（计算机系统结构专业论文）基于改进的mc与mt方法的三维重建的研究与实现.pdf

h： ；，； q长毛：kii羹“， l一卜_gi“；鸳自s =蒜列j，o，翻h崩qi r冀n嚣 qj，强1 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e t h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o n o f3 d r e c o n s t r u c t i o nb a s e do ni m p r o v e dm ca n d m tm e t h o d b yz h a n g y e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rj i a n gh u i y a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 。：0*羹口墨磷 0；。芦：-露，4毒“嚣|：l雩a孽t量_摹 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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 二匕 思。 学位论文储签名： 孑嘶 日期：淞7 歹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 豸钦咩 签字日期： 渺e 7 7 翩签名：张研 签字日期：枷略7 7 。蠢， 。 ，缸羹墨罄毒：f ，鲁庸擞、 ： 、。 0，鼍，kioi棼h雾*，。承 东北大学硕士学位论文 摘要 基于改进的m c 与m t 方法的三维重建的研究与实现 摘要 目前，医学图像三维重建技术获得了国内外医疗和图像处理领域广泛的关注。通过 对人体器官或组织进行三维重建，能够更直观、更准确地重现对象的三维结构，辅助医 生对病变体及其它感兴趣的区域进行准确的定量分析，提高医疗诊断的准确性。图像分 割是三维重建的基础，直接影响三维重建的速度和重建效果，本文在三维重建前进行了 分割处理。由于图像分割是图像处理的难点与计算机视觉的瓶颈，因此也是本文的难点 之一。 本文对传统的三维重建方法进行了研究，三维重建方法主要分为体绘制和面绘制两 类。由于其中面绘制方法具有成像速度快、交互性强的优点，因此在相关领域得到广泛 应用。m a r c h i n gc u b e s ( m c ) 方法是经典的面绘制方法之一，但是存在拓扑二义性问题。 m a r c h i n gt e t r a h e d r a l ( m t ) 方法是在m a r c h i n gc u b e s 方法基础上发展起来的一种算法，该 方法在一定程度上解决了拓扑二义性问题，但是又产生了剖分二义性和生成的三角面片 数量过多等问题。针对上述问题，本文提出了四棱锥剖分的概念，利用四棱锥剖分将 m c 方法与m t 方法结合起来，并提出了自适应的混合剖分方法，该方法在不增加三角 面片数量的同时避免了拓扑二义性和剖分二义性问题，最后利用基于数据缓存技术的图 像绘制加速方法提高了三维重建的效率。为了更清晰地再现器官的三维图像，本文开发 了一种改进的能够在相邻图像间进行生长的区域生长方法进行关心器官的分割，然后基 于上述自适应混合剖分方法对分割后的图像进行三维重建。最后通过实验验证了本文方 法的有效性。 关键词：四棱锥剖分；混合剖分；移动立方体方法；三维重建；区域生长法 、 #口t 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f3d r e c o n s t r u c t i o nba s e do n i m p r o v e dm c a n dm t m e t h o d a b s t r a c t p r e s e n t l y , t h e3 dr e c o n s t r u c t i o no fm e d i c a li m a g e sh a sg a i n e di n t e r n a la n do v e r s e a s c o m p r e h e n s i v ea t t e n t i o ni nt h ef i e l d so fm e d i c a lt r e a t m e n ta n di m a g ep r o c e s s i n g i t s a p p l i c a t i o ni nh u m a no l 缈，t i s s u e so rf o c u sc a nr e p r e s e n tt h eo b j e c t sm o r ed i r e c t l ya n d p r e c i s e l y , h e l p i n gd o c t o r sa n a l y z et h e mq u a n t i t a t i v e l y , i m p r o v i n gt h ev e r a c i t yo fd i a g n o s i s i m a g es e g m e n t a t i o ni sb a s i so f3 d r e c o n s t r u c t i o na n dc a nd i r e c t l ya f f e c tt h es p e e da n dr e s u l t s o f3 dr e c o n s t r u c t i o n ，s ot h ei m a g e sa r es e g m e n t e db e f o r er e c o n s t r u c t e di nt h i st h e s i s i m a g e s e g m e n t a t i o ni sad i f f i c u l t ya n db o t t l e n e c ko fi m a g ep r o c e s s i n g ，s oi ti so n eo fh a r dp o i n t si n t h i st h e s i s t h et h e s i sr e s e a r c h e st h et r a d i t i o n a l3 dr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d s t h em e t h o d so f3 d r e c o n s t r u c t i o na r em a i n l yd i v i d e di n t ot w og r o u p s ：s u r f a c er e n d e r i n ga n dd i r e c tv o l u m e r e n d e r i n g t h es u r f a c er e n d e r i n gm e t h o di sa p p l i e dw i d e l yi nc o r r e l a t i v ef i e l d sb e c a m eo f i t sc e l e r i t ya n db e t t e ri n t e r a c t i v ec a p a b i l i t y m a r c h i n gc u b e sa l g o r i t h m ( m c ) i so n eo f c l a s s i c a ls u r f a c er e n d e r i n gm e t h o d s ，b u th a st h ep r o b l e mo ft o p o l o g ya m b i g u i t y m a r c h i n g t e t r a h e d r a l ( m t ) m e t h o dw a sd e v e l o p e db a s e do nm cm e t h o da n di tc a na v o i dt h et o p o l o g y a m b i g u i t yi nac e r t a i ne x t e n t ，b u ti th a sd e c o m p o s i n ga m b i g u i t ya n dp r o d u c e so v e r a b u n d a n c e t r i a n g l e s i nt e r m so ft h ep r o b l e m sa b o v e ，t h i st h e s i sp r o p o s e st h ec o n c e p t i o no fp y r a m i d d e c o m p o s i n g , c o m b i n e sm cm e t h o da n dm tm e t h o da n dp u t sf o r w a r das e l fa d a p t i v e m i x e d d e c o m p o s i n gm e t h o d t h em e t h o dc a nn o to n l yr e s o l v et h ep r o b l e mo ft o om a n y t r i a n g l e s ，b u ta l s oa v o i dt o p o l o g ya m b i g u i t ya n dd e c o m p o s i n ga m b i g u i t y f i n a l l y , ar e n d e r i n g a c c e l e r a t i n ga l g o r i t h mb a s e do nd a t ab u f f e rs t o r a g et e c h n o l o g yi ss u g g e s t e dt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fm i x e d - d e c o m p o s i n gm e t h o d i no r d e rt or e p r e s e n tt h eo r g a l l ss y l l a b i f y , t h i s t h e s i sp r o p o s e sa ni m p r o v e dr e g i o ng r o w i n gm e t h o dt h a tc a n g r o wi na d j a c e n ti m a g e s t h e n ， b a s e do nt h ea b o v em i x e d d e c o m p o s i n gm e t h o d ，t h es e g m e n t e di m a g e sa r er e c o n s t r u c t e d a t l a s t ，t h em e t h o d si nt h i st h e s i sa r ev a l i d a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t s 1 1 1 东北大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：p y r a m i dd e c o m p o s i n g ；m i x e d d e c o m p o s i n g ；m a r c h i n gc u b e s ；3 dr e c o n s t r u c t i o n ； r e g i o ng r o w i n gm e t h o d 1 v 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明l 摘要i i a b s t r a c t l i l 第l 章绪论”l 1 1 研究背景及意义1 1 2 研究现状一2 1 3 发展趋势3 1 4 本文主要工作与创新点3 第2 章相关技术介绍5 2 1 数据的获取。5 2 1 1 医学数字图像通讯标准”5 2 1 2c t 成像原理5 2 1 3d i c o m 图像格式及转换6 2 2 三维数据场可视化算法7 2 2 1 三维规则数据场中的体素模型”7 2 2 2 三维重建算法的分类：? 9 2 2 3 体绘制算法介绍一9 2 2 4 面绘制算法介绍13 2 2 5 体绘制与面绘制的比较1 5 2 3o p e n g l 介绍”l6 2 3 1o p e n g l 相关函数库”1 7 2 3 2o p e n g l 光照与材质l8 2 3 3o p e n g l 中的多边形顶点顺序与正反面关系1 9 2 4 本章小结2 0 第3 章基于改进的m c 与m t 方法的三维重建2 1 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 引言“2 1 3 2 图像预处理”2 l 3 2 1 传统的区域生长方法2 1 3 2 2 改进的区域生长方法2 2 3 3 基于混合剖分方法的三维表面重建一3 0 3 3 1m c 方法原理- 3 0 3 3 2m c 方法的二义性问题3 4 3 3 3m t 方法的基本原理及存在的问题3 8 3 3 4 基于混合剖分方法的三维表面重建4 1 3 4 基于数据缓存技术的图像绘制加速方法一4 9 3 4 1 快速的层间插值运算4 9 3 4 2 快速的非边界立方体素遍历5 0 3 4 3 相邻体素冗余运算的消除5 1 3 4 4 数据缓存机制5 7 3 5 本章小结5 7 第4 章系统设计与实验分析5 9 4 1 系统设计5 9 4 1 1 系统功能概述5 9 4 1 2 系统组成5 9 4 2 实验结果分析”6 2 4 2 1 图像分割实验6 2 4 2 2 三维表面重建实验6 4 4 2 3 图像绘制加速算法实验7 l 4 3 本章小结”7 l 第5 章总结与展望 7 3 参考文献7 5 致谢7 9 硕士学位期间参与的项目8 1 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 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 ) 1 1 j 是2 0 世纪8 0 年代后期被 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【2 3 1 。与会者包括来自计算机图形学、图像处理以及 从事不同领域科学计算的专家，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”，并指出“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，而这些都需要借助于计算机图形学及图像处理技术 。随后 美国、西欧、日本的一些著名大学研究所、超级计算机中心、各大公司纷纷进行科学计 算可视化理论和方法的研究，使科学计算可视化迅速成为计算机科学中一个热门的研究 领域。可视化是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果的数 据转换为图形及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1 4 】。可视化 涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研 究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。 科学计算可视化的应用领域十分广泛，几乎涉及自然科学及工程技术的一切领域。 主要应用领域为医学、地质勘探、气象学、分子模型构造、计算流体力学和有限元分析 等。目前，在可视化领域中，医学数据的可视化是最活跃的研究领域之一。采用现代科 学技术的医学影像技术，借助计算机图像处理与分析、计算机图形学、虚拟现实和计算 机网络等技术的医学图像处理与分析，可以提供质量更高、更为准确的信息，有助于提 高医学的临床诊断水平。因此，这个领域的研究也得到了世界许多国家的重视。我国是 一个拥有1 3 亿人口的大国，人口众多，构建社会主义和谐社会，保证人民的身心健康， 提高我国医疗诊断的水平，更是势在必行。 所谓医学图像三维可视化技术，是指利用一系y l j - - 维切片图像重建三维图像模型并 进行定性分析、定量分析的技术。该技术可以从二维图像中获取三维结构信息，能够为 医生提供更逼真的显示手段和定量分析工具，能够弥补影像设备在成像上的不足，能够 为医生提供具有真实感的二维医学图像，使医生有效地参与数据的处理与分析过程，便 于医生从多角度、多层次进行观察和分析【5 1 1 6 1 1 7 1 。所以自2 0 世纪9 0 年代起，医学图像 三维可视化技术一直是国内外研究与应用的热点之一。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 研究现状 医学图像三维重建及可视化已广泛应用于医学诊断、整形与假肢外科手术、矫正手 术、辐射治疗中【8 1 。目前，医学三维可视化的研究的方向主要有如下几个方面： ( 1 ) 医疗诊断 利用三维重建技术通过c t 、m r i 等二维断层图像束构建人体器官的三维模型并进行 三维显示，对重建模型从不同方向进行观察、剖切，可以辅助医生对病变体和周围组织 进行分析，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性。 ( 2 ) 三维放射治疗 做脑部肿瘤放射治疗时，在重建出的人体内部结构三维图像的基础上，对颅骨穿孔 位置、同位素置入通道、安放位置和等剂量线等进行计算机模拟，使射线照射肿瘤时不 穿过敏感组织和重要组织，不妨害正常组织或对正常组织伤害尽量小，设计并选择出最 佳方案。 ( 3 ) 整形与假肢外科演练 整形外科中的假肢造型，如在做髓骨手术前，根据c t 图像重构髓骨的精确三维模 型，在计算机上进行模拟，设计所需髓骨假肢的外形，并从各个不同角度观察效果，使 之能与病人的个体特征相吻合，最后由医生选择出最佳实施方案，从而大大提高矫形手 术的质量。 ( 4 ) 医学教学与训练 用具有三维重建功能的医学软件，进行医学教学与训练，学生可以不受时间和条件 的限制，大大提高教学质量，也避免了用人或动物尸体。 在国外，已经有了三维医学影像处理的商品化系统。如加拿大的a l l e g r o 系统、美国 通用电气公司的a w 4 0 、美国俄亥俄超级计算机中心开发的a p e 系统、德国达姆斯达特 f h g a g d 研究中心开发的v i s a v i s 系统等。 国内在医学图像三维重建及可视化研究方面，浙江大学、清华大学、东南大学、大 连理工大学、中科院自动化所等均做了大量研究，并开发了一些实验系统。但是，国内 目前尚无成熟的商用系统。国内企业的一些三维医学影像处理系统，如西安盈谷科技有 限公司的a c c u r a d 3 d p r o 也还处于研制阶段。因此，开展这方面的研究，具有重要的理 论意义及广阔的应用前景f 9 】f 10 1 。 。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 发展趋势 医学图像三维可视化技术未来将向两个方向发展： ( 1 ) 继续沿着它的开拓计划可视化人体计划( v h p ) 的方向前进。v h p 是一个长 期的规划，其早期目标已经完成( 即获得全套的数字化人体图像数据库) ，但它的应用范 围在不断延伸。利用v h p ，结合科学计算可视化技术的研究，人们就可以对绘制算法加 以改进、提高，为虚拟现实提供技术准备，甚至可以建立起模拟人体用来进行航空航天、 汽车工业等的测试。 ( 2 ) 随着远程医学的发展，通过结合图像管理和处理系统( p a c s ) ，实现从海量数 据存储的研究到利用压缩数据获得绘制信息的技术，从智能化图像信息的管理到完善的 图像标准的建立。因为要使医学图像可视化在临床上得到推广和普及，势必要求摆脱昂 贵的硬件条件的限制，建立通用的标准，进行方便的存储和传输，以期在微机环境以及 现有的网络通讯条件下，实现在线可视化或者实时绘制。 1 4 本文主要工作与创新点 本文研究了传统的三维重建方法，重点讨论了面绘制方法中经典的m a r c h i n gc u b e s ( 移动立方体) 方法和m a r c h i n g t e t r a h e d r a l ( 移动四面体) 方法，提出了四棱锥剖分的 概念和混合剖分方法，对上述传统算法进行了改进，并基于改进的三维重建方法对头骨、 胸骨及气管等进行三维重建实验，实验结果表明本文方法具有以下优点： ( 1 ) 消除了剖分二义性； ( 2 ) 一定程度上避免了拓扑二义性； ( 3 ) 三角形面片数量较少； ( 4 ) 内部拓扑构型简单，易于实现。 本文主要创新点： ( 1 ) 为了解决由于m c 方法的拓扑二义性和m t 方法的三角面片过多而带来的三 维表面重建错误和时间成本较大等问题，本文提出了四棱锥剖分的概念，并基于四棱锥 剖分将上述两种方法结合起来，开发了避免拓扑二义性和三角面片过多的自适应混合剖 分方法，并提出了一种新的图像绘制加速方法，迸一步提高了运算效率。 ( 2 ) 利用人体器官或组织在医学断层图像中的空间与几何特征，模拟“树 的创建 与遍历过程，提出了种适用于对医学断层图像组分割的改进的区域生长法。 本文组织结构如下： 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第一章为绪论。介绍了本文的研究背景、目的和意义以及三维成像技术的研究与发 展状况。 第二章为相关技术介绍。介绍了数据获取的途径，常用的三维成像算法和o p e n g l 图形硬件接口。 第三章为基于改进的m c 方法与m t 方法的三维重建。首先提出了改进的区域生长 方法。在详细分析了m c 方法和m t 方法的缺陷基础上提出了四棱锥剖分方法和混合剖 分方法，最后给出了基于数据缓存技术的图像绘制加速方法。 第四章为系统设计与实验分析。系统设计部分给出了整个系统和各模块的基本流程 图。实验结果显示了利用传统方法和本文提出的方法对三组c t 图像成像的结果，对比 分析了各方法的成像效果效率，指出了产生该结果的原因。 第五章对全文进行全面的总结，并对今后进一步的研究工作作出展望。 4 - 东北大学硕士学位论文 第2 章相关技术介绍 2 1 数据的获取 第2 章相关技术介绍 本文研究的内容是医学图像处理领域，图像来源为某大型医院的d i c o m 标准的c t 断层扫描图像。在具体的算法描述之前，首先对d i c o m 标准作相应介绍。 2 1 1 医学数字图像通讯标准 随着c t 在7 0 年代的出现，一大批数字成像设备相继应用于临床。由于生产这些 设备的厂家很多，而图像标准及其传输方式却各不相同，使得他们的产品不能很好的互 连。为了统一各设备的接口标准，美国放射学会( a m e r i c a nc o l l a g eo f r a d i o l o g y ，a c r ) 和美国电子厂商联合会( n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ，n e m a ) 在1 9 8 3 年成立了一个委员会，开发出了一套医学图像的通讯标准，其目的是：( 1 ) 提供与生产 厂商无关的数字图像及其相关信息的通讯。( 2 ) 促进图像存档与通讯系统( p i c t u r e a r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，p a c s ) 的发展。( 3 ) 提供一个广泛的、分布式的 诊断信息查询库。委员会于1 9 8 5 年正式推出a c r - n e m a1 0 版本，并在其后作了几次 修订，到九十年代初将其更名为医学数字图像通讯标准( d i g i t a li m a g i n ga n d c o m m u n i c a t i o n si nm e d i c i n e ，d i c o m ) ，版本号定为3 0 t 】。 相比早期版本，d i c o m3 0 具有如下特点：( 1 ) 可应用于网络，较之于以前仅有点 对点通讯方式，d i c o m3 0 支持o s i 和t c p i p 。( 2 ) 阐述了设备对命令及数据的标准 响应，d i c o m3 0 通过服务类的概念阐述了命令及其相关数据的语意。( 3 ) 阐述了兼容 水平，较之以前的最小兼容水平，d i c o m3 0 精确地描述了制造厂商如何系统地构造兼 容水平，其中可有多顶选择。( 4 ) 提供了分隔式多文档结构，便于新特性的扩展。( 5 ) 不仅对图形、图像，而且对分析、报告等都定义了信息对象。( 6 ) 确定了信息对象的唯 一性，便于在网络中明确各对象的关系。 2 1 2c t 成像原理 计算机断层成像( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) 的基本原理【1 2 】是利用x 射线机提供 的信息从一维射线重建二维横断面的图像。“x 线光子 与患者组织的原子相互作用， 由于不变散射、康普顿散射和光电吸收，x 线检测器接受的通过患者的x 线强度会有所 蕾 东北大学硕士学位论文 第2 章相关技术介绍 衰减，衰减系数与x 线所通过的组织的厚度、密度及组成有关。为了获得完整层面信息， x 射线束必须围绕层面旋转( 或扫描) ，进行多次测量，然后采用卷积反投影法产生断 面二维图像。生成的图像一般是6 4 x 6 4 到5 1 2 x 5 1 2 的矩阵。矩阵中的元素的值是层面中 该处组织衰减系数肛相对于水的衰减系数w 之比，称为c t 值，单位为h ( 或h u ， h o u n s f i e l du n i t ) 。c t 值v a l u e 由下式定义： v a l u e = 1 0 0 0 x ( p 一。) 儿= 5 2 3 6 p 一1 0 0 0 ( 2 1 ) 设定水的c t 值为0 ，则人体组织c t 值的分布范围为1 0 2 4 h 至3 0 7 2 h 。c t 图像的 优点是对比灵敏度高，可以区别衰减系数差异为o 5 的组织。 2 1 3d i c o m 图像格式及转换 对医学图像的后续处理必须先解读d i c o m 医学图像文件。d i c o m 文件一般由1 个d i c o m 文件头和1 个d i c o m 数据集组成。d i c o m 文件头( d l c o mf i l em e t a i n f o r m a t i o n ) 包含了标识数据集合的信息。文件头的最开始是文件前言，它由1 2 8 个0 0 h 字节组成，接下来是d i c o mi i i 缀，它是一个长度为4 字节的字符串“d i c m ，可以根 据该值来判断一个文件是不是d i c o m 文件。文件头中还包括一些其他非常有用的信息， 如文件的传输格式、生成该文件的应用程序等。在d i c o m 文件中最基本的单元是数据 元素( d a t ae l e m e n t ) 。d i c o m 数据集合就是由d i c o m 数据元素按照一定的顺序排列组 成的。d i c o m 文件数据元素的组成如图2 1 所示： i 。p 翥。 数据元素r 冀元素l 数据元素 前缀 ( p r e 哆x 厂 l 意i 鬻酽 数据长度 l数j 图2 1d i c o m 文件格式 f i g 2 1d i c o mf i l ef o r m a t 它主要由四个部分组成：标签、v r ( v a l u er e p r e s e n t a t i o n ，数据描述) 、数据长度和 数据域。其中，标签是一个4 字节的无符号整数。d i c o m 所有的数据元素都可以用标 签来唯一表示。v r 指明了该数据元素中的数据是哪种类型的。数据长度指明该数据元 素的数据域中数据的长度( 字节数) 。数据域中包含了该数据元素的数值。数据元素标 签是一个1 6 比特无符号整数对按顺序排列。前面是数据元素的组号，后面是数据元素 6 一 、 、 、 、 、 、 、 、 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 东北大学硕士学位论文 第2 章相关技术介绍 号码，数据元素是通过数据元素标签唯一标志的，组号为偶数的是标准数据元素， d i c o m 的数据字典中有定义，如( 0 0 0 8 ，0 0 2 0 ) 表示研究日期，( 7 f e 0 ，0 0 1 0 ) 表示像 素数据；组号为奇数的为私有数据元素，由用户在使用过程中自己定义，但在d i c o m 标准中对自己定义的数据元素也有详细的规则说明。数据值类型表述，是1 6 b i t s 的字符 串，指明该数据元素中的数据是那种类型的，用d i c o m 默认字符集编码。如：一个数 据元素的v r 为d a ，则表示该数据元素中存储的数据为同期型数据。数据值长度，是 一个1 6 b i t s 或3 2 b i t s ( 取决于显示或隐式v r ) 无符号整数，表明准确的数据值体的长 度，按字节数目记录。数据值体，其长度为偶数字节，存放了该数据元素的数值，该字 段的数据类型由数据元素的v r 所确定。 目前，计算机常用的8 位b m p 灰度图像所能显示的像素灰度范围是在o 到2 5 5 之 间。而d i c o m 图像像素数据元里的图像数据一般是由1 6 位或者3 2 位组成，需要通过 调整窗宽和窗位将原始数据转换为8 位灰度数据。所谓的窗宽是指图像数据显示的范围， 窗位是指图像数据显示的中心值。可以根据下式进行窗宽和窗位调整： y ( x ) = 0 c 一竺 x 2 2 5 5 , c + 竺 工 2 x - ( c - 2 ) 2 5 5 ，其他 j 其中y 表示显示的位图欢度值，x 表示图像的数据，缈表示窗宽， 2 2 三维数据场可视化算法 2 2 1 三维规则数据场中的体素模型 ( 2 2 ) c 表示窗位。 “规则数据场 是指由均匀网格或规则网格组成的结构化数据，即在三维空间的某 个区域内进行采样，当采样点在x 、y 、z 三个方向上是均匀分布时( 采样问距为l 单 位) ，则体素数据可以用三维数字矩阵来表示。每8 个相邻的采样点所定义的立方体区 域就构成了一个体素，这8 个采样点称为该体素的顶点，如图2 2 所示，a 、b 、c 、d 、 e 、f 、g 、h 为体素的顶点，其坐标分别为册细) 、( x o + 1 , y o , z o ) 、( x o + 1 , y o + i , z o ) 、( x o , y o + i , z o ) 、 ( x o , y o , z o + 1 ) 、( x o + 1 , y o , z o + i ) 、( x o + 1 d o + 1 , z o + 1 ) 、( x o , y o + 1 , z o + i ) ，其采样值分别为a x o o , o , z o ) 、 贝x o + 1 , y o , z o ) ，j x o + 1 , y o + 1 , z o ) ，f ( x o , y o + 1 , z o ) 、f ( x o , y o , z o + i ) ，f ( x o + l , y o , z o + 1 ) ，f ( x o + l , y o + l , z o + 1 ) 和f ( x o , y o + 1 翔+ 1 ) 。 - 7 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术介绍 e ( x o ，y o , z o + 1 )f i x o + i , y o , z o + i ) i , y o + l ，z o + 1 ) b i x + l ，y o z ) z y x 图2 2 体素模型 f i g 2 2v o x e lm o d e l 若记顶点a 坐标为( x o , y o , z o ) ，项点g 坐标为0 1 l 乒1 ) ，则体素中任意一点p ，z ) 的 值似声) 由三线性插值来估计： m 烘加等警警f ( x o 啪) + 警詈詈魄m ) + 詈等警魄腩) + 詈等警川砌，z o ) 亿3 ， + 等警警f ( x o ) + 等x 警x 警帆删 + x 缸- - x 0 訾警魄删+ 詈訾警f ( x o 删 其中a x ，缈和a z 为体素在三个坐标轴方向上的宽度，经过整理得到式( 2 4 ) ： f ( x ，y ，z ) = a o + q x + 口2 y + 口3 z + a 4 x y + a 5 y z + 口6 澎+ 口7 x y z ( 2 4 ) 其中a o 、a l 、a 2 、a 7 是由体素8 个顶点采样值决定的常数。 随着新一代的医学影像设备的产生，二维切片图像的分辨率不断提高，切片间距越 来越小，已经接近并超过计算机显示的分辨率。但是，当切片间的距离比切片图像内象 素间的距离大得多时，就需要用图像插值方法在原来的断层图像之间再插值生成一些中 问断层图像。一般层间插值采用线性插值运算。设五“力，五+ l 分别是第k 层和第k + l 层切片图像。它们之间的插值图像可以表示为： f ( x , y ) - ( 1 一焘m 亿力+ 焘凡“) ( 2 5 ) 其中d l ，d e 分别是插值图像第k 层和第胁1 层图像的距离。 东北大学硕士学位论文 第2 章相关技术介绍 2 2 2 三维重建算法的分类 科学计算可视化技术的核心是三维空间数据场的可视化。对于三维数据场，根据图 像表达的方式，其成像方法可分为直接体绘制法( d i r e c tv o l u m er e n d e r i n g ) 和面绘制法 ( s u r f a c er e n d e r i n g ) 。 体绘制方法免去了面绘制中构造几何多边形等表面的中间过程，采用直接对所有的 体数据进行明暗处理的方法，进而合成为具有三维效果的图像。优点是无须进行分害- o u p 可直接进行绘制，有利于保留三维医学图像的细节信息，增强整体的绘制效果。但缺点 是需对所有体素进行处理，加大了计算开销，限制了图像的绘制速度。 面绘制技术是从三维数据场中抽取有意义的直观信息的一种重要手段。它实际上是 把体数据转换成一种逼近面表示，从而可以进一步利用计算机图形学技术，甚至已有的 硬件加速技术完成感兴趣信息的提取。 2 2 3 体绘制算法介绍 体绘制的研究是伴随着断层投影( c t ) 、核磁共振( m i r ) 、超声波等医学成像技术 的产生和发展而发展起来的。同时，它是以图像处理、计算机视觉和计算机图形学等学 科为基础，借助于三维的基元将三维数据场的离散数据用二维的图像显示在屏幕上。8 0 年代末，随着直接体绘制算法的提出，有关体绘制的研究日趋活跃。目前对于医学图像 等规则网格结构化数据场的直接体绘制主要有以下几种基本算法：基于图像空间扫描的 光线投射( r a yc a s t i n g ) 算法、基于物体空间扫描的溅射( s p l a t t i n g ) 算法、错切一变形 ( s h e a r - w a r p ) 算法、基于变换域技术的频域体绘制法。 2 2 3 1 光线投射算法 光线投射算法【1 3 】1 1 4 】是由l e v o ym 于1 9 8 8 年提出的，它是目前国际上广泛采用的真 实感三维渲染算法“光线跟踪算法的前身。光线投射的基本原理是假设从视点通过屏 幕像素向场景投射一光线，与场景中的景物相交，考察射入场景的这条光线，则可确定 出场景中与该光线相交的物体，像素的光亮度应由这点向视点方向辐射的光亮度决定。 如果通过视点向屏幕上的每一像素都投射光线，以求得每一投射光线与场景的第一个交 点，在计算出光线与物体表面的交点之后，离像素最近的交点的所在面片的颜色为该像 素的颜色，并设置相应像素的光亮度为交点处的光亮度；如果没有交点，说明没有多边 形的投影覆盖此像素，用背景色显示它即可，那么就得到一幅完整的真实感画面。如图 2 3 所示。 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术介绍 图2 3 光线投射原理 f i g 2 3t h ep r i n c i p l eo fr a yc a s t i n g 光线投射法假定三维数据场是规则的，即数据分布在均匀的网格或规则的网格点上。 数据预处理包括原始数据的格式转换、平滑、去噪、剔除冗余数据等。接着进行数据值 的分类，其目的是根据体数据的某些属性，正确地将其分为若干类，利用分类的结果给 不同的类赋以颜色值和不透明度值，以正确显示体数据内物体的结构。接下来是重采样， 由于沿射线的采样点不一定刚好在体数据的网格点上，因此采样点的值必须由距它最近 的8 个体素点通过三线性插值求得。最后合成最终的绘制图像。 光线投射法算法流程如图2 4 所示。 i 明暗处理 l t 一 i 素颜色c 1 读入体数据尉柳 幽 图2 4 光线投射算法流程图 f i g 2 4f l o wc h a r to fr a yc a s t i n ga l g o r i t h m 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章相关技术介绍 光线投射算法是在体元内对应的射线上确定有限个采样点，用插值方法估计出每个 采样点所对应的体数据值，但也i f 因为需对每一个体素进行操作，极大地限制了绘制速 度。 2 2 3 2 溅射算法 溅射算法与光线投射算法不同。它用一个称为足迹( f o o t p r i n t ) 的函数计算每一体 素投影的影响范围，用高斯函数定义强度分布( 中心强度大，周边强度小) ，从而计算 出其对图像的总体贡献，并加以合成，形成最后的图像1 5 】f l 们。其处理过程如图2 5 所示。 图2 5 溅射法算法流程图 f i g 2 5f l o wc h a r to fs p l a t t i n ga l g o r i t h m 下面给出几个三维重构核的例子： 圆锥函数：其方程为 民c x ，y ，z ，：，一臃 高斯函数：其方程为 丸c 五多力= e 唰一口c 事+ 詈+ 事，； s y n c 函数：其方程为 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术介绍 三胁( 臃 玩“，z 卜专尸 万、7 + 分+ 一c 2 ( 2 8 ) 以上三式中a 、b 、c 分别表示椭球面三个轴向的长度。高斯函数中的a 的大小反映 了等值面密度值的变化率。 沿着视线对这些核的积分形成了一个块，一般称这个块为足迹( f o o t p r i n t s ) ，将这个 体素值加权的足迹映射到图像平面就生成了图像。