（计算机应用技术专业论文）体视化平台visu的设计与实现.pdf

四川大学硕_ ? 学位论文 体视化平台v i s u 的设计与实现 体视化平台v i s u 的设计与实现 计算机应用技术专业 学生：郑嘉指导老师：游志胜 体视化( v o l u m ev i s u a l i z a t i o n ) 是科学可视化( s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ) 的 一个重要组成部分，是处理和分析从实验获得的、扫描器测得的或者由计算模 型合成的体数据，并对这些体数据进行变换、操作和显示的学科，其目的是让 人们更清楚地认识蕴涵于体数据之中的复杂结构。 体视化系统以体视化算法为核心，对体数据进行有效的分析，其应用遍及 医学、地质学、工业检测、航空航天和科学计算等诸多领域。体视化系统的设 计和开发已经成为可视化应用研究中的热门领域。 目前，体视化系统的设计呈现出两种趋势：一方面，体视化以它能够处理 大规模离散数据的特点被越来越多的各个学科专业人员所接受，但这些专业人 员并不关心系统的体系结构和设计细节，只是将其作为数据显示和分析工具使 用。这样的体视化系统以易使用性为设计目标，根据特定的应用建立固定的可 视化流程，往往只适用于特定的领域。另一方面，不同的学科不同的专业方向 对体视化的要求不尽相同，对于那些具有体视化专业知识的研究人员来说，体 视化系统应该对特定任务具有功能重组的能力。 f 是基于这样的背景，本文提出了一种体视化平台的设计思想。该平台采 用面向对象的万法进行设计，以国际上先进的可视化工具包v t k ( v i s u a l i z a t i o n t o o l k i t ) 为基础，实现了跨平台三维有结构规则标量体数据的可视化；同时平 台还提供了。组具有普适性的功能模块，能够方便地搭建特定的可视化流程， 实现功能重组 本文介绍j v i s u 平台的设计思想，给出了平台的整体结构设计，并分别 四川大学坝j | 学位论立体视化平台v 1 s u 的设计与实现 从体数据的输入输出，2 d 3 d 图象处理，3 d 场景设置，基于表面的绘制( s u r f a c 詹 r e n d e r i n g ) 和直接体绘制( v o l u m er e n d e r i n g ) 几方面入手，详细介绍了体视 化平台v i s u 的设计和基于可视化工具包v t k 的实现过程。接下来文章给出了 平台的功能测试结果。测试结果表明v i s u 平台不仅能对三维体数据进行常规 的可视化和交互操作，还提供了一组易于扩展的功能模块可用以构造特定的可 视化流程，并且平台在w i n d o w 和l i n u x 环境下皆运行正常。 文章的最后总结了体视化平台v i s u 的设计，提出了平台进一步完善的研 究方向，展望了体视化系统设计的未来发展方向。 关键词：体视化：可视化工具包：面绘制：体绘制 i j 婴型查兰丝：! 兰竺堡兰 竺望些! 鱼! ! ! 旦塑垦生兰壅墨 d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o fav o l u m e v i s u a l i z a t i o np l a t f o r m s u m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y g r a d u a t e ：z h e n g h aa d v i s o r ：y o uz h i s h e n g v o l u m ev i s u a l i z a t i o ni st h em a l nb r a n c ho fs c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ，w h i e h p r o c e s s ，t r a n s f e r , o p e r a t ea n dv i s u a l i z e t h ev o l u m ed a t a p r o d u c e df r o mv a r i o u s s c a n n e r s ，e x p e r i m e n to rc o m p u t i n gm o d e l t h eg o a lo f v o l u m ev i s u a l i z a t i o ni st o k n o wt h ec o m p l e xs t r u c t u r eo fv o l u m ed a t a c l e a r l y v o l u m ev i s u a l i z a t i o ns y s t e me r i e c t i v e l ya n a l y z e st h ev o l u m ed a t ab a s e do nt h e a l g o r i t h m so fv i s u a l i z a t i o n ，w h i c h c a nb eu s e di n m e d i c i n e ，g e o l o g y ，i n d u s t r y , a v i g a t i o na n d s c i e n t i f i cc o m p u t i n gf i e l d s t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f v o l u m e v i s u a l i z a t i o ns y s t e mi st h em a i n p a r to f r e s e a r c hi nv i s u a l i z a t i o na p p l i c a t i o n n o w a d a y s ，t h e r ea r em a i n l yt w oi d e a sf o rt h ed e s i g no fv o l u m ev i s u a l i z a t i o n s y s t e m b e c a u s em o s to f t h ev o l u m ev i s u a l i z a t i o ns y s t e mo s e r sd o n tc a r et h ed e t a i l s o f s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h ed e s i g nm e t h o d ，t h e yj t t s tt a k et h es y s t e m 淞a t o o lo f d a t av i s u a l i z a t i o n f r i e n d l ym m i ( m a l l m a c h i n e i n t e r f a c e ) a n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n i st h em a i n d e s i g ng o a lf o rs u c h k i n do f s y s t e m b u tj u s tb e c a u s e t h i sk i n do f s y s t e m o f t e nc o n s t r u c tf i x e dv i s u a l i z a t i o np i p e l i n e ，i to n l yc a nb eu s e di nas p e c i f i cf i e l d f o r p r o f e s s i o n a lr e s e a r c h e r s ，e x t e n d i b i l i t ya n d m o d u l a r i z a t i o no fs y s t e mi sn e c e s s a r y b e c a u s et h e yn e e dt oe a s i l yc o n s t r u c tv a r i o u sv i s u a l i z a t i o np i p e l i n e sa c c o r d i n gt o d i f f e r e n tv i s u a l i z a t i o nr e q u i r e m e n t t h i s p a p e rp r o p o s e d an o v e l d e s i g n i d e a f o rv o l u m e v i s u a l i z a t i o n p l a t f o r m t h i sp l a t f o r m w a sd e s i g n e d u s i n go b j e c t o r i e n t e ds y s t e ma n a l y s i s a n d 朋川大学硕十学位论文体视化平台v i s u 的设计与实现 d e s i g nt e c h n i q u e s ，a n dw a si m p l e m e n t e d b a s e do nt h ea d v a n c e dv i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ( v t k ) ，w h i c hw a sa l s oi n t r o d u c e dh e r e t h i sp l a t f o r mn o to n l yc a nv i s u a l i z e3 d s c a l a rr e g u l a rv o l u m ed a t ab u ta l s op r o v i d eas e to fg e n e t i cm o d u l e st oc o n s t r u c t s p e c i f i cv i s u a l i z a t i o np i p e l i n ef o r v a r i o u sa p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , f i r s t l yt h ei d e ao f p l a t f o r md e s i g nw a si n t r o d u c e d ，t h e nt h eo v e r a l l s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dd a t a f l o wd i a g r a mw e r ei l l u s t r a t e d t h ef u n c t i o no f 2 d 3 d i m a g ep r o c e s s i n g ，3 ds c e n e ，s u r f a c er e n d e r i n g a n dv o l u m e r e n d e r i n g i sr e p r e s e n t e d s e q u e n t l y an u m b e ro ff u n c t i o n a lt e s t sr e s u l t sw e r el i s t e d o u re x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h i s p l a t f o r m i sn o t o n l y a ne f f e c t i v et o o lf o r3 dv o l u m e v i s u a l i z a t i o na n di n t e r a c t i o nw h i c hc a nb er u no nw i n d o w so rl i n u x ，b u ta l s o p r o v i d e s f lv a r i e t yo fe x t e n s i b l e ，u s a b l em o d u l e sf o r s e t t i n gu p av i s u a l i z a t i o n p i p e i i n ef o ro t h e rs p e c i a la p p l i c a t i o n s f i n a l l yt h ee x p e r i e n c e so fp l a t f o r md e s i g nw e r es u n l m a r i z e s ，t h ef u t u r ew o r k f o rt h ep l a t f o r mv t s uw a sa l s op r o p o s e d 。 k e yw o r d s ：v o l u m ev i s u a l i z a t i o n ；v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ( v t k ) ；s u r f a c er e n d e r i n g ； v o l u m e r e n d e r i n g ； 四川大学硕士研究生论文 体视化平台v i s u 的设计与实现 第一章绪论 体视化( v o l u m ev i s u a l i z a t i o n ) 技术已经有三十多年的发展历史了。在这 三十多年中，它从概念、原理、方法到硬件系统等方面得到了全面发展，逐步 形成了一套完整的体系并作为一门独立学科出现。它的出现和发展丰富了可视 化的理论和方法，同时也开辟了更加广阔的应用领域。 体视化系统以体视化算法为核心，对体数据进行有效的分析，其应用遍及 医学、地质学、工业检测、航空航天和科学计算等诸多领域。体视化系统的设 计和开发已经成为可视化应用研究中的热门领域。 1 1 体视化技术 由于体视化涉及的范围太广泛，其应用和研究的发展太迅速，本文不可能 进行全面的论述。对此，本章只简略地介绍体视化的基本原理和概念及发展现 状，为后面各章论述本文的工作提供一个基础。 1 1 1 体视化的意义及应用 当今社会正处在一个信息爆炸的时代，人们常常在茫茫的数据海洋面前显 得不知所措，一时难以抓住隐藏在数据之中的本质、结构和规律。可视化 ( v i s u a l i z a t i o n ) 就是在这种背景下发展起来的，它把数据变换成易于被人接受 和理解的形式图形。借助于交互式的图形、图象系统，人们就能便捷地获 德关于数据的直观、形象、深刻和全面的理解。 可视化的研究涉及到许多不同的领域，如计算机图形学、图象处理、计算 机视觉、信息处理，计算机辅助设计及交互技术等。根据侧重面的不同，可视 化可以分成三个分支，它们分别叫做科学可视化( s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ) 、数 据可视化( d a t a v i s u a l i z a t i o n ) 和信息可视化( i n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n ) 。科学 可视化侧重科学和工程领域数据的可视化问题；数据可视化比科学可视化具有 更广泛的内涵，它不仅包含工程技术领域中数据的可视化，还包含其它领域( 如 经济、商业、金融等) 中数据的可视化；而信息可视化一般是指i n t e r n e t 网上 超文本、目录、文件等抽象信息的可视化。本文研究的是科学可视化中的一个 重要分支体视化( v o l u m ev i s u a l i z a t i o n ) ，它研究体数据的可视化问题。 叫川大学坝【：_ i j f 究生论史体视化平台v i s u 的设计与实现 与传统计算机图形学采用几何模型，即用点、线( 直线或曲线) 和面( 平 面或曲面) 等图形基元来描述形体不同，体数据是对有限空间的一组离散采样， 每个采样点上的采样值可以是一种或多种，代表在该点上的一个或多个物理属 性值，因此体数据是真正的三维实体，它含有物体内部信息。现实世界中的许 多物体、自然现象以及一些计算模型都可以用体数据描述。体视化就是处理和 分析从实验获得的、扫描器测得的或者由计算模型合成的体数据，并对这些体 数据进行变换、操作和显示的学科，其目的是让人们更清楚地认识蕴涵于体数 据之中的复杂结构。 体视化是在吸收计算机图形学、图象处理和计算机视觉等学科有关知识的 基础上发展起来的。图象处理主要研究从图象到图象的变换，其中图象滤波和 变换方法被借用过来，用于滤除体数据中的噪声和校准成像过程带来的畸变。 体数据是对某种物理属性的空间采样，而不同的物质一般具有不同的物理属性， 因此利用图象分割技术可以基于采样值把不同的物质区分开。计算机视觉的任 务是对图象进行解释，即给予每个图象元素一个符号描述，其中分割或分类可 利用于区分体数握中不同种类的物质。计算机图形学研究物体的描述方法以及 从几何描述生成显示图象的方法。体视化继承了计算机图形学的一些显示技术， 如可见性算法和光照模型。体视化同时也正在孕育着计算机图形学的一场革命， 三维体视化以三维基元( 体索) 来描述整个物体，包含物体内外的全部信息： 正在逐渐代替传统图形学来更好她显示三维物体，不仅是物体的表面也包括显 示物体的内部。 目前，关于体视化的研究可谓是如火如荼，它的应用遍及医学、物理学、 化学、地质学、显微摄像学、工业检测、计算机流体力学、有限元分析等学科 和领域中这些应用可以概括如下： 1 ) 医学成像：诊断、手术规划和模拟、整形术、定位、测量和分析等： 2 ) 工业无损探伤：用工业c t 进行机械或铸件的质量检测； 3 ) 生物学：对动物与植物的宏观和微观结构进行显示、分析： 4 ) 计算模型可视化：对复杂的计算模型和一些隐式数学函数进行分析： 5 ) 地质学：用各种探测仪器获得的测量数据重构地层结构和分析地质构成 以帮助地质学家发现矿藏； 四川i 大学硕l 研究生论文体视化平台v i s u 的设计与实现 6 ) 物理和化学研究：对各种实验数据进行处理分析，如进行流体动力学分 析、电子雾分析； 7 ) 造型设计；基于体数据表示模型的计算机辅助设计； 8 ) 气象学：分析气压图、云层图、环流图等三维体数据，进行天气预报； 这里要特别提到的是体视化在医学领域的应用。医学领域是体视化应用最 早也最广泛的领域。体视化就是辅助医生对病变体和周围组织进行分析和显示 的有效工具，它极大地提高了医疗诊断的准确性和科学性。体视化不仅提高了 医疗诊断水平，同时还在手术规划与模拟、解剖学教育和医学研究中发挥着重 要的作用。 1 12 体视化的基本概念 体数据( v o l u m ed a t a ) 可以看成是在有限空间中对一种或者多种物理属性 的一组离散采样，它可以表示成：，( x ) ，x r ”， x 是1 3 维空间的采样点( s a m p l e p o i n t ) 的集合，因此也有人把体数据称为数据集( d a t a s e t ) 。体数据既有来自 科学试验的，也有来自生产实践的，其格式与特征五花a i 1 ，可以说是包罗万 象。其中，最常见的是通过各种科学仪器扫描而得到的这些科学仪器包括核 磁共振，c t 等。工程应用当中，经常采用有限元分析和计算流体动力学的方 法产生各种模拟数据，而在气象、地质勘探等领域则大都通过观测获得数据。 体数据可以按不同的标准分成不同的种类： 按采样空间的维数分 当空间维数为三g ：3 ) 时，则称f ( x ) 为三维体数据( 3 d v o l u m ed a t a ) ；而 当月 3 时，则称厂( x ) 为高维体数据( h i g h d i m e n s i o n a lv o l u m e d a t a ) 。 按采样值的个数分 当采样值是单值时，得到的是标量体数据；当采样值是多值时。得到的是 向量体数据。例如，c t 设备产生的是标量体数据，采样值反映物质对x 射线 的吸收程度。而磁共振设备产生的是向量体数据，每个采样点上有三个采样值， 它们分别代表质子密度、t 1 和t 2 值。 v t l 川人学坝1 j 研究生论文体视化平台v i s u 的设计与实现 - 按采样点之问的拓扑结构分 体数据可以分为有结构的( s t r u c t u r e d ) 与无结构的( u n s t r u c t u r e d ) 。所谓 有结构的，就是采样点分布于直线型正交网格交点上，且这些网格点沿各轴向 的间距是相等的，采样点之间在各维上存在确定而统一的邻接关系。在三维空 间，每一个网格即为一个小立方体，称为体素( v o x e l ) 或单元( c e l l ) 。对于无 结构的体数据，采样点之间则不存在这样统一的邻接关系，不同的三角剖分算 法将产生不同的邻接关系。 对于有结构的体数据，按其采样点之间的连接关系可以进一步划分为： 1 ) 笛卡尔型的( c a r t e s i a n ) ：建立在笛卡尔网格上的体数据，每一个元素是 大小相同，按坐标轴方向排列的正立方块。结点坐标可表示为( i ，j ，k ) ，这里i ， i ，k 为结点的序号，下同。 2 ) 规则的( r e g u l a r ) ：所有元素是大小相等按坐标轴方向排列的长方块。 结点的坐标可表示为( i + d x ，j + d y , ”d z ) ，其中d x ，d y ，d z 为常数。 3 ) 整齐的( r e c t i l i n e a r ) ：沿着每一坐标轴，网格点的间距不相等。元素仍 是沿坐标轴排列的长方块。结点坐标可表示为( x 【i 】，y 【j 】，z 【k 】) ，其中x 凸，y 【】和 z 口为数组。 4 ) 曲线型的( c u r v i l i n e a r ) ：每一个元素是逻辑上的六面体，相对的面并不 要求平行，且每个面的四个顶点可以不共面。整个数据场是从笛卡尔网格到三 维空间的一个映射。典型的有三维有限元网格，流体动力学网格。结点坐标可 表示为( x i ，j ，k 】，y i ，j ，k 】，z i ，j ，k 】) 。 而对于无结构的体数据。按其采样点之间的几何关系可以进一步分为规则 的( r e g u l a r ) 、非规则的( i r r e g u l a r ) 、混合型的( h y b r i d ) 和弯曲型的( c u r v e d ) 四种类型。如果采样空间以某种统一方式进行剖分，由此形成的采样点连接网 格就是无结构规则的。而对同一组采样点采用多种剖分方式，则得到的是非规 则的网格。如果一个体数据的一部分是规则的，而另一部分是非规则的，那么 它就是混合型的。以上这三种类型的网格都是直线网格，只有弯曲型体数据具 有曲线网格。图1 所示的是按以上原则即拓扑和几何结构分类得到的八种体数 据类型。 四川大学硕一l 研究生论文 体视化平台v i s u 的设计与实现 笛卡尔型规则的整齐的 曲线的 q 规则的非规则的混台的弯曲的 图1 体数据类型 这里要特别提到的是有结构规则体数据( s t r u c t u r e d r e g u l a r v o l u m e d a t a ) 可以用n 维数组( 外加表示各轴向网格点间距的n 个参数) 来表示，所以它 也称作1 1 维离散图象( 简称n 维图象) 。本文中主要研究和讨论的就是三维有结 构规则标量体数掘( 简称三维体数据) 的可视化问题。三维体数据可以用三维 数组表示成下面的形式 fi = 0 ，l ，d 1 1 ，( f ，j ，k ) ，( a x ，y ，z ) ) ， ，= 0 ，1 ，d2 一l lk = 0 ，l ，d 一1 其中，缸，缈，z 分别是网格点在三个轴向上的间距，d ，d 2 ，d ，是体数据的 维数，厂( f ，j ，k ) 称为三维体数据在( f ，j ，k ) 上的灰度( g r e y - l e v e l ) 或密度 ( i m e n s i t y ) 。 选择三维体数据作为本文设计的体视化平台的入口不仅是因为从c t 等断 层扫描仪器产生的一系列断层图象以及从连续的计算模型或几何模型经过体素 化过程获得的体数据都属于这一范畴，还因为三维体数据的可视化流程中所使 用的体视化方法大都具有一定的普适性，可以直接或稍加改动就应用到其他领 域体数据的分析和显示中。 四川大学硕士研究生论文 体视化平台v i s u 的设计与实现 1 1 3 体视化的总体框架 图2 是三维体视化的主要过程。体数据可以从一系列二维投影数据经过图 象重建( i m a g er e c o n s t r u c t i o n ) 过程而生成，c t 等断层扫描设备就是完成图象 重建任务，产生一系列断层图象。体数据的另一个来源是连续的计算模型或几 何模型，它们需要经过体素化( v o x e l i z a t i o n ) 过程才能转化为体数据。与体素 化相反的过程是物体三维重建( 3 dr e c o n s t r u c t i o n ) ，它从体数据中抽取出物体 的表面。可以认为，体素化和物体重建是实现了离散的体数据表示与连续的几 何表示之间相互转换的两个互逆过程，它们是将体视化和传统计算机图形学连 接起来的纽带。 图2 体视化的主要过程 对体数据进行显示( 更准确地说，是对体数据中蕴涵的物体结构进行显示) 基本有两种方法，一种是先进行物体三维重建，然后利用计算机图形学的显示 技术对重建的表面进行显示，这种方法称为基于表面的显示( s u r f a c e - b a s e d r e n d e r i n g ) 方法。另一种方法是直接对体数据进行显示，称之为基于体素的显 示( v o x e l b a s e dr e n d e r i n g ) 或直接体视( v o l u m er e n d e r i n g ) 方法。无论采用 哪种显示方法，它们最终都将生成一个显示图象( r e n d e r e di m a g e ) 。当然，不 同的显示方法生成的显示图象的效果是不一样的。显示图象以二维阵列形式存 在，每个象素包含一个颜色值( 对于灰度图象是灰度值；对于彩色图象，它包 6 四川_ 人学碳：i + 研究生论文体视化平台v i s u 的设计与实现 括三个值r g b 或h s v ) 。有时称这种具有三维立体感的显示图象是三维图象 ( 3 d i m a g e ) 其目的是要与二维断层图象区分开来。 一组二维切片图象 一组增强的二维切片图象 三维体数据 变换后的三维体数据 分类的三维体数据 物体的几何描述 0 图3 三维体视化的总体框架 显示图象 7 到川大学颂= i ：研究生论文 体视化平台v i s u 的设计与实现 从图三可以看到，三维体视化的第一个步骤是图象获取。通过图象获取设 备( c t 、磁共振或者超声扫描) 对真实物体进行扫描而得到一组二维断层图象， 也可以是对计算模型的离散采样以构成二维断层图象。 一般来说，这些断层图象都含有噪声，需要进行滤波以提高信噪比。当这 组二维图象之间的间距相对于图象内象素之间的间距很大时，或者断层图象之 间的间距不均匀时，就需要在断层图象之间构造新的二维图象，这个过程叫做 图象插值( i m a g ei n t e r p o l a t i o n ) 。经过图象插值，就得到了一个各向同性的三维 体数据。为了进一步提高信噪比，有时还需要进行一次三维滤波。三维体数据 也可以通过几何模型进行体素化来获得，体素化是体视化的重要研究课题之一。 正如前面强调过的，体视化并不是把产生显示图象作为最终目标。人( 操 作者) 主动参与可视化过程，根据需要对体数据所蕴涵的不同对象进行选择， 并施加诸如缩放、平移、旋转、删除、改变其物理属性( 颜色、透明度、反射 系数等) 以及剖切等操作，目的是使人能够更好地理解和掌握对象的结构。对 体数据进行操作实质上是对其进行相应变换。所以，人参与体视化过程的行为 是“在体数据中漫游和勘探”。 体数据的分类( c l a s s i f i c a t i o n ) 是一个关键步骤，它的任务是赋予每个体素 一个标号以标明它所属的类别。在这里分类和分割是两个概念，分割的任务是 把图象分成不同的区域，每个区域代表属性相对均匀的同一物质，但分割的任 务不包括确定属性。所以，分类比分割多了一个解释( i n t e r p r e t a t i o n ) 过程。但 是，如果把分割得到的每一个独立的区域都给一个唯一的标号，尽管这种标号 不含任何物理意义，也可以认为得到一个属性图象，在这种意义上，分类和分 割是一致的。经过图象分类，除了原始三维灰度图象之外，我们还获得了三维 属性图象。 体数据的滤波、校准、插值、分割或分类构成了体数据的预处理过程，它 是为后续的体视化过程做了一些必要的数据整理和准备工作。实现体数据可视 化一般有两个途径，一个是进行物体三维重建，然后用传统计算机图形学的显 示算法对重建出的表面进行显示。另一条途径是直接对体数据进行显示，所以 也叫做直接体视。直接体视完全不同于传统计算机图形学的思想。它不需要构 造任何中删表示就能完成显示，它是体视化中最具特色的一个技术。 p t l 川1 人学倾i 珂究生论义 体视化平台v i s u 的设计与实现 1 2 可视化开发工具v t k 随着可视化技术在各个学科领域的广泛应用，对于广大从事可视化研究领 域的科研人员来说，迫切需要一种功能强大的可视化开发工具来给我们的研究 工作提供强有力的支持。 v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) 是w i l ts c h r o e d e r , k e nm a r t i n , b i l ll o r e m s e n 利 用面向对象的建模技术设计和实现的的基于w i n d o w s 和u n i x 环境的源代码开 放的三维可视化类库。v t k 构建在c + + 语言之上，包括三维计算机图形学，图 象处理和可视化三大部分的功能，其将可视化开发过程中的一些细节屏蔽起来， 以类库的形式给从事可视化应用开发的研究者提供支持，使我们可以方便、快 捷的开发出高性能的可视化应用程序。 1 2 ，lv t k 的孝几带| j v t k 是一个用于可视化应用程序构造与运行的支撵环境。它是在三维函数 库o p e n g l 的基础上，采用面向对象的设计方法发展起来的。它将我们在可视 化开发过程中经常遇到的细节屏蔽起来，并将一些常用的算法封装起来。例如， v t k 将我们在表面重建中比较常见的m a r c h i n gc u b e s 算法封装起来，以类的形 式给我们以支持，这样我们在对三维规则点阵数据进行表面重建时，就不必再 重复编写m a r c h i n gc u b e s 算法的代码，而可直接使用v t k 中已经提供的类。 v t k 采用的是管道机制，几乎可以对任何类型的数据迸行处理并提供了 许多相应的类对各种类型的数据进行转换或处理。根据所要处理的原始数据类 型的不同，和所使用的算法以及要达到的结果，我们可以设计和建立其相应的 可视化流程。v t k 中的类和算法摸块都是可以扩充的，用户可以用自己开发的 类或模块替换或扩充原有的类以适应特定的应用需求，所以v n 0 是一个开放 的系统，几乎可以根据需要扩展到任何领域。 1 2 2v t k 的特点 v t k 是给从事可视化应用程序开发工作的研究人员提供直接的技术支持 的一个强大的可视化开发工具，它以用户使用的方便性和灵活性为主要原则， 具有如下特点： 四川人学坝j 二 i j l _ 究生论立体视化平台v i s u 的设计与实现 1 ) 具有强大的三维图形功能。v t k 即支持基于体素的体绘制，又保留了 传统的面绘制，从而再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。 2 ) v t k 的体系结构使其具有非常好的流( s t r e a m i n g ) 和高速缓存( c a c h i n g ) 的能力，在处理大量的数据时不必考虑内存资源的限制。 3 ) v t k 能够更好地支持基于网络的工具，比如j a v a 和v r m l 。随着w e b 和i n t e r n e t 技术的发展，v t k 有着很好的发展前景。 4 ) 能够支持多种着色，如o p e n g l 等； 5 ) v t k 具有设备无关性，使其代码具有良好的可移植性。 6 ) v t k 中定义了学多宏，这些宏极大的简化了编程工作并且加强了一致 的对象行为。 7 ) v t k 具有更丰富的数据类型，支持对多种数据类型进行处理。 8 ) v t k 即可以工作于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， 极大地方便了用户。 9 ) v t k 的源代码是开放的，全世界的图形工作者在不断地将自己的工作 成果共享其中，并接受使用者的检验，这种开放性的资源共享方式使得v t k 能够得到不断的发展和完善。 目前与v t k 类似的可视化工具还有a v $ 8 9 和h a b e r 9 1 。a v $ 8 9 和h a b e r 9 l 都采用的是抽象的数据类型，这虽然使它们有更广泛的数据表达能力和更大的 灵活性，但这也使得它们更容易导致计算机代码和接口的混乱，而且也会使得 使用者由于误解而造成误操作。v t k 采用的是更具体的数据模型，一方面是为 了使用户更容易掌握和使用，另一方面是因为v t k 的数据模型已经足够支持 现有的可视化实践。 自从1 9 9 3 年v t k 发表以来，其不断地得到完善和改进，被世界上众多的 大学、研究机构、公司用来进行教学、研究以及可视化系统的开发。其客户已 经发展到4 3 个国家，主要包括石油& 天然气公司，医学图象，政府研究部门， 计算机辅助设计制造，空间技术，工程技术及教育部门，可以看出v t k 是经 过时间检验的，稳定的，灵活的可视化开发工具 p u 川人学坝i 。研究生论文 体视化平台v i s u 的设计与实现 1 3 作者的主要工作 本文的工作是在中法信息、自动化与应用数学联合实验室l i a m a 支持下 完成的，其主要内容是在充分利用现有资源和工具的基础上，研究即考虑特定 应用背景又具有良好扩展重组功能的体视化平台的设计与实现。主要的工作包 括： 1 ) 现有体视化工具的收集、分类和分析：作者收集和分析了3 7 个体视化 工具并撰写完成了相应的分析文档，其中对各种工具的特性、出处及商业信息 有详细的描述，对于其中1 4 项免费软件和可以得到的软件试用版本进行了安 装、试用和分析，对世界上先进的体视化工具的结构和功能设计有了较为全面、 系统的总结与吸收，对于后继从事体视化工具研究的工作者有一定的参考价值。 2 ) 在对l i a m a 实验室现有开发成果c 2 0 0 0 系统进行基于软件复用和运用 软件工程知识的系统分析后给出相应的技术文档，以便在后续的开发过程中充 分复用已有的资源。此技术文档严格按照软件工程的设计文档格式撰写，对于 模块的分析有了较为清晰的描述，整个文档用英文撰写，共有4 6 页。 3 ) 提出了体视化平台v i s u 的设计基本框架，并基于v t k 实现其常规的 体视化功能，为后续特定功能的开发提供了茛好的平台。本文中提出的体视化 平台v i s u 采用面向对象的方法进行设计，以国际上先进的可视化工具包v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) 为基础，实现了对三维有结构规则标量体数据的可视化： 同时平台还提供了一组具有普适性的功能模块，能够方便地搭建特定的可视化 流程，实现功能重组。实现的主要功能如下： - 数据输入，输出功能 v i s u 平台能够处理和输出多种格式的数据，如b m p 、j p g 、r a w 、t i f f 格式的2 d 图象；由这些格式的图象构成的一组二维断层图象，医学d i c o m 图 象；r a w 格式和v t k 格式的三维体数据。平台还提供将等值面提取的结果面 片集按照p l y 格式输出和将三维场景以v r m l 文件格式输出的功能。 - 2 d 图象处理功能 平台不仅能显示三维体图象，还能对体数据进行任意角度的剖切，显示正 交截面图象，斜截面图象。同时提供2 d 图象处理功能，如滤波、梯度计算、 生成灰度直方图等。 四川大学坝j 。研究生论文 体视化平台v i s u 的设计与实现 3 d 体处理功能 平台x , l3 d 体具有丰富的控制方式，除了平移、旋转、缩放及标注外，还 能对3 d 体进行形式多样的切割以及v o i 区域的选取。提供三维体数据的滤波、 重采样等功能。在三维重建方面，平台提供移动立方体法( m a r c h i n gc u b e s ) 和分解立方体法( d i v i d i n gc u b e s ) 两种等值面提取方法，支持多等值面提取， 并提供诸如面片削减，数据平滑等面片后处理功能。 - 3 d 绘制控制 平台对3 d 视图的绘制也能够进行灵活而丰富的控制，主要体现在对材质 特性的编辑、传递函数的自定义、光源位置的设置等，并能够选择进行不同的 绘制( 体绘制和面绘制) 。除了环境光照效应外，平台还允许灵活的调整光源位 置和光照强度来控制绘制输出的光照效果，并且支持多光源的设置。在三维体 绘制中，平台采用象空间的光线跟踪( r a yc a s t i n g ) 算法，使用传递函数( t r a n s f e r f u n c t i o n ) 实现原始采样数据到相应物理属性的映射。 本文在后续章节中将对v i s u 平台的设计思想和结构以及功能实现进行 详细的论述，并给出实验结果。最后，在结束语中总结了v i s u 平台的设计并 对体视化系统设汁的未来发展方向做一展望。 第二章体视化平台v i s u 的设计背景与意义 体视化平台v i s u 的设计和实现得到了中法信息、自动化与应用数学联合 实验室l l a m a 基金项目( l l a m a0 1 0 8 ) 的资助。本文中所提出的体视化平台 v i s u 的设计思想是在分析目前体视化系统的发展现状并结合现有资源以及项 目的应用需求提出的。 21 体视化系统的发展现状 科学可视化已经走入各个领域，不同学科的研究人员和工程技术人员都不 同程度地使用可视化技术来显示和分析他们所遇到的大量数据( 计算产生的模 拟数据或仪器测出的采样数据) 。目前，国外正在积极开展可视化系统的开发和 应用工作，出现了一批优秀的可视化系统，如a v s ，v o l v i s ，v o l v i e w 等。我 国对可视化的研究也十分重视，许多大学和研究机构都在研究可视化技术，设 期川大学碗 。卅f 究生论文 体视化平台v i s u 的设计与实现 计了一些可视化系统，如g i v e 、v i s u a l i z e r 。 a v s 系统是美国a d v a n c e dv i s u a ls y s t e m si n c 公司推出的一个通用的体数 据可视化系统，其主要特点是提供多种直接体视工具。a v s 主要运行在大型机 和工作站上，如s g i 、i b m 和t i p 等机型。作为一个商业化软件系统，a v s 的 功能和性能在不断地扩充和改善。 v o l v i s 是美国纽约州立大学以a r i ee k a u f i - n a n 教授为首的研究小组设计的 体数据可视化系统。v o l v i s 的两个显著特点是：1 ) 建立了一个可扩展的抽象模 型，使系统独立于窗口系统、输入设备、算法和数据类型：2 ) 提供一组运行特 性不同的显示算法供用户选择。 v o l v i e w 是基于v n 开发的商用系统，其支持多种绘制方法，以及动态编 辑传递函数( t r a n s f e rf u n c t i o n ) 、光照、等值面以及切分平面等。 g i v e ( g e n e r a li n t e r a c t i v ev i 【s u a l i z a t i o ne n v i r e o n m e n t ) 是浙江大学研制的科 学可视化软件系统。 v i s u a l i z e r 是中科院自动化所国家模式识别实验室医学图象处理分析研究 小组设计丌发的一个可视化系统，它主要是为了实现对医学图象的处理、分析 和可视化而设计的综合性系统。该系统的功能比较完整，而其最具特点的是引 入了基于斜体素的体视、等值面直接显示、弹性匹配和基于匹配的图象插值以 及欧式距离变换等方法。 2 2 体视化平台v i s t a 的设计背景与意义 总数免费软件免费软件+ 源代码商业软件测试版本 数鼙3 7 1 462 36 下载& 测试1 4 1 15 33 列表o s i r i s ，i m o d ，v t k a n a l r z e v o l v i e w , v o l v i s ，e t d i p se t d i p s ，v o l v i s ， a m i r a a m i r a , b r a i n v o l p a c k ，u s 3 d v o y a g e r 表1 ：现有体视化工具总结列表 表l 总结了作者在现有体视化工具的收集和分析方面的工作。通过对现有 凹川大学颂d ：研究生论立体视化平台v 1 s u 的设计与实现 可视化系统的统计和分析，不难发现它们大都是商用软件且以大型工作站开发 为主：而且在开发中以功能的大而全也即以通用的可视化系统为指导思想来进 行系统的设计。尽管上述系统大都能实现体数据的可视化，而且他们中的一些 就是以体数据的可视化为主导目的进行设计的，但是由于以医学应用为导向的 功能设计，使得其很难真正抓住体视化应用中的基础共性而不能适应特定的例 如生物应用，环境模拟等应用的需求。 作为科学可视化的一个重要组成部分，针对体视化自身的特点设计和开发 即适应常规应用又方便扩展的体视化系统已成为目前体视化研究中的重要课 题。设计与实现体视化平台