（计算机软件与理论专业论文）人体解剖图像集的可视化.pdf

瘟銮适盔堂磁堂垃诠童虫塞埴望中文摘要医学成像三维可视化是现代医学的一个重要组成部分，现已有大量文献对3 d标量数据场( 如：c t 、m r i 等序列图像组成的标量体数据) 的三维可视化算法进行了研究。但是较少涉及直接从人体解剖图像集的重建文章。此外，由于c t 和m r i 受到断面精度和灰色成像的限制，后续向“虚拟人”发展的基础框架则以切片图像数据集为主。本文主要研究直接从人体解剖图像集的重建。本文的主要特色包括采用r g b 颜色空间进行可视化工作。颜色空间的选择最重要的是要好用、易用，采用r g b 颜色空间不仅省去了颜色转换函数的设计、颜色空间的转换等工作量，而且可以准确恢复原标本的颜色信息，体现不同组织间的连接关系，有助于人们对自身结构的理解。此外，本文利用r g b 颜色信息提取目标物体。“可视人”男性解剖切片在冰冻过程中产生的气泡和明胶不均匀引起的杂点很多，出现不均匀现象，如果直接进行可视化工作，则会影响最终的可视化结果。所以本文利用r ( 红) 、g ( 绿) 、b( 蓝) 三色本身的性质将背景去除，方法简单，计算量小，效果明显。同时，本文设计了独特的阻光度转换函数，一个好的阻光度转换函数能够揭示出体数据的重要结构，而不被一些次要的区域所阻挡。本文采用的阻光度转换函数，以一种边缘检测的算法为基础，将其从二维转换到三维，并求取最大值来作为转换函数中的梯度值，这种方法可以更清晰的揭示物体内部组织间的纹理信息。本文研究为虚拟物理人、虚拟生物人的建立做好日f 期准备，并可方便的用于教学软件的开发工作，为医学院饺提供了生动活泼的教学工具。关键词；可视化；阻光度转换函数：颜色转换函数；纹理映射e 立銮遒筮望亟堂位硷塞壁s i 垦!a b s t r a c tt h e3 dv i s u a l i z a t i o no fm e d i c a li m a g e si sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h em o d e mm e d i c a ls c i e n c e a tp r e s e n t ，t h e r eh a v ea l r e a d yh a dag r e a td e a lo fa r t i c l e st od e s c r i b et h e3 dv i s u a l i z a t i o no fs c a l a rd a t a s u c ha st h ec t ，m r ii m a g e se t c b u tt h e r ea r el e s sa r t i c l e sa b o u t3 dv i s u a l i z a t i o no fa n a t o m yi m a g e s i na d d i t i o n ，b e c a u s et h er e s t r i c t i o no fa c c u r a c ya n dg r a yo ft h ec ta n dt h em r ，t h ef o l l o w i n gd e v e l o p m e n tt o w a r dt h ev i r t u a lh u m a nw i l lb eb a s e do nt h ec o l o r f u la n a t o m yi m a g e s t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e dt h ev i s u a l i z a t i o no f a n a t o m yi m a g e s t h em a i ns p e c i a lf e a t u r e so ft h i sa r t i c l ei n c l u d e st h eu s eo ft h er g bc o l o rs p a c et oc a r r yo nt h ev i s u a l i z a t i o n t h em o s ti m p o r t a n ta s p e c ta b o u tt h ec h o i c eo f t h ec o l o rs p a c ei st h a ti ti sg o o dt ou s ea n dn s e se a s i l y t h eu s eo fr g bc o l o rs p a c en o to n l ys a v e dt h ed e s i g no f t h ec o l o rt r a n s f e rf u n c t i o na n dt h ew o r ko f c o n v e r s i o n ，b u ta l s oi tc a nd e s c r i b et h eo r i g i n a lc o l o ri n f o r m a t i o na n dt h er e l a t i o no fd i f f e r e n tt i s s u e t h i sc a nh e l pp e o p l et ou n d e r s t a n dt h es t r u c t u r eo f t h e m s e l v e s i na d d i t i o n t h i sa r t i c l em a d eu s eo ft h er g bc o l o ri n f o r m a t i o nt ow i t h d r a wt h et a r g e to b j e c t t h ei m a g e so f t h em a l ev i s i b l eh u m a ni n c l u d e db u b b l ea n do t h e rd o t sd u r i n gt h ep e r i o do f f r e e z i n g 1 f d i r e c t l yu s e dt h eo r i g i n a li m a g e s ，i tw i l li n f l u e n c et h er e s u l t s ow em a d eu s eo f t h ep r o p e r t yt h er e d ，g r e e n ，b l u et oc l e a nb a c k g r o u n d t h i sm e t h o di ss i m p l e ，t h ec a l c u l a t i o ni ss m a l la n dt h er e s u l ti sg o o d i nt h ee n d t h i sa r t i c l ed e s i g n e ds p e c i a lo p a c i t yt r a n s f e rf u n c t i o n ag o o do p a c i t yt r a n s f e rf u n c t i o nc a nv i s u a l i z et h ei m p o r t a n ts t r u c t u r eo f h u m a n ，a n dn o tb eb l o c k e do f f o u ro p a c i t yt r a n s f e rf u n c t i o nm a d eu s eo f am e t h o do f e d g ed e t e c t i o n ，c o n v e r t e di tf r o m2 dt o3 d ，a n dt o o kt h eb i g g e s tv a l u ea sg r a d s t h i sm e t h o dc a nv i s u a l i z et h ei n f o r m m i o nm o r ec l e a r l y t h i ss t u d yp r e p a r e df o rt h ep r o j e c to ft h ev i r t u a lp h y s i c a lh u m a na n dt h ev i r t u a ll i v i n gh u m a n i ta l s oc a nb eu s e df o rt h ed e v e l o p m e n to ft h et e a c h i n gs o f t w a r ea n dp r o v i d ev i v i dt e a c h i n gt o o lf o rt h em e d i c a lc o l l e g e k e y w o r d s ：v i s u a l i z a t i o n ；o p a c i t yt r a n s f e rf u n c t i o n ；c o l o rt r a n s f e rf u n c t i o n ；t e x t u r em a p p i n gi v致谢本论文是在胡秉谊导师的悉心指导下完成的。在我整个研究生学习期间，从胡老师那里不仅学到了专业知识，而且学到了做人的道理，这将使我终生受益。胡老师渊博的学识、开阔敏锐的思维、不断创新的精神、严谨求实的治学态度、高尚的个人情操给我留下了深刻的印象。从他这里，我不仅深深体会到了作为一个科研人员的严谨态度、踏实的作风，也学到了对科学事业的献身精神以及平易近人、为人着想的生活态度。在我的学习、生活和工作中，胡老师所给予我的无微不至的关怀、指导和帮助，都将使我终生铭记。在此，谨向胡老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!此外，在论文的撰写过程中，我还得到了实验室其他同学的支持和帮助。其中，感谢我的师姐唐颖军、陈琼等，为我提供了论文的范本，他们的勤学上进的精神感染了我。另外，感谢我的实验室的全体师妹、师弟们，她( 他) 们帮助我解决生活中的琐屑事情，为我营造了一个安静而和谐的工作和学习环境，使我能专注于毕业论文的工作。感谢我所有的老师，他们渊博的知识、严谨的学风将会对我的未来产生深远的影响。我还要感谢我的父母和姐弟，虽然他们身在远方的家中，却一直是我对事业追求的最有力的支持者，非常感谢他们对我经济及生活上的关怀和照顾，精神上的莫大鼓励，感谢他们永远地支持、鼓励我，宽容我的缺点，分享我的成功。他们殷切的希望和鼓励是我不断取得进步的源泉和动力。最后，感谢所有关心和支持我的朋友。i i北京交通大学硕士学位论文第一章绪论1 ，1 可视化的定义第一章绪论科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是发达国家2 0 世纪8 0年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。1 9 8 7 年2 月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议。会议认为，“将图形和图像技术应用于科学计算是一个全新的领域”，“科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化情况，而这些都需要借助于计算机图形学及图像处理技术”。会议将这一涉及到多个学科的领域定名为“v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ”，简称为“s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ”。科学计算可视化指的是应用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。实际上，随着技术的发展，科学计算可视化的含义已经大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程计算数据的可视化如有限元分析的结果等，同时也包括测量数据的可视化如用于医学领域的计算机断层扫描( c t ) 数据及核磁共振( m r i ) 数据的可视化。可视化具有传统的计算机图形学无可比拟的优越性，展示出旺盛的生命力。科学计算可视化是计算机图形学的最新发展方向之一。计算机图形学早期的成就主要是将处理对象的线框图绘制出来，像建筑物、机械零件等都是通过将对象的线框图按照某种投射方式投射到显示屏幕上来表现的。由于有些线段被前面的物体遮档住，又提出了线消隐技术。随着计算机图形学理论的发展以及计算机设备的更新，人们提出了生成更具真实感图像的各种技术，如明暗技术、纹理技术、透明和阴影以及各种消隐技术等，提出了z - b u f f e r 消隐算法、光线追踪算法、辐射度方法等著名算法。这些算法可以很好地表现物体之间的相互影响与各种光学效果。但是，以往计算机图形学所处理的对象一般为几何对象，如曲线、曲面等，其表现重点主要集中在表现对象的表面在某种环境下的光学效果。除了计算机图形学，科学计算可视化还融合了计算机视觉、图像处理、数据库技术、面向对象技术、工作站技术、网络技术、计算机辅助设计与交互技术、视频技术等多个计算机领域。由于科学计算可视化可以将计算结果用图形或图像形象直观地显示出来，从而使许多抽象的、难于理解的原理和规律变得容易理解了，许多冗繁而枯燥的数据变得生动有趣了。因此，科学计算可视化的实现将极大地促进教育手段的现代化，有利于教育质量的提高。北京交通大学硕士学位论文第一章绪论1 2 医学图像可视化的意义现代医学离不开医学图像信息的支持。科学计算可视化在医学科研、教学以及临床诊断中均有极重要的作用。现代医学发展迫切需要加强对医学图像的智能化处理和可视化技术的研究。八十年代，在医学领域，各种影像技术不断出现，如磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r j ) 、计算机断层扫描( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，c t ) 、超声( u l t r a s o n o g r a p h y ，u s ) 、正电子辐射( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 和单光子辐射断层摄影( s i n g l ep h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，s p e c t ) 等，其它技术也逐渐成熟，医学影像技术已广泛应用于各种疾病的诊断中。然而m m ，c t 等医疗设备仅能提供人体内部的二维断层图像，在医疗诊断中，观察患者的一组二维断层图像是医生诊断病情的常规方式，医生们只能凭经验由这些图像去估计病灶的大小和形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系。但是要准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及与周围生物组织之间的空问关系，仅凭医生“在头脑中进行重建”是十分困难的。医学信息可视化作为科学可视化的一个分支，它将计算机图形学和图像处理技术应用于医学领域，辅助医生对病变体和周围组织进行分析和显示，极大地提高了医疗诊断的准确性和科学性，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。长期以来，人类就有认识自身内部结构的愿望。直到7 0 年代c t 和m r i 技术的出现，才使获取人体内部数据的愿望成为现实。而科学计算可视化技术则可以将一系列的二维c t 图像或m r l 图像重构成三维人体结构，使人类认识自身的内部结构成为可能。美国是世界上最早开始从事虚拟人研究的国家。随着美国虚拟人数据集的在世界范围内的广泛发布，相关研究和应用一直十分活跃。目前，德、英、法，韩国、日本、中国等国已经开始“数字化虚拟人体”研究，侧重点各有不同。英国侧重研究虚拟人模拟药物在人体中的作用机制。这样做一方面可缩短从实验室到动物到人再到l | 缶床应用的时问，另一方面还可取代人体药物初测，以避免药物对人体造成可能性损害。在欧洲，法国医学界宣布的虚拟人由超声波、c t m r i等获得的图像构成；英国p a 咨询公司和美国菲西奥姆科学公司近期宣布开始联合研制计算机化的“虚拟人体”系统，利用虚拟人体代替真正人体进行药物的初期测试。“韩国可视人计划”的构想开始于2 0 0 0 年。直尹j 2 0 0 1 年1 月，韩国正式开始了“可视化韩国人计划”研究项目，这是继美国可视人计划以来的世界上第二例尝试，也是第一例具有东方人人种特征的人体数据采集的努力。2 0 0 1 年日本启动了为期1 0 年的人体测量国家数据库建造计划。这项计划的目的是用计算机来生成北京交通大学硕士学位论文第一章绪论汽车座椅、服装设计等必须的人体模型。第一个真正意义上的中国人体全数字化可视人的诞生为中国乃至整个东方人群提供了目前比较系统，完整和细致的人体结构的基本数据和图像资料，也使中国成为第三个拥有本国可视化人体数据集的国家。虚拟人研究是人体生物学和信息科学的高度融合，同时包含了当前最先进的多学科科学技术，是一个跨学科跨领域的崭新高科技领域。其中，可视人体项目中推出的庞大的超高分辨率数据集在人类医学史上属首创，为计算机图像处理和虚拟世界进入现代医学领域歼启了大门。利用这个数据集，便可以创立虚拟解剖学、横断面解剖学、纵剖面解剖学、斜剖面解剖学以及一系列医学临床、教学和研究的虚拟模拟，这是信息技术和医学结合的重大创新工程。1 3 三维可视化方法进行三维重建的主要任务就是实现三维可视化显示，三维可视化显示关心的是在显示设备上如何绘制出具有真实感的人体组织结构。从8 0 年代开始，就已经有许多可视化的体绘制方法被提出并成功的应用于医学领域了。目前图像三维重建的方法主要有两大类：一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体三维结构的，称为基于表面的三维面绘制方法( s u r f a c ef i t t i n g ) ，又称为间接绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法( d i r e c tv o l u m er e n d e r i n g ) ，又称为直接绘制方法。其中，表面绘制方法是基于二维图像边缘或轮廓线提取，并借助传统图形学技术及硬件实现的，而体绘制方法则是直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。1 3 1 面绘制方法由于表面可以简洁地反映复杂物体的三维结构，因此在医学图像中边界面轮廓是用于描述器官的最重要特征。表面绘制是一种普遍应用的三维显示技术，其首先是从体数据中抽取一系列相关表面，并用多边形拟合近似后，再通过传统的图形学算法显示出来。而表面的提取通常是通过门限设定，必要时结合手工描制完成的。表面绘制方法的处理过程主要包括下面三部分：( 1 ) 体数据中待显示物体表面的分割：北京交通大学硕士学位论文第一章绪论( 2 ) 通过几何单元内插形成物体表面；( 3 ) 通过照明、浓淡处理、纹理映射等图形学算法来显示有真实感的图像，并突出特定信息。表面绘制有多种算法，但从重建过程处理的基本元素的级别上来分，可以把这些方法分成两大类：体素级重建方法和切片级重建方法。其具体形式有两种：边界轮廓线表示和表面曲面表示州。基于边界轮廓线表示的方法的示意图如图1 1 ，它需要解决好四个问题：( 1 ) 轮廓对应问题( c o r r e s p o n d e n c e ) 嘲：州小：确定相邻切片上轮廓的对应关系。( 2 ) 轮廓拼接问题( t i l i n gp r o b l e m ) t 0 ： 1 1 1 1 2 用多边形或者三面片连接不同层上的对应轮廓以“最佳地”表示物体表面。( 3 ) 分叉问题( b r a n c h i n g p r o b l e m ) “”“”：在一对相邻断层上的轮廓个数不相等时，就发生了分叉情况。( 4 ) 曲面拟合问题( s u r f a c e f i t t i n gp r o b l e m ) “”“6 m 7 1 ：根据上述步骤确定的点之间的连接关系和表面拓扑结构，确定最佳的拟合曲面。图1 1 轮廓线重构示意图表面曲面表示法的方法有：( 1 ) 移动立方体法( m a r c h i n gc u b e sa l g o r i t h m 。1 ：移动立方体法虽然也是用三角形拼接来形成表面，但与连接轮廓线法不同的是，这些三角形位于单个立方体元内。该方法对于一组体数据，可通过门限设定，将网格交点划分为在表面内和在表面外两种情况，这样，每个立方体元被表面切割的情况就可由8 个顶点的值确定，然后用三角形将体元各边上的交点连接起来，从而构造出表面。( 2 ) 分解立方体法( d i v i d i n gc u b e sa l g o r i t h m ) ( d c ) “”方法即将立方体分解，直至像素大小，直接绘制表面点。4北京交通大学硕士学位论文第一章绪论1 3 2 体绘制方法这类方法依据视觉成像原理，首先构造出理想化的物理模型，即将每个体素都看成是能够接受或者发出光线的粒子，然后依据光照模型及体素的介质属性分配一定的光强和不透明度，并沿着视线观察方向积分，最后在像平面上就形成了半透明的投影图像“”类算法不仅能显示高质量的图像，更为重要的是能够比较清晰地显示出物体的内部结构，这是传统的计算机图形绘制方法所无法做到的，因此，体绘制的研究深受人们的青睐“。上述所述体绘制的流程图见图1 2 。体数据采样预处理得到数据f ( x )i浓淡处理得到分类处理得到体素不体素颜色c ( x ) ，持r ，g ，b透明度( x )重采样颜色值a ( x )重采样不透明度值d 。( x )ll合成得到图像像素值c ( u ，v )图l f 2 体绘制流程图直接体绘制可以按其工作空间的不同，分为两大类：基于物空间的重建方法和基于象空间的重建方法。所谓物空i 日j ，是定义景物的三维空间。如果从物空间出发对各个物体进行遍历，把他们一个接一个地投影到象平面上去，那么就称之为基于物空间地重建方法。它包括两个问题：一是坐标变换问题，即把物体从物体坐标系变换到屏幕坐标系。可以有平行投影和透视投影两种坐标变换方式：二是可见性问题，也就是确定遮挡关系，解决隐藏体素消除的问题。典型的算法是抛雪球法，又称足迹表北京交通大学硕士学位论文第一章绪论( s p l a t t i n g ) ( f o o t p r i n tm e t h o d ) 算法2 ”“2 ”2 ”。所谓象空间是显示物体的二维空间。如果从象空间出发对每个象素进行遍历，对于每个被遍历的象素，从它出发沿视线方向发出一条射线，该射线进入物空间遇到的第一个不透明体的颜色( 或者半透明物质的颜色积累值) 就成为该象素的颜色，这就是基于象空间的重建方法。基本的方法是光线投射法“”。光线投射法是从象平面上每一个象素出发沿视线方向发出一条射线，并进入体素空间。随着射线的传播，把它所遇到的体素的颜色和阻光度进行累积和合成。当阻光度累积到1 ( 即完全不透明) 或者射线己经穿过了体素空间时，就停止射线的传播，并把当前合成的颜色作为该象素的颜色写到帧缓存中去。目前，又有大量加速算法“”。“。错切一变形( s h e a r w a r p ) 算法1 ，由l a c r o u t e ，l e v o y 提出。此算法在无硬件加速的条件下，能在普通微机上实现医学图像的快速三维表面重建。错切变形可分成两种。一种是平行投影，一种是透视投影。目前，s h e a rw a r p 算法的研究方向主要有加快绘制速度和改进最终成像质量两个方面。在加快速度方面，有并行算法0 1 、硬件加速。、用特有的数据结构：例如r l e ( 按行程长度编码) c z g 在改进最终成像质量方面，主要有增加中间投影面o “，以消除波纹失真。另外一种主流算法是硬件辅助的三维纹理映射( h a r d w a r e a s s i s t e d3 dt e x t u r e m a p p i n g ) 算法及二维纹理映射算法。除此之外，还出现许多这四种算法彼此结合的算法”在频域中的体绘制，例如：f o u r i e r v o l u m er e n d e r i n g ( f v r ) 算法3 ”3 “，w a v e l e t v o l u m e r e n d e r i n g 算法等。1 3 3 混合绘制方法面绘制必须经过几何面元的构造或提取，域值分割和极值跟踪是常用的方法。通过这种简单的二值分割，原来包含在体数据中的精细信息，甚至是重要信息可能会丢失特别是在医学图像数据中，由于各种组织具有一定的灰度分布范围，所以，除了骨骼和皮肤表面易于提取外，其余组织结构的提取将是十分困难的。处理不当，三维数据场中的许多细节信息会被丢失，很容易产生错误的结果，造成严重后果。体绘制放弃了传统图形学中由面构造体的方法，直接对体数据的体素进行处理操作，可以绘制出三维数据场中包含的丰富的信息，使显示的结果清晰、细腻、准确。所以，从绘制结果图像来讲，体绘制大大优于面绘制；从算法效率和实时交互性能来讲，由于面绘制采用传统成熟的计算机图形学的方法，有较多的高效算6北京交通大学硕士学位论文第一章绪论法和专用图形加速硬件可采用，所以面绘制要优于体绘制。因此，在一些简单的应用场合，当对三维物体的细节要求不高，或者体数据稀疏，对交互性能要求较高的场合，面绘制的应用仍然很多。但是，随着计算机、工作站性能的提高，各种分布计算和并行绘制算法和硬件环境的发展，以及医学体数据密度和分辨率的不断提高，面绘制的交互优势越来越不明显，体绘制优异的三维表现能力正在吸引使用者越来越多的注意力。可以预见，在不久的将来，体绘制技术将在越来越多的应用中取代面绘制，成为三维绘制的主要技术。两种方法比较如图1 3 。基于以上两个方法的优缺点分析，出现了结合面绘制和直接体绘制的混合绘制方法。图1 3 面绘制、体绘制的对比图混合绘制方法分为两种：一种是表面的透明体素绘制法，它是以体绘制的原理来实现对一个或多个表面的绘制，此法将所关心的表面提取出来，并赋予其所在的体素相应的光强和不透明度，再运用体绘制方法来实现三维显示“。另一种是体数据几何单元投影法，即将由体素集合构成的单元投影转化为几何多边形显示。此法常被用于不规则网格体数据的三维显示。对于规则网格体数据，它需首先将数据分解成同性物质的长方体，再按深度划分，并将长方体的面扫描转换到像空间：最后在每个长方体的前后两个面之日j ，做体绘制积分，以计算出每个像素点的颜色和不透明度，再合成图像。1 。4 本文研究内容和工作在医学成像的三维可视化领域中，已有大量的文献研究了3 d 标量数据场( 如：北京交通大学硕士学位论文第一章绪论c t 、m i l l 等序列图像组成的标量体数据) 的三维可视化算法。7 “，但是较少涉及直接从人体解剖图片集的重建，由于c t 和m 受到断面精度和灰色成像的限制，后续向“虚拟人”发展的基础框架则以切片图像数据集为主。”。解剖图像集的重建可以简化体素颜色的映射( n - i 以通过直接检索或插值) 和光照问题。但是，解剖图像集缺乏原始物质密度、吸收系数等物理特性，使得体素阻光度的映射难度增加“，一种比较成功的解决方法是把解剖图片集仅仅作为获取体素颜色的辅助数据场，而体素阻光度值等信息则是从与之配准的c t 图像获取，这种方式存在以下问题，首先，彩色图像和c t 图像的配准是个很复杂的问题，另外，冗余的数据场增加了计算机的存储消耗“。e l b e r t ，郎文辉，j o ek n i s s 等对解剖图像集的直接体绘制作了比较全面的讨论“”“”“”，能够产生比较清晰的多组织透明图像，可以较明显的显示出脂肪、肌肉、骨骼等组织信息。阻光度转换函数是为需求所定义的经验函数。一个好的阻光度转换函数能够揭示出体数据的重要结构，本文在e l b e r t ，郎文辉，j o ek n i s s 的阻光度算法的基础上对阻光度转换函数作了改进，提出新的算法。通过比较，可以更清晰的显示各组织信息。本文工作的流程如下：( 1 ) 解剖图像的获取。主要进行从r a w 格式图像文件到b m p 格式的图像文件的转换，以方便后续处理。( 2 ) 图像预处理。图像预处理是三维可视化工作的基础，直接影响到可视化结果的质量。本文主要进行了重采样，目标物体的提取，层间定位等预处理工作。( 3 ) 阻光度转化函数的设计。一个好的阻光度转换函数能够揭示出体数据的重要结构，而不被一些次要的区域所阻挡。本文设计了一种新的阻光度转化函数，更有力的揭示了物体的内部信息。( 4 ) 可视化。主要是将上述过程所生成的数据进行可视化。( 5 ) 结果的比较与讨论。将本文算法的结果同前人算法结果进行比较、讨论，证实了本文算法的有效性、优越性。北京交通人学硕士学位论文第二章人体解剖图像的预处理第二章人体解剖图像的预处理2 1 人体解剖图像的获取与输入1 9 8 9 年美国国家医学图书馆( n l m ，n a t i o n a ll i b r a r yo fm e d i c i n e ) 启动了“可视人计划”( v h p ，v i s i b l eh u m a np r o j e c t ) ，并委托科罗拉多大学医学院于1 9 9 4 并11 9 9 5 年分别建立了男女两组数据集“”“，其中男性( v h m ，v i s i b l eh u m a nm a l e ) 解剖相片数据的图像分辨率为2 0 4 8 1 2 1 6 象素，层口巨1 m m ，共获得1 8 7 1 个层片，总数据量为1 5 g ，图1 1 为男性头部的一幅解剖图像；女性( v h f ，v i s i b l eh u m a nf e m a l e )解剖相片数据的图像分辨率为2 0 4 8 1 2 1 6 象素，层距0 3 3 m m ，获得5 1 8 9 个层片，总数据量为3 9 g ；两个数据集都是2 4 位真彩“”。该数据集真正体现了人体断层解剖学意义上的数字化“解剖人”。t t 2 1 男性头部解剖图像a v m l 0 8 2 1 a w本文可视化数据来自美国国家医学图书馆的男性头部解剖数据( av m l 0 1 3 r a w av m l l 7 1 1 a w ) ，共1 5 9 幅图像，每幅图像的分辨率为2 0 4 8 1 2 1 6 象索，层距l m m ，图片存储格式为r a w 文件格式。r a w 格式是记录了影像传感器接收到的原始信息的一种文件格式。如同英文的“r a w ”一词可以翻译成“原汁原味”，r a w 格式文件记录的是未经相机内置的图像处理引擎处理的原始信息，r a w 格式文件越过了相机内的图像处理，最大限度的保留了图像信息，为后期制作留下了广阔的可操作性，如果把j p e g 、t i f f9北京交通大学硕士学位论文第二章人体解剖图像的预处理图像比作传统摄影的照片，那r a w 文件则相当于刚曝光的胶卷。r a w 文件的数据阵列如图2 2 所示。戳滏囝l 溉怼烈怼嚣l 馘l1 r i 缝1 3磁0 1 2 l 瓤滗黻3联辩鼢l 粼泛黔3联黝l 联渤3g l e 番至l l ；1 2 g 1 3g i ! 巷6 2 1 搿2 6 2 3成潞g 3 l g 霭2 3琰鼯弱1 戳怼礅嚣l 穆嚣l1 1 1 2 8 1 3嚣2 0 器2 l 戮怼戮珞黢鲶器3 l 嚣黢嚣3 3图2 2r a w 文件的数据阵列体数据在计算机中的表示方法是一个首先要考虑的问题，体数据表示方法不同，相应的体视算法也会有些差别。以三维数组表示三维体数据是一种最直观的而且也是最常见的方式，每个数组元素记录与体素有关的一些数据。那么一个数组元素到底应该保存多少种数据为好呢? 这是一个涉及到存储需求与计算效率之间矛盾的问题。目前，体数据的表示主要有三种方式：原始灰度图像、二值化图像或者二值化图像的简化表示以及原始灰度图像加上属性的综合表示。第一种方式是把原始体数据原封不动地保留下来，这种表示方式的优点是不丢失信息，缺点是对机器内存要求高，处理速度慢。关于体数据的表示方式涉及到表示精度、存储量和处理时间之间的矛盾。上述三种表示方式各有优缺点，要根据实际问题的具体特点和要求加以选择。在我们的应用中，由于要准确再现原始三维形体，故我们采用b m p 图像来表示医学体数据。w i n d o w s 位图文件格式是微软公司为其w i n d o w s 环境设置的标准图像格式，可在w i n d o w s 系统环境下使用，同时w i n d o w s 系统软件中还内含了一系列支持位图处理的a p i 函数。随着w i n d o w s 在世界范围内的不断普及，位图文件格式无疑也已经成为p c 机上的流行图像文件格式。位图文件格式可以存储灰度，1 6 色、2 5 6 色以及真彩色四种图像数据。通常w i n d o w s 下的位图格式有两种：设备相关位图( d d b ) 和设备无关位图( d i b ) 。本文采用d i b 位图格式。w i n d o w sd i b 位图格式包括位图文件头b i t m a p f i l e h e a d e r 结构，位图信息头b i t m a p i n f o h e a d e r 结构，颜色表r g b q u a d 和位图像素数据d i bp i x e l s四个部分。如图2 3 所示：l o北京交通大学硕士学位论文第二章人体解剖图像的预处理位图文件头结构b i t m a p f i l e h e a d e r位图信息头结构b i t m a p i n f o h e a d e r颜色表r g b q u a d位图像素数据d i bp i x e l s图2 3w i n d o w s d i b 的组成b i t m a p i n f o h e a d e r 定义了设备无关位图d i b 的维数、颜色位数、图像大小等相关信息。其数据结构如下：s t r u c t u r ed w 0 r db i s i z e ；b i t m a p i n f o h e a d e r 结构的字节长度d w o r db i w i d t h ；位图宽度( 列数)d w o r db i h e i g h t ；位图高度( 行数)w o r db i p l a n e s ；目标设备的位平面数，必须置成1w o r db i b i t c o u n t ；每个象素的位数。必须是 1 ，4 ，8 ，2 4 中的一个d w o r db i c o m p r s s i o n ；压缩方式，必须为下列值之一： b ir o b ，b l r j e 8 ，b i _ r l e 4 d w o r db i s i z e i m a g e ；位图的字节数d w o r db i x p e l s p e r l v l e t e r ；目标设备水平方向每米长度上的象素数d w o r db i y p e l s p e r m e t e r ；目标设备垂直方向每米长度上的象素数d w o r db i c l r u s e d ：颜色表中点阵位图实际使用的颜色数d w o r db i c l r l m p o r t a n t ；给出重要的颜色索引值。若被置为0 ，则所有颜色都是重要的 b i t m a p i n f o h e a d e r ；颜色表数据段是可变长的，定义了位图中所用的颜色，颜色表中的每一项是一个数据结构r g b q u a d ，定义了一种颜色。颜色表中项数由b i b i t c o u n t 值决定，只有b i b i t c o u n t 在小于8 位的位图才有颜色表。w i n d o w s 将颜色表的数据结构定义如下：厂，l羔位m北京交通大学硕士学位论文第二章人体解剖图像的预处理s t i u c i u r eb y t er g b b l u e ；象素颜色中蓝色的成分量b y t er g b g r e e n ：象素颜色中绿色的成分量b y t er g b r e d ；象素颜色中红色的成分量b y t er g b r e s e r v e d 未使用，但须置成0 r g b q u a d ；其位图阵列的格式如图2 4 所示。自然界的任何颜色都可以通过r 、g 、b 三原色合成。有的颜色含红色成分多些，其他成分少些。针对含有红色成分的多少，可以将颜色分成0 至2 5 5 共2 5 6 个等级。0 级表示不含红色成分，2 5 5 级表示含有1 0 0 的红色成分。同样，蓝色和绿色也可以分成2 5 6 级。这样，r 、g 、b 的各种不同组合就能表示出2 5 6 2 5 6 2 5 6 种颜色。例如，黑色的r 、g 、b 值是( o ，o ，0 ) ，白色的r 、g 、b 值是( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) ，紫色的r 、g 、b 值是( 2 5 5 ，0 ，2 5 5 ) 等。当从2 5 6 ) l时，可以抑制非边界点的显示：e x p o n e n t 、| | 、；图4 1 纹理映射过程3 9北京交通大学硕士学位论文第四章三维可视化的关键技术图4 1 给出了整个纹理映射的过程，实际应用中，表面的纹理属性由用户交互确定。2 d 纹理映射采用物体空问绘制方法，该方法与p l a c r o u t e 等人“提出的基于错切一变形技术的绘制方法相似。在三维数据场内定义了一系列的采样多边形，这些多边形彼此平行且垂直于物体空间中与视平面法向夹角最小的坐标轴( 称为主投影轴) 如图4 2 所示，这些多边形相当于一系列体数据的切片。图像平搿图4 2 三维数据场对象当观察方向的变化超过9 0 。，采样多边形法向的方位也必须改变，这需要在内存中保存数据集的三个拷贝，每个拷贝分别代表不同的多边形法向方向，如图4 3 。图4 32 b 纹理映射体绘制法的三个不同纹理堆栈所以，本文在预处理后的数据集( 横截面) 的基础上进行重建，分别形成了矢状面和冠状面，如图4 4 。北京交通大学硕士学位论文第四章三维可视化的关键技术( b ) 矢状面( a ) 横截面图4 4 不同法线方向的数据集( c ) 冠状面二维纹理切片生成之后就是纹理的绘制过程，其绘制过程类似于光线投射法，唯一的区别是绘制的方向不同，光线投射法是从前向后投影，而二维纹理切片的绘制过程是从后向前投影，如图4 5 。其最终结果就是各层纹理图像的a l p h a 混色，如图4 6 所示。4 1北京交通大学硕士学位论文第四章三维可视化的关键技术。一图4 5 纹理的从后向前投影图4 6 二维纹理绘制过程4 1 4 基于纹理硬件的体绘制基于纹理硬件的体绘制是近年来出现的快速体绘制方法。在该算法中，体绘制可分两个阶段实现。如图3 。1 3 所示，在第一阶段中，体数的据装入主要是指体数据在系统内存中的处理，其处理主要包括将数据文件从存储媒介上读入到系统内存并构建体数据，对体数据进行重采样生成彩色体数据，即给每一个体素分配颜色和阻光度；在第二个阶段中，重采样后的体数据在图形硬件的纹理内存中的处理，其处理包括定义一组相互平行且垂直于视线方向的多边形，并通过纹理映射实现对体数据的重采样，按照从后往前的顺序将重采样所获得的图像切片进行a l p h a 混合，生成具有半透明的三维效果图像。图4 7 基于纹理硬件的梯绘制算法流程4 2北京交通大学硕士学位论文第四章三维可视化的关键技术在系统中，纹理硬件对纹理数据有如下约束条件：( 1 ) 装入纹理内存纹理数据存储于动念指针数组或者静态数组中；( 2 ) 纹理内存中纹理数据以平铺页模式存储( t i l e dp a g em o d e ) ；( 3 ) 每一纹理页大小为2 f x2 0 ；( 4 ) 纹理页是纹理输入输出的最小单位：( 5 ) 纹理内存最多同时驻留2 0 个纹理页。在上述条件中，r , s ，t 和k 由操作系统和具体图形硬件决定的正整数。当算法首先根据具体硬件平台确定了上述常数后，体数据装入流水线的其他参数( 如体数据子块的大小等) 由上述参数决定。在本文工作中，每个纹理页的大小定为2 5 6 * 2 5 6 ，从预处理后的6 8 3 * 4 0 5 的图片进行截取出2 5 6 * 2 5 6 大小的图片，以满足纹理硬件对纹理数据的要求。( a ) 剪切前( b ) 剪切后图4 8 由6 8 3 4 0 5 图片剪切； j 2 5 6 2 5 6 ( 图片a y m l 0 8 2 )4 2 可视化图形语言4 2 1 0 p e n g l 概述o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是最近几年发展起来的一直性能卓越的三维图形平台附1 。它的前身是由s g i 公司为其图形工作站开发的，可以独立与所用工具软件接口系统、操作系统和硬件环境的图形开发环境，实际上是一种图形与硬件的接k i ( 3 da p i ) ，其三维图形标准是由a t & t 公司、u n i x 软件实验室、i b m 、d e c 、北京交通大学硕士学位论文第四章三维可视化的关键技术s u n 、h p 、m i c r o s o f t 和s g i 等多家公司在g l 图形库标准的基础上联合推出的开放式图形库，它使在微机上实现三维真实感图形的生成与显示成为可能。由于o p e n g l 是开放的图形标准，用户原先在u n i x 下开发的0 p e n g l 图形软件很容易移植到微机上的w i n d o w sn t 9 5 上。其目的是将用户从具体的硬件系统、窗口和操作系统中解放出来，可以完全不去理会这些系统的结构和指令系统，只要按o p e n g l规定的格式书写应用程序就可以在任何支持该语言的硬件平台上执行。o p e n g l 包括了1 0 0 多个图形函数，可以利用这些函数来建立三维模型和进行三维实时交互。o p e n g l 经过不断发展，更加灵活方便的实现了二维和三维高级图形技术，包括建模、变换、光线处理、动画、纹理映射和物体运动模糊效果等。o p e n g l 是网络透明的，它的运行机制是客户( c l i e n t ) n 务器( s e r v e r ) 机制，由客户( 用o p e n g l 绘制图像的应用程序) 向服务器( o p e n g l 的内核) 发布o p e n g l 命令，服务器则解释这些命令。大多数情况下，客户和服务器在同一机器上运行。正是基于这种客户服务器机制，o p e n g l 可以方便的在网络环境下使用。o p e n g l 认可开发人员对真实世界中的二维图形和三维几何物体的描述，而且将这