，但是仍然有许多问 题尚待解决。 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 1 3 2 雷达图像的三维显示现状 实现雷达图像的三维显示需要大量的运算，需要对送给雷达终端的数据进 行预处理，以减轻计算机的负担 1 4 ，并且实现雷达图像的三维显示就需要有多媒 体软件和可靠的硬件保证，而在目f j ，这已不是问题。 目前国内一些大学和科研机构在v t k 技术应用于雷达图像可视化领域方 面做了一些研究，但现在尚未有公开发布的商品化的雷达图像可视化系统。倘若 能将多层雷达扫描图像输入计算机后，系统可以沿x ，y ，z 三个方向逐帧显示输 入图像；可以用不同的方法( 如面绘制、体绘制) 进行三维体重建；可以做实时的 平移、旋转、放大和缩小；还可以对三维图像做任意位置的剖切以观察内部结构； 此外，还可以实现测量距离，实现二维三维交互等功能。很显然，如果能够实现 具有如此强大功能的三维雷达图像显示系统将给风暴体的观测与判断提供极大 的方便。 1 4 论文主要工作与创新点 本文将v t k 技术引用到雷达图像可视化中，实现了雷达图像的快速显示，可 以更加直观、全面地显示雷达风暴体的内部结构。借助先进的体绘制算法实现了 雷达体重建、三维切面显示和任意切割显示，并且是实现了二维三维交互技术。 本文内容安排如下： 第一章绪论，主要说明本文的背景与研究意义、v t k 技术的主要应用、雷 达图像显示系统的发展现状以及本文的研究思路、主要创新点。 第二章可视化工具v t k ，介绍v t k 的产生发展、v t k 的特点、v t k 的处 理模式、三维重建中常使用的类库，并简要介绍了医学数据和雷达图像的可视化。 第三章v t k 与三维雷达数据体，主要介绍了多普勒雷达的基本工作原理、 天气雷达数据的采集、雷达数据的预处理以及雷达数据导入v t k 过程。 第四章三维图像可视化系统的实现，介绍了三维可视化技术包括面绘制和 体绘制技术，重点介绍了光线投射算法，并在此基础上实现了雷达图像的三维体 重建技术、三维切面显示、任意切割显示以及更高级功能。 第五章总结与展望，主要对这一阶段的工作以及论文中的问题进行总结并 4 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 对后续工作进行展望。 本文的主要创新点： 借鉴雷达数据与医学数据成像原理的相似性，创新性地将雷达数据导入 v t k 中。本实验在w i n d o w s 平台下，利用v i s u a lc + + 编程构建了雷达图像的三 维可视化系统的界面，实现了如下功能： 一、利用体绘制算法等不同的方法可以重新构造雷达回波三维体； 二、将雷达数据输入计算机后，系统可以沿x ，y ，z 三个方向显示输入图像； 三、可以对三维图像任意位置进行切割以观察内部结构； 四、进行高级的人机交互，生成的三维图像可以做实时的平移、旋转、放大和 缩小；还可以实现查看灰度值等功能。 结果证明：利用优秀的开源代码工具v t k 可以极大地提高显示效率，简化 开发过程，强大功能的三维雷达图像显示系统将给风暴体三维预警系统的观测与 判断提供极大的方便。 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 2 1v t k 的介绍 第二章可视化工具v t k v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) 是一个开放源码、自由获取的软件系统，可以 很方便研究人员和开发人员用其进行3 d 计算机图形、图像处理、可视化，特别 适合于图像编程开发，可谓3 d 图像编程开发之必备。 v t k 15 是由w i l l i a mj s c h m e d e r ，k e n n e t h m m a r t i n ，w i l l i a me i o r e n s e n 开发，在三维函数库o p e n g l 的基础上， 利用面向对象技术，设计的一个三维可视化工具包，它将图形图像和可视化领域 内常用封装成类库，以便用户可以将2 d 图像和3 d 图形的数据和算法融合。用 户在可视化开发过程中不必考虑具体的细节问题，给开发和研究来极大的方便。 同时，用户还可在v t k 基类的基础上开发自己的类库。 在研究人员的支持和帮助下，v t k 获得越来越快的发展，其功能越来越完 善，性能也越来越强。它强大的可视化功能与m f c 图形界面功能相结合可快捷 开发出高性能的可视化程序。掌握好v t k 对于从事可视化工作的研究者具有十 分重要的意义，并且相信随着w e b 和i n t e m e t 技术的发展，v t k 将会有更广阔 的发展前景。 其主要特点如下： 1 丰富的数据类型：v t k 支持对多种数据类型( 包括规则的和不规则的) 进 行处理： 2 高速的处理效率：v t k 的体系结构使其具有非常好的流和高速缓存的能 力，在处理大量的数据时受内存资源的限制少； 3 多种着色的支持：如o p e n g l 等，具有强大的三维图形功能。v t k 既支 持基于体素v o x e l b a s e dr e n d e r i n g 的体绘制v o l u m er e n d e r i n g 又保留了传统的 面绘制，从而在极大的改善可视化效果的同时又可以充分利用现有的图形库和图 形硬件； 4 多平台的支持和设备无关性：v t k 既可以工作于w i n d o w s 操作系统又可 以工作于u n i x 操作系统，极大的方便了用户，其代码具有良好的可移植性； 5 良好的网络工具支持能力：v t k 支持网络工具比如j a v a 、v r m l ； 6 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 2 2v t k 的绘制过程 用v t k 进行可视化应用是非常方便的，它包括两个基本部分。首先，在可视 化模式下利用数据流水线( d a t ap i p e l i n e ) 机制来处理数据；其次，在图像模式下 建立适当的目标图形来演示数据。 2 2 1 可视化模式 v t k 是基于数据流模型的系统，可视化模式由两类基本的对象组成：数据对象 和处理对象。 一、数据对象 v t k 数据集( v t k d a t a s e t ) 包含多种数据对象如图2 一l 所示。 图2 一l 数据集对象图 ( 1 )结构点数据( v t k l m a g e d a t a ) ：代表规则的、x y - z 轴分布列的点； v t k l m a g e d a t a 可以用来表示1 d 数组、2 d 图像和3 d 的体，它的几何与拓扑 结构都是规则明确地；由数据维数、点间距以及左下角的原点定义生成。 ( 2 )结构网格( v t k s t r u c t u r e g r i d ) ：代表规则拓扑结构但几何形状不规则的 一些点。它的维数变量时不确定的。 ( 3 )多边形数据( v t k p l o y d a t a ) ：表示由顶点、直线、多边形即三角面片组成 的几何体，支持多种的原子类型，如v t k v e r t e x 、v t k p l o y v e r t e x 、v t k l i n e 等。它 是完全无结构的。 ( 4 )非结构点数据( v t k u n s t r u c t u r e p o i n t ) ：只指定了几何体的外观，它也可 7 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 以由v t k p l o y d a t a 或v t k u n s t r u c t u r e g r i d 来表示。 ( 5 ) 非结构网格( v t k u n s t r u c t u r e g r i d ) ：可以用来表示任意c e l l 类型的组合。 它也是完全无结构的。 二、处理对象 v t k 的处理对象按功能分为数据源( s o u r c e ) 、过滤器( f i l t e r ) 和映射器 ( m a p p e r ) 三种。 v t k o b j e c t 是v t k 的基类，它为整个可视化流程提供基本的方法 1 6 | 。 v t k s o u r c e 派生于v t k o b j e c t ，同时是v t k f i l t e r 的父类，它包括从文件中读入及程 序内部产生的数据，是整个可视化流程的源头。v t k f i l t e r 派生于v t k s o u r c e 类， 主要是用于对数据进行各种处理，原始数据经过各种不同的f i l t e r 的处理，得到 新数据类型及输出值，以便后面的处理。v t k m a p p e r 也是v t k o b j e c t 的派生类，它 将各种f i l t e r 处理后的应用数据映射为图像可以处理的数据，为原始数据与图像 数据交换定义了接口，将数据集映射为可展示的基本图元，是可视化流程的终点。 通过处理对象e x e c u t e d a t a ( ) 方法产生数据的数据流方向_ 图2 2v t k 司视化管道不意图 这样，依据要处理的数据的类型和想要实现的功能，我们可以选择不同类型 的s o u r c e s ，f i l t e r s 和m a p p e r s 。当然，中问处理的数据要能够在任意的两个接口 之间兼容。比如：如果源头选择v t k c o n e s o u r c e ，它会产生圆柱体的多边形表示数 据，那后面相连接的f i l t e r 必须能够处理v t k p l o y d a t a ，假使选择了 v t k c o m p o s i t e f i l t e r ( 用来组合规则结构点的过滤器) 则程序必然出错。根据上述 描述，我们绘制v t k 的可视化管道如图2 2 所示。但是要想让图像在屏幕上显 示出来，还必须要有一个a c t o r 来激活管道，在图形模式下建立适当的目标图形 来演示数据。只有这样才能通过流水线机制完成对数据流的读入、处理、绘制和 显示。 8 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 2 2 2 图形模式 图形模式支持2 d 、3 d 等一般图形的处理如3 d 几何数据绘制、3 d 体数据 绘制、2 d 几何、文字和图像绘制等，主要表现了3 d 图形系统的本质特征e 1 7 ， 绘制模式如图2 - 3 所示。它主要有以下1 0 种基本对象： v t k r e n d e r w i n d o w i n t e r a c t o r 上椭 v t k p r o p e r t y v t k t r a n s f o r m v t k m a p p e r 图2 - 3v t k 图形学对象模型关系 1 角色( a c t o r ) ：包括v t k a c t o r 、v t k a c t o r 2 d 、v t k v o l u m e ，代表渲染场景中的 绘制对象实体； 2 灯光( l i g h t ) ：v t k l i g h t 提供了灯光的位置、灯光的状态( 开关) 、亮度、颜 色等，同时也可以设置光源的照射角度以及衰减程度； 3 照相机( c a m e r a ) ：v t k c a m e m 用来设置视点的位置、焦点位置及其他属性； 4 属性( p r o p e r t y ) ：包括v t k p r o p e r t y 、v t k p r o p e r t y 2 d ，主要用来说明几何物体 的一些特征。比如光照特性、着色模式、物体灰度等； 5 映射( m a p p e r ) ：包括v t k m a p p e r 、v t k m a p p e r 2 d ，指定数据与基本图元之间 的关系，v t k m a p p e r 的派生类通过一个l o o k u p t a b l e 来映射数据，同时控制与图形 库相连的图元的生成； 6 变换( t r a s f o r m ) ：v t k t r a s f o r m 是一个放置4 4 变换矩阵的堆栈，可以对这 个矩阵进行平移、缩放、旋转等操作； 7 查找表( l o o k u p t a b l e ) ，包括v t k l o o k u p t a b l e 、v t k c o l o r t r a n s f e r f u n c t i o n ， 用于对显示实体的颜色进行设置、变换； 9 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 8 渲染器( r e n d e r ) ：v t k r e n d e r e r 主要用于控制目标的渲染过程，管理光源、 照相机位置等属性； 9 渲染窗口( r e n d e r w i n d o w ) ：v t k r e n d e r w i n d o w 用于在显示设备中生成一 个窗1 2 1 ，渲染窗口是用户图形界面，可以设置渲染窗口的大小，也可以产生立体显 示效果，支持双缓存； 1 0 窗口交互( r e n d e r w i n d o w i n t e r a c t o r ) ：v t k r e n d e r w i n d o w i n t e r a c t o r 是场景 交互方法的一种，它作为一种简单的工具可以用来操作相机、选取对象、调用用 户定义的函数等。 2 3v t k 中三维重建的主要类库 1 v t k l m a g e d a t a 类读取规则数据文件f 1 8 1 ，其函数： s e t d a t a d i m e n s i o n s ( ) 设置图像分辨率； s e t d a t a s p a c i n g ( ) 设置图像像素间距和序列间距： 2 v t k l m a g e d a t a g e o m e t r y f i l t e r 类过滤器； v t k p o l y d a t a m a p p e r 类映射器； 3 v k t p r o p e r t y 类设置对象属性；v t k l o o k u p t a b l e 、v t k c o l o r t r a n s f e r f u n c t i o n 类设置图像伪彩色查找表： 4 v t k a c t o r 类或v t k v o l u m e 类创建绘制对象； 5 v t k c a m e r a 类实现光线绘制和图形旋转的可视化功能； 6 v t k r e n d e r e r 类实现背景和图形的绘制功能： 7 v t k r e n d e r w i n d o w 类创建一个绘制窗体界面； 8 v t k r e n d e r w i n d o w i n t e r a c t o r 类实现交互操作。 另外在v t k 中，为了有效地管理庞大的类库，按照某一个类在类库中的作 用分成以下几种类型：公共部分( c o m m o n ) 、图形处理部分( g r a p h i c s ) 、图像处 ( i m a g i n g ) 、文件读写部分( i o ) 、绘制部分( r e n d e r i n g ) 、数据转换部分( f i l t e r ) 每 部分被编译成相应的动态连接库。各部分在类库中的层次如图2 4 ： 1 0 v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 2 4 医学数据三维可视化 图2 - 4v t k 类层次图 在目前的影像医疗诊断中，主要是通过观察一组二维切片图像去发现病变 体，并且往往需要借助医生的经验来判定，同时无法立体真实的展示病灶的大小 及形状，这就给治疗带来了困难。科学计算可视化技术作为科学计算可视化的一 个重要分支，将其应用于医学中，就是要在计算机上对这些离散数据进行插值， 将其转变成为具有直观立体效果的图像，利用人类视觉系统特性来展示物体器官 的三维形态，从而提供若干用传统手段无法获得的解剖结构信息，实现对人体器 官、软组织和病变体的分割提取、三维重建和三维显示，即实现了医学体数据的 三维可视化 19 j ，这样就可以辅助医生对病变体及其它感兴趣的区域进行定性甚 至定量的分析，大大提高了医生对病灶区诊断的准确性。 v t k 应用于医学图像领域的三维重建流程 2 0 如图2 5 所示： 图2 - 5 医学三维重建流程( 引白参考文献 2 0 ) v t k 技术在雷达图像可视化中的研究与应用 首先，将获得系n - 维断层图像转化成计算机方便处理的格式。通过二维 滤波，减少图像的噪声影响，提高信噪比和消除图像的尾迹。 然后，采取图像插值方法，对医学关键部位进行各向同性处理，获得体数 据。经过三维滤波后，根据不同组织器官的特点，对它们进行属性设置并分割和 归类，对同一部位的不同图像进行配准和融合，以利于进一步对某感兴趣部位的 操作。 最后，根据不同的三维可视化要求和系统平台的能力，选择不同的方法进 行三维绘制，实现三维重构。 目前，医学图像三维重建的方法主要分