（计算机软件与理论专业论文）PACS系统中三维图像重构及可视化技术.pdf

摘要 随着医学影像设备的发展，二维图像重构成三维图像进行医学诊断成为一个发展趋 势，三维图像重构及可视化技术，可以获得新的、有助于临床诊断的信息，在肿瘤的精 确定位、癌症的早期诊断和治疗中发挥重要的作用。本文的主要工作是关于p a c s 系统 中三维图像重构及可视化技术。通过把二者结合起来研究达到实现医学图像三维可视化 的目的，具有重要的理论意义和应用价值。 本文首先对医学图像技术与p a c s 系统以及v t k 开发包和可视化技术的相关内容进 行了详细的介绍，包括v t k 的特点，编程机制，框架结构以及面绘制、体绘制的概念和 典型算法分析。着重分析了移动立方体法实现的面绘制和光线投射跟踪技术实现体绘 制，接着在三维图像重构实现的过程中分析了几种体绘制中典型而又常用的算法，概括 了它们的改进之处，得出减少重新采样的计算量是提高体绘制算法效率的有效方法，并 结合面绘制和体绘制技术特点，从绘制方式和镜头控制两方面总结出了可视化技术在虚 拟内窥镜中应用的一般思想和实现过程。 关键词：v t k ；面绘制；体绘制；光线跟踪算法；虚拟内窥镜 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em e d i c a li n m g ee q u i p m e r i t ，i tb e c o m e st h et r e n dt h a t t w o - d i m e n s i o ni m a g ei sr e c o n s t n l c t e dt ot h e3 di m a g e t h er e c o n s t r u c t i o no ft h e3 di m a g e a n dv i s u a l i z a t i o nt e c h n i ci su s e f u lf o rt h eo r i e n t a t i o no ft u m o r , c a n c e rd i a g n o s i s t h e s u m m a r yo ft h i sp a p e ri sa b o u tt h e3 di m a g er e c o n s t r u c t i o na n dv i s u a l i z a t i o nt e c h n i ci n p a c s t h o u g ht h e c o m b i n a t i o no fr e c o n s t r u c t i o na n dv i s u a l i z a t i o n ，i tr e a l i z e st h e v i s u a l i z a t i o nf o rt h e3 dm e d i c a li m a g e t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h em e d i c a li m a g et e c h n i c ，p a c s ，v t ka n ds o m ec o n t e n to f t h ev i s u a l i z a t i o n ，i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f kp r o g r a m m i n g ，f r a m e w o r k , t h ec o n c e p t o fs u r f a c er e n d e r i n ga n dv o l u m er e n d e r i n ga n dt y p i c a la l g o r i t h m i tf o c u s e so ns u r f a c e r e n d e r i n gt h o u g ht h em o b i l ec u b ea n dv o l u m er e n d e r i n gt h o u g ht h em y - c a s t i n gt r a c i n g t e c h n i c t h ea r t i c l ea n a l y s e st h et y p i c a la l g o r i t h m so fv o l u m er e n d e r i n gi nt h e3 di m a g e r e c o n s t r u c t i o np r o c e s s i td r a w sac o n e l n s i o nt h a tr e d u c i n gt h er e s a m p l ec o m p u t a t i o ni st h e e f f e c t i v em e t h o df o ri m p r o v i n gt h ev o l u m er e n d e r i n ge f f i c i e n t a n di ta l s oi l l u s t r a t e st h e a p p l i c a t i o no f v i s u a l i z a t i o nt e c h n i ci nv e k e yw o r d s ：v t k ；s u r f a c er e n d e r i n g ；v o l u m er e n d e r i n g ；r a yt r a c i n ga l g o r i t h m ；v i r t u a l e n d o s c o p y n 独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：塑! 二丝日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范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，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 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：塑! 二! 指导教师签名； 日期：翌z ! f e t 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 箍 第一章绪论 1 1 引言 近二十年来医学成像领域取得了一系列革命性的进展。新的医学成像技术为内科 医生们提供了强大的无创技术来探查人体的结构、功能和病理学特征。一些年前，这 种无创技术只适用于专门的放射线学者。除了实践经验，医生诊断图像还需要深厚的 洞察力、直觉。近年来，随着图像获取技术的改进和发展，所获得图像质量的提高， 图像处理技术和计算机运算能力的进步，使得图象处理这项工作日趋完善。 医疗影像是目前应用最为广泛的医学检查手段之一，几乎所有的术前诊断和分析 以及很多常规检查都需要影像的支持。因此，研究医疗影像重建算法已经成为目前医 学成像领域内的前沿课题，它为临床无创诊断提供了强有力的手段。针对各种类型的 医学图像的预处理工作更加方便了临床诊断，为医生制定合理的治疗方案提供了有力 的支持。 以计算机网络技术为基础，通过数字接口( d i c o m 3 0 或e t h e r n e t ) ，直接获取c t 、 m r 等数字影像设备形成的原始图像数据，也可通过视频接口或医用扫描仪数字化医学 影像，将获得的图像数据存储到高容量、高质量的光盘中，从而实现医学影像数据的 永久无损保存。利用现代网络技术实现医院内部的信息共享以及医院与医院之间的远 程会诊。 获取二维，三维甚至更多维的图像变成了临床应用和研究的例行工作。图像采集 技术包括磁共振造影( m r i ) 、脑磁图( m e g ) 、三维超声成象、计算机断层扫描( c t ) ，解 正电子发射断层照相( p e t ) 、单光子发射计算机断层( s p e c t ) 、功能磁共振( m r i ) 、漫射 加权成像( d w i ) 0 1 。它们所产生的图像各有所长，能够分别以不同的时空分辨率提供各 种解剖信息和( 或) 功能信息，协助医生诊断和治疗。计算机断层扫描( c t ) 图像对于骨 组织、牙齿等具有很高的分辨率，而核磁共振( m r i ) 图像对于软组织和肿瘤成像清晰， 而p e t 图像就提供了人体的功能信息。在医学图像中，应用最广泛的图像是计算机断 层扫描( c t ) 图像和核磁共振( m r i ) 图像0 1 。处理这些日益庞大和详尽的信息并且提供及 时准确的诊断和治疗就成了医院临床应用的需要。它需要在图像处理的各方面进行创 新，例如图像分割、图像登记、可视化、压缩和通信等。 近年来计算机断层( c t ) 设备、核磁共振( m r i ) 设备的研制成功，为临床医学的诊 疗和医学科学的研究，提供了清晰的人体结构图像和详尽的病理信息，使得疾病的检 查与诊断发生了革命性的变革。三维医学图像由于其丰富的信息和直观逼真的视觉效 果，在临床诊断、治疗和医学研究中具有极大的应用价值“1 。在计算机上将二维的断层 图像进行三维重建，并对医学图像数据进行各种处理，不仅为医生提供了人体组织和 器官逼真的立体显示，使医生从繁重的大脑重建过程中解脱出来，而且可以协助医生 1 更加直观、迅速、准确地诊断病变。为提高诊断的精确度及进行各种手术方案的模拟、 比较不同的手术方案和结果提供便利，以帮助制定出最佳的手术方案和提高手术的安 全性。本文主要研究由医学图像( c t m r i ) 二维断层序列来构建组织或器官的三维几何 模型的方法和实现；本文研究和实验数据采用来自人体腹腔的部分c t 图像序列。具有 一定分辨率的医学图像序列或体数据是一个基于规则网格的标量数据场。对于这类数 据的三维可视化方法，通常可根据绘制过程中数据描述和处理方法的不同而分为两大 类：面绘制和体绘制。根据各种应用的具体需求，以在生成图像质量与绘制速度间寻求 可能的最佳方案为宗旨；本文着重对体绘制方法及其可视化技术进行了深入地讨论和 进一步的研究。 通过上述背景分析，本文研究将在使用现有的技术、标准与v t k 工具相结合的基 础上，实现搭建三维图象重构与可视化平台的目的。与其它的医学图象处理软件相比 具有能够适应多种类型图片，读入速度快，重构效果好的优点。本文通过对三维重构 算法分析并进行实验比较，达到读入多种类型的医学图片，根据不同的组织采用不同 的体绘制方法以取得更加清晰的重构图象的效果。 1 2 医学图像技术发展现状 1 2 1p a c s 简介 p a c s 是医学影像存档和通信系统( p i c t u r ea 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 ) 的英文缩写。p a c s 系统应用于医学影像科室，以数字方式实现了医学图像和信息的获 取、存储、通讯、管理和传输等过程”1 。实现了医学影像的数字化、网络化、无片化管 理，大大降低医院成本，提高了医院的工作效率和社会效益。p a c s 是医学影像发展的 必然趋势。 p a c s 解决方案应该集成优秀的影像处理技术和先进的信息存储技术，具有快速的 图像读取能力和多种图像处理功能，能够真正实现的网络资源共享，成为真正的影像 存储和管理平台。其特点如下： 具备先进的图像处理和存储管理技术：具有查询调阅图像快捷、图像处理功能强 大等优点，符合国际公认的医学影像通讯标准d i c o m 3 0 ，能够破除各种不同医学仪器 问沟通的障碍，为医院未来的发展扩充保留最大的弹性。 资料调取迅速、准确：建立p a c s 系统的目的就是要全面提高医院的诊疗环境以及 服务质量，只有功能完善的系统才可以真正实现。调阅到的影像资料品质更是强调其 清晰、准确，这正一个合格的p a c s 系统的存储及传输功能的关键所在。 专业的影像处理：具有专业的影像处理功能，可对影像进行放缩、移动、旋转、 反白、窗宽窗位调节、滤波、伪彩、连续播放、c t 值、m k i 值测量等影像处理，并可 在影像上进行箭头、矩形、椭圆图形、手绘线等辅助标注，对病兆区进行角度、长度、 面积等精确的测量。并且可为病人打印出图文并茂的诊断报告，或直接给病人提供标 准格式的光盘资料。 2 安全可靠的运行环境：进行双机热备，保证影像资料的交换和存储常年不问断、 不丢失。同时系统合格的安全保护措施以及安全运行的良好记录保证了医疗影像数据 的安全可靠。并且对医院网络进行防火墙、入侵检测等安全规划，最大限度保证数据 的安全性。 开放的平台具有良好的扩展性：可与医院的各种信息系统完美结合；多元化的影 像采集方法可适应医院将来在p a c s 系统中加入新设备的需求；存储方案充分考虑目前 图像数据量，以及随着p a c s 的扩展，图像数据量增加所造成的对存储容量的要求；系 统预留的远程医疗接口便于医院通过i n t e r n e t 实现医院之间的数据交换以及提供远程 会诊服务。 简易亲切的操作环境：具有简易的人机操作界面，使用方便，操作简单，完全的 中文环境，符合国内医生的使用习惯，图像处理工作简单、方便、快捷，功能齐全， 系统数据维护方便，给用户提供了一个简易亲切的操作环境。 根据上述p a c s 特点，结合项目实际需求，提出了按模块划分的思想。对于每个模 块又根据其功能特点进行进一步的划分。 图i 1 系统网络拓扑结构 整个系统由五个主要模块构成：二维影像工作站、三维影像工作站、远程诊断模 块、数据归档模块、诊断报告模块。五个模块按照p a c s 系统的标准结构无缝的进行连 接，既能互相协同工作，又可以进行独立的图像、数据处理。整套系统以归档应用服 务及远程诊断服务为核心点，将其它模块紧密地联系成一个高效的p a c s 系统。在设计 时既考虑了模块的独立性又兼顾了系统的可扩展性。如下表1 1 所示： 表1 1 模块一览表 序号模块名称 主要功能与其它模块耦合性 l 二维影像工作站完成对二维影像的处理 可以启动远程诊断模块、可以启动 诊断报告模块 2 三维影像工作站完成三维重构、裁切管理、可以启动远程诊断模块、可以启动 虚拟内窥镜、组织分割等技诊断报告模块 术 3 远程诊断模块对远程会诊进行科学、有效可以根据接收数据类型的不同分 的管理别启动二维、三维影像工作站模块 4 归档模块实现影像数据到归档服务器为二维、三维影像工作站与诊断报 的上传、管理、权限维护等告模块提供数据服务 功能 5 诊断报告模块完成诊断报告的打印输出 可以作为二维、三维影像工作站子 模块亦可独立存在 本文将重点讨论三维影像处理的技术重点。 1 2 2 发展现状 从7 0 年代中期到7 0 年代末，由于受当时计算机断层摄影技术发展水平的限制， 切片的厚度和切片问的距离都很大，因此早期研究主要集中在轮廓连接，其中具有代 表性的是1 9 7 5 年k e p p e l 提出的用三角面片拟合物体表面的方法，先求出每张切片中 物体的闭合轮廓，然后将相邻切片的轮廓连接生成物体表面，在医学图像三维重建及 可视化研究方面，确定多分支等值线在相邻切片问的拓扑关系以及分支顶点的连接关 系比较困难，至今尚未彻底解决。1 9 7 9 年，h e r m a n 和l i u 提出了立方体法，该算法将 三维体数据分割成物体和背景两部分，然后对物体数据的每一个采样点构建立方体， 并求出表面法向量，把物体边界处体素的表面拼接起来以代表物体的表”1 。三维可视化 的基本思想已初步建立起来。 8 0 年代，可视化技术迅速发展，各种影像技术不断出现并逐渐成熟，它们能够产 生高分辨率低噪声的一维图像，其基本概念和研究方法初步形成，极大的促进了三维 可视化的发展。在这个时期，可视化技术的发展主要体现在大量算法的提出，并尝试 利用硬件实现某些费时的处理过程。如1 9 8 7 年，l o r e n s o n 等人提出了一种非常有效的 等值面构造算法一移动立方体法m c ( m a r c h i n gc u b e s ) ，它在体素级上用三角片拟 合等值面，m c 算法的提出提供了一种精确地定义体素及其内等值面的生成方法，后来 许多人对m c 方法进行了改进。1 9 8 8 年，c l i n e 提出了分类立方体法d c ( d i v i d e d c u b e s ) ，它把体素分为三类：物体内的、物体外的和表而上的体素。1 。在整个8 0 年代 三维可视化研究中，最引人注目的是直接体绘制算法的提出，这种方法可以构造物体 表并直接对物体进行显示。1 9 8 8 年，l e v o y ，d r e b r n ，u p s o n 等人提出了最早的体绘 制算法光线投影法，8 0 年代末提出的抛雪球方法，它改善了体数据离散化造成显示出 4 现的混淆现象，使显示图像更加平滑。 到了9 0 年代，三维可视化的研究趋于多样化，随着科学计算可视化技术、医学影 像技术、计算机图形学、高性能计算等各种信息技术的发展，出现了全新的研究领域， 即数字可化可视人体研究。 在国外，已经有了可以显示三维医学图像的商品化系统，除了通用电气、西门子、 东芝等医学成像设备制造商开发的配套软件产品外，比较成熟的医学图像处理软件包 还包括美国宾州大学开发的3 d v i e l i n i x 系统，美国生物动力学研究中心开发的a n a l y s e 系统，加拿大的a l l e g r o 系统等。这些系统在功能上各有长短，但大都是在工作站上 的开发，或者与医疗设备捆绑销售，不仅是软件而且所需硬件设备价格昂贵，升级维 护成本高，使用不方便，在国内难以得到普及。相比较而言，目前微机的性能价格比 越来越好，且其运行的环境用户界而十分友好，操作方便。因此，在国内开发基于图 形工作站的三维医学图像处理与分析系统不仅具有科学意义，而且具有重要的临床应 用价值和市场价值。 国内起步较晚。目前，浙江大学、清华大学、东南大学、西北大学、中科院自动 化所等均做了大量研究，开发了一些实验系统，但尚无成熟的商用系统。尽管这些实 验系统都取得了一定的成果，但依然存在这样或那样的缺陷，如浙江大学研制开发的 交互式三维医学图像可视化系统m e d v i s ，主要包括两个核心绘制算法：结合三维硬件 纹理映射和剪切一变形( s h e a r - w a r p ) 变换的体绘制算法，及多分辨率的等值面抽取算 法，它解决了传统单一分辨率的m c 算法产生三角面片过多，从而影响实时交互的问题， 但它重建速度的提高是通过硬件支持的，对硬件要求高：又如由清华大学计算机系计算 机图形学及可视化技术研究组的师生开发完成的人体断而解剖图像三维重构系统，可 以很好地完成骨骼、血管、神经等的三维可视化，但对于一些软组织及肿瘤的三维重 建效果不好。北京大恒公司，深圳的威达医疗公司，已有商用软件应用于医院肿瘤病 人的化疗计划中，但由于重建方法采用的是面绘制，造成三维体内部部分信息的丢失， 医生在进行治疗方案设计时，是在图像平面上进行分析，不能在全方位立体模式下进 行放射和剂量的设计，造成关键部位不能准确判断。因此，开展基于直接体绘制的三 维可视化技术的研究，具有极大的医学研究价值和临床诊疗应用前景，具有重要意义。 随着现代医学影像和i t 技术的广泛发展，处于其交叉领域的p a c s 系统也得到飞 速的发展，但是由于国内影像设备的数字化程度很低，h i s ( 医院信息系统) 和r i s ( 放 射信息系统) 还很不完善，所以真正适合中国国情的p a c s 系统很少。 我国数字医疗建设刚刚起步，目前已经建设的医院信息系统，只能算是一般意义 上的管理信息系统( m i s ) ，还没有把重点放在临床支持上，不是真正意义上的数字医疗， 因此数字医疗在中国医疗市场上基本还是空白。目前全国已有几十家企业从事数字化 医疗技术研究，但规模普遍较小，在市场上都没有形成较大的份额。 医疗信息化市场空间巨大。卫生部曾强调“国内三甲以上的医院都需要实行信息 化管理”。据悉，目前中国有3 万多家医院，其中有6 0 0 0 家是三甲以上的医院。未来 几年中，我国将有超过7 0 的医院实现信息化管理。我国医疗市场巨大的空白点为国 s 内外it 厂商进入提供了良好的机会。 目前在国内三维医学图像的体绘制技术研究尚处于起步阶段，而对医学临床已具 各的丰富的三维医学体数据和应用需求，及早地开展这方而的研究具有广泛的应用价 值和深远的发展前景。 1 3 本文工作内容 本文的应用背景是吉林省科技重点攻关项目分布式医学图像分析与处理平 台。经过长春理工大学信息技术研究所计算机医学影像处理技术研究室两年多时间的 辛勤劳动已经圆满地获得了一个阶段性的成果，完全达到了设计要求。作为一个庞大 的系统，三维重构及其可视化是整个项目的重要的组成部分，实现了令人欣慰的效果。 随着技术的进步，医学图像处理领域面临着一系列的挑战，添加过渡语句主要的 服务对象医生已经不满足现有的技术，本文就是按照这样一个思想进行设计和论证的。 本文各章节安排如下： 第一章绪论，主要说明本文的背景，简述p a c s 与医学图像技术发展现状以及本文 的研究意义。 第二章v t k 及可视化技术概述，介绍开发工具v t k ，及其特点、编程机制框架结构， 以及可视化技术的概述，包括面绘制，体绘制和典型算法。 第三章三维图像重构的实现。介绍三维图像重构的系统模型。组织分割技术中的 算法，裁切技术以及三维图像的绘制。其中重点介绍组织分割以及三维图像绘制的算 法。 第四章可视化技术在虚拟内窥镜中的应用。对虚拟内窥镜进行简介、重点阐述对 移动立方体算法的改进以及虚拟内窥镜的实现。 第五章总结。主要对这一阶段的工作以及论文中的问题以及收获进行总结并对后 续工作进行展望。 6 第二章v t k 及可视化技术概述 2 1v t k 简介 v t k 是k i t w a r e 公司推出的一个支持多平台( u n i x ，l i n u x 和w i n 3 2 ) 的免费软件系 统。v t k 开放所有源码，支持三维计算机图形学、图像处理和可视化等0 1 。v t k 包括一 个c + + 类库和一个解释性接口层( 包括t e l w k ，j a v a ，e y t h e n ) 。类库的设计和实现都 是基于面向对象原则9 1 。v t k 不仅提供可视化几何图形，而且还支持大量的可视化算法， 包括标量、向量、张量、纹理和体元的算法、网状三维物体的平滑剪切、多边形减少 等高级建模技术“。 v t k 是用于三维计算机图形可视化和图形处理的面向对象软件系统，提供全面的面 绘制( 软、硬件实现) 、体绘制( 纯软件实现) 和充分的交互功能。它具有开放源码 ( w w w k i t w a r e c o m v t k h t m l ) 和可移植性( 支持w i n d o w s 和u n i x 系列平台) 等特点。 ( 1 ) v t k 提供全面的功能支持，支持二维和三维图形图像和可视化计算，还提供计 算几何、体绘制、图像分割和配准的算法支持。用户可用v t k 实现任何图像的处理功 能。 ( 2 ) v t k 对高性能计算的支持是它最近逐渐成熟起来的特点，它使用分布数据执行 机制的方法实现数据的并行处理，打破了集中计算模式的瓶颈。v t k 还支持流式数据分 割处理，即在内存有限的情况下处理大于内存限制的数据。这种片段数据处理机制对 用户是完全透明的，使得使用更加方便。 ( 3 ) v t k 最为引人注目的特色是源代码公开，它使用户对开发的控制灵活到源代码 层i 可满足不同用户的需求，同时由于v t k 的源代码公开，它得到了源代码公开世界 的广泛支持，从而使其源代码得到不断的更新，从而具有了强大的生命力。 2 1 1 v t k 的特点 用v t k 来产生图形和进行可视化应用是非常方便的，它包括两个基本部分。首先， 建立一个数据流水线( d a t ap i p e l i n e ) 来处理数据；其次，建立适当的目标图形来演示 数据。建立流水线( p i p e l i n e ) 就是将s o u r c e s 、f i l t e r s 和m a p p e r s 连接起来。 v t k o b l j e c t 是v t k 类库的基类，它为整个可视化流程提供基本的方法。v t k s o u r c e 是 v t k o b j e c t 的派生类和v t k f i l t e r 的父类，它为整个可视化流程的开始( 比如读取数据 等) 定义具体的行为和接口。v t k f i l t e r ：是v t k s o u r c e 的派生类，它对数据进行各种 处理，将原始数据经过各种f i l t e r ：的处理后转换为可以直接用某种算法模块对其进 行处理式。v t k m a p p e r ：也是v t k o b j e c t 的派生类，它将经过各种f i l t e r 处理后的应 用数据映射为几何数据，为原始数据与图像数据之间定义了接口。这样，依据要处理 的数据的类型和想要实现的功能，多种类型的s o u r c e s 、f i l t e r s 和m a p p e r s 就连接了 起来。类型检查控制着哪一类的f i l t e r s 可以连接在一起“。 7 v t k 具有如下特点：1 ) 可移植性v t k 的核心系统独立于w i n d o w s 系统，可以在u n i x 、 p c 及其他的一些平台上运行；2 ) 解释型语言界面层v t k 利用了编译型语言( 内核) 和解 释型语言( 外壳) 的双重优点。系统的编译型内核可以与解释型外壳分离，也可以嵌入 到应用程序之中；3 ) 简洁、灵活性v t k 系统结构简单，易于掌握、维护和扩充。它仅 是一个目标库，可以很容易地嵌入到应用程序之中；4 ) 面向对象v t k 可视化类库利用 面向对象的建模技术，将可视化算法和绘制进行了明确的划分，封装成一系列定义清 晰的、易于扩展的类，既便于人们研究、使用，又易于增加自己的绘制引擎。 2 1 2 v t k 的编程机制 v t k 的体系结构可以分为两层：预编译的核心层和解释性语言封装层，这种体系结 构把编译语言和解释性语言有机的结合在一起，充分利用了这两种语言的优势“。v t k 的核心层采用c + + 语言，整个系统的数据结构、算法以及有实时性要求的系统函数都在 这一层里以c + + 类库的形式实现，从而确保了整个系统的高效性。v t k 的解释性封装层 主要用来保证应用程序开发的效率，通过这个封装层，可以采用j a v a 、t c l 和p y t h o n 等解释性语言来操作预编译的c + + 类库。表示了基于v t k 的应用程序的系统框架，由核 心层和封装层组成的v t k 独立于系统底层的图形用户接口( 通过抽象的图形模型实现 对不同g u i 系统的封装) ，并为应用程序层提供可视化的编程接口。应用程序层既可以 通过解释性封装层来操作核心层的c + + 类库，也可以直接调用c + + 类库的编程接口，此 外应用程序层还可以直接处理系统底层。v t k 的这种体系结构使得其上的应用程序的构 建极为灵活方便”。 v t k 中利用了流行的面向对象技术，可以直接用c + + 、t e l 、j a v a 或p y t h o n 编写代 码，可以在w i n d o w s 、u n i x 等操作系统下运作，其内核独立于w i n d o w s 。v t k 并不是一 个单一的系统，事实上它仅仅是一个目标库，这些目标库可以嵌入应用程序中，同时 还可以在v t k 基本函数的基础上开发自己的库函数。由于v t k 是开放式的免费软件， 而且具有强大的三维图形功能、良好的体系结构和高度的灵活性、可移植性，目前在 美国、西欧等各个高校、研究所已经得到了广泛的应用。 v t k 是一种用于三维计算机图形学、图象处理及可视化的软件系统工具，在国外很 多大学、实验室已经将v t k 作为教学和科研工具，其应用已渗透到医学、石油勘探、 声学、流体力学等领域。v t k 利用了面向对象的技术，它包括c + + 类库，及t c l t k 、 j a v a 、p y t h o n 等一些解释型界面层。其图形模型建立在比o p e n g l 更高层基础之上，所 有的函数都封装在5 0 0 多个类库中。v t k 不仅支持对几何体的显示及渲染，还同时支持 许多图形及可视化算法( 矢量、标量、张量) 及高级的建模技术( 快速建模、多边形优化、 d e l a u n a y 三角形片生成法) 。同时，v t k 将图形图像算法直接集成，将二维三维图形 图像的算法和数据融合起来。 2 1 3 v t k 的框架结构 图2 1v t k 的框架结构 在v t k 类库中，将众多的，常用的图形操作，图像处理算法封装成不同的类，非 常易于理解和调用。对于数据可视化算法，特别是用于医学图像的成熟算法如m a r c h i n g c u b e ( 移动立方体算法) 等，封装成一系列定义清晰的，易于扩展的类，为研究、使 用和扩展提供了极大的方便。v t k 类库中将底层的图形、图像处理算法和数据的绘制进 行了明确的划分，使人们可以非常容易地增加自己的绘制引擎。而且v t k 是经过实践 检验的、稳定的、灵活的三维图形图像处理类库，为此在三维重构中引用、封装、扩 展了v t k 中的类来实现系统部分功能。 v t k 中对于体素数据信息的处理是通过体元映射器实现的，通过对v t k 类库的研 究，总结了其中封装的关于体绘制算法的类如下图2 2 所示“6 】： 图2 2 体绘制算法的类 v t k v o l u m e m a p p e r 是一个抽象类，它是体元映射器的抽象定义，处理r e g u l a r r e c t i l i n e a rd a t a ( 如v t k l m a g e d a t a ) 由它派生了以下六个类： v t k v o l u m e r a y c a s t m a p p e r ：它是一种速度很慢但很精确的体绘制。它需要设置体元光 线投射函数，该函数通过光线周围处理值来计算最终像素值。 9 v t k f i x e d p o i n t v o l u m e r a y c a s t m a p p e r ：它是将v t k i m a g e d a t a 中应用软件光线投射的体 绘制。它可用于各种数据类型的输入和多种组成成分。它能够执行按照组成成分或物 质密度不同而进行的绘制，并能混合几何数据。用空间跳跃来加速绘制过程，计算精 度可达1 5 位。它适用于对体数据多于一个组织或不是u n s i g n e dc h a r 或u n s i g n e d s h o r t 类型的数据的重构。但不进行表面光线投射，在组成成分分类之前只是进行插值。 因此不适合某些组织的重构如人体嘴和牙的绘制。v t k v o l u m e p r o m a p p e r ：通过设置一 些硬件的参数来实现，一种硬件加速卡绘制方法。v t k v o l u m e s h e a r w a r p l a p p e r ：剪切 变形体元映射器中的一个抽象类，使用剪切一变形因数分解算法。s h e a r w a r p 绘制方法 中，通过一种特殊的遍历模式，来发掘图像空问和物体空间的连贯性。使用该方法进 行等值面的绘制，在没有任何硬件加速条件下，绘制速度也可以接近交互绘制的要求。 体数据场经过分类算法分类后，根据不同的阈值条件可以将体数据分为物体数据和背 景数据两种。体数据的属性值( 例如灰度值) 不变，分类后的体数据通过人为地分配 不透明度值来分辨物体和背景数据。v t k v o l u m e t e x t u r e m a p p e r ：体元映射器的抽象类， 使用纹理映射方法。v t k v o l u m e t e x t u r e m a p p e r 3 d ：使用3 d 纹理映射方法绘制体元，抽 象类，它的实现通过v t k o p e n g l v o l u m e t e x t u r e m a p p e r 3 d 。针对不同硬件有不同的绘制 方法。平衡各方面需求从中选择了几种所需要的类实现系统体绘制的功能。 具体实现方法：用户通过s e t r e n d e r f u n0 方法选择重构方式，发现每种重构方式 都可以归纳为对数据i m a g e d a t a 通过修改映射器m a p p e r 和属性p r o p e r t y 内容来达到 重构的效果。还将三维重构与组织分离和三维裁切紧密结合在一起，通过开关 s e t t i s s u e o n 0 和s e t c u t t e r o n 0 来控制重构形式，将映射器和属性作为接口，当开关 打开时，系统将组织分离或三维裁切后的结果进行重构，否则系统使用默认属性及相 应映射器进行重构，使系统具有较好的兼容性。体绘制一中使用了v t k 类库中的类 v t k v o l u m e r a y c a s t c o m p o s i t e f u n c t i o n 及相应的v t k v o l u m e r a y c a s t m a p p e r ，该方法的 原理是r a y - c a s t i n g 算法，从屏幕发出的每束光线，穿过数据集中的体素后可得一强 度曲线，而面显示是指定阈值的等值面，因此沿着光线的强度曲线，一旦搜索到等于 某阈值的点就记录该点，而所有光线的这些点的集合就构成了基于该阈值的等量面， 从而得到所需的医学三维显示图像。系统中的另外一种体绘制方法使用了v t k 类库中 的类v t k v 0 1 u m e r a y c a s t i s o s u r f a c e f u n c t i o n 及相应的v t k v 0 1 u m e r a y c a s t m a p p e r 映射 器，它的特点是可以通过设置灰度值来显示该灰度值所对应的组织，适用于组织分割； 体绘制三采用的是v t k g o l u m e r a y c a s t m i p f u n c t i o n ，根据组织密度不同对光的吸收或反 射程度不同来划分等值面，适用于多组织重构；体绘制七采用了 v t k v 0 1 u m e t e x t u r e m a p p e r 2 d 类利用纹理映射进行三维重建，可以更为直观地显示人体 器官的各个解剖结构的形态及它们之间的毗邻关系，为基础研究和手术规划及手术过 程模拟提供参考。鼻部是人体内解剖结构比较复杂的部位之一，可以尝试该种体绘制 方法来实现鼻部部分解剖结构的三维可视化，以此为可视化虚拟人体模型的建立提供 一种精确的重建方法和显示手段，同时也可以为医疗工作者提供更为细致、完全和快 捷的观察方案。 1 0 2 2 可视化技术概述 科学计算可视化( 简称为科学可视化或可视化) 是基于日趋成熟的图形学和图像 处理技术，充分发挥人的视觉潜力，以图形、图像及动画等视觉表现形式展现计算与 数据的本质，并允许与计算和数据进行交互，使科学家们能够观察到不可见的对象( s e e t h eu n s e e n ) ，洞察到自然现象及其规律，促进科学发现与科学交流，是驾驭计算过程 及理解大体积数据的唯一有效途径，它的目的是洞察( i n s i g h t ) ，而不仅是获得数值。 它标志计算工具的进一步现代化甚至被称为“第二次计算机革命”“。 科学计算可视化是计算机图形学的最新发展方向之一。图形学早期的成就主要是 将处理对象的线框图绘制出来，象建筑物、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挡住，又提 出了线消隐技术。随着计算机图形学理论的发展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，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 以很好的表现物体之问的相互影响与各种光学效果。但是，以前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。而科学计算可视化处理的对象与原来表现的对象有根本的不 同，比如数据场，它是一些数据的集合，对不同的情况，数据之间又有不同的相互关 系，因此，不仅数据场的外表面，也包括数据场内的各个数据都会影响显示效果。早 期的科学计算可视化需要大型的计算设备，其应用面较为狭窄，随着计算机硬件结构 的下降和功能提高以及网络技术的普及，其实现平台逐渐由专用大型计算机过渡到图 形工作站以及微机平台。 三维重构的方法分为面绘制和体绘制两大类。依据两类经典算法的各自特点，针 对医学图像数据的三维快速重构与三维模型的简化问题。 2 2 1 面绘制 面绘制( s u r f a c er e n d e r i n g ) 是指体表面的重建，从切片数据集提供的三维数据 中抽取出等值面，然后再由传统的图形学技术对物体表面进行拟合“”。它可以有效的 绘制三维体的表面，并且可以借助传统计算机图形学多边形绘制技术及图形硬件加速， 所以速度快，但缺乏内部信息的表达“”。 面绘制的基本思想是提取感兴趣物体的表面信息，再用绘制算法根据光照、明暗 模型进行消影和渲染后得到显示图像。在计算机图形学领域，面绘制算法发展到今天 已经相当成熟，并可利用专门的图形加速硬件来加速绘制过程，但面绘制需要指定阈 值，以确定场景中感兴趣物体的表面，而且除了阈值法，任何自动的、“硬”的( 相对 于模糊分割而言) 、基于边缘或基于区域的分割方法都可以使用。由于上述方法采样的 参数需要交互指定，因此分割和绘制速度在这里是最重要的考虑因素。另外，这种分 割得到的表面可以用多种方式对其进行描述，如体素、点、体素的面、三角面片及其 1 1 他形状的表面片等，这个过程常常又被称为三维建模，一般绘制本身包括投影、消影 和渲染三个基本步骤，这些步骤对于产生三维立体感是必须的，而其他技术，如立体 显示，旋转物体造成的运动视差，阴影和纹理映射都可用于增强立体感。 2 2 2 体绘制 体绘制( v o l u m er e n d e r i n g ) 。体绘制与面绘制不同，由于体绘制算法认为体数据 场中每个元素一体素，都有一定的属性( 透明度和光亮度) ，而且通过计算所有体素对 光线的作用即可得n - - 维投影图像“。 直接体绘制法是近年来发展起来的用于显示体数据的新算法，它放弃了传统方法 中体由面构造这一约束，可以在小构造物体表而几何描述的情况下采用体绘制光照模 型直接从三维体数据中绘制各类物理量的分布情况1 。首先要对原始数据进行分类， 将三维体数据中的体素看成一个半透明物质，并赋予其一定的颜色与阻光度，由光线 穿过整个数据场，进行颜色合成，得到最终的绘制结果。目酊有三类直接体绘制方法： 光线跟踪法( r a yt r a c k i n g ) 、投影成像法( r a yc a s t i n g ) 和频域变换法。“。 体绘制，也称直接体绘制( d i r e c tv o l u m er e n d e r i n g ) ，直接研究光线通过体数据 场与体素的相互关系，无需构造中间面，因而体素的许多细节信息得以保留。但体 绘制最突出的问题就是图像的生成速度较慢，这使得在2 0 世纪9 0 年代以前体绘制一 直没有能引起足够的重视。近年来计算机硬件技术的不断发展使得体绘制方法在普通 p c 机上实现成为可能，有越来越多的致力于体数据可视化方法的研究者将注意力转移 到体绘制方法的研究上来。体绘制技术则是对每条视线上每个像素强度计算加权和， 将结果作为投影像素的灰度值。 体绘制方法通常不要求对被显示物做精确的分割，它直接研究光线通过体数据场 时与体素的相互关系，物体中的细微结构和细小变化都可以不同程度地表现出来。更 重要的是，在体绘制方法中，透明度的引入大大增强了数据整体显示效果。通过对不 同的组织分配相应的透明度，可以同时将各组织器官的质地属性、形状特征及相互之 间的层次关系表现出来，从而丰富了图像的信息。但是由于整个数据集都参与绘制， 又缺乏特殊的硬件支持，显示处理速度非慢，不能满足实时交互的要求。并且体绘制 方法不能灵活地改变外部光照及视角，每一次变化都意味着整个绘制过程重颏开始。 体绘制技术的实现是一个三维离散数据场的重采样和图像合成的过程。首先要对 每个体素赋以透明度和颜色值，再根据各体素所在点的灰度梯度及光照模型计算出相 应体素的光照强度，即像素的光照强度，生成结果图像。体光照模型来源于物理光学 模型，根据文献可分为以下几种： ( 1 ) 光线吸收模型( a b s o r p t i o no n l y ) 这是最简单一种模型，它假定三维空间的小 粒子可完全吸收所射入的光线，而无反射和发光的功能。重建出的图像类似于x 光图 像。 ( 2 ) 光线发射模型( e m i s s i o no n l y ) 假定小粒子只具有像高温气体那样的发光功 能。 ( 3 ) 光线吸收和发射模型( a b s o r p t i o np l u s e m i s s i o n ) 它结合了吸收和发射，也是 1 2 体绘制中应用最多的光照模型。 ( 4 ) 外部光源的单个散射无阴影模型( s i n g l e s c a t t e “n go fe x t e r n a l i l l u m i n a t i o nw i t h o u ts h a d o w s ) 这种模型包含了l e v o y 所描述的p h o n g 明暗模型。 ( 5 ) 单个散射有阴影模型( s i n g l es c a t t e r i n gw i