第四章去三维空间数据场的直接体绘制n#4-1.doc

第四章 三维空间数据场的直接体绘制 第一节 直接体会制的基本原理 一 直接体绘制方法产生的背景 有关三维可视化的研究始于70年代中期，它是伴随着CT技术的产生和发展而发展起来的。从70年代中期到70年代末，由于受当时CT技术发展水平的限制，切片之间的间距很大，因此早期的研究工作主要集中在轮廓连接(Contour Connection, Contour Tracking)或称为从平面轮廓线重建形体(Shape from Planer Contours，如图1，图2)，其中具有代表性的是Keppel在1975年提出的用三角片拟合物体表面的方法。这类重建方法需要解决断层图像上的轮廓抽取、层之间的轮廓对应和物体外表面的拟合等问题。1979年，Herman和Liu提出了立方体方法(Cuberille)，他们用物体边界处体素的表面拼接起来去代表物体表面。总的来说，在这个时期，体可视化的基本思想已经初步建立起来，其中图像分割和重建方法对以后的研究都有一定的指导意义。然而，也有许多问题没有解决好，象图像分割、轮廓连接中的对应问题和分叉问题以及显示图像质量低等。当然，造成这种状况的部分原因是影象技术还不成熟，更主要的原因是因为图像分割和轮廓对应的本质决定了它们都是不适定的(Ill-posed, Ill-defined)问题。 图1 由二维轮廓线重建三维形体 图2 陈矛，医学图像数据的三维重构及手术模拟的研究， 1998 80年代是体视化技术迅速发展的年代。在这十年中，各种影象技术不断出现，如磁共振成像(MRI:Magnetic Resonance Imaging)、超声(US:Ultrasonography)、正电子辐射断层摄影(PET:positron Emission Tomography)和单光子辐射断层摄影(SPECT:Single Photon Emission Computed Tomography)等影象技术逐渐成熟。它们能够产生高分辨率低躁声的三维图像，极大地促进了体视化的发展。 在这个时期，人们提出了大量算法，并尝试利用硬件实现一些费时的处理过程。在明暗计算上，首先提出了以深度代表明暗的方法，它是最简单的浓度计算方法，但不能清楚地反映出物体的细节。随后又有人提出深度梯度明暗计算方法和文法结构明暗计算方法，一定程度上提高了图像的明暗层次，显示比较粗糙、走样严重。1986年，Hohne和Bernstein提出了一种灰度梯度明暗计算方法，他能够细腻地表现物体微小的结构。这种方法至今仍被广泛采用，因为它利用原始三维灰度图像的梯度估计表面法向量，因此当原始三维图像的分辨率足够高时能够产生高质量的显示图像。 在视见变换和可见性优先级的确定上，提出了从前至后投影和从后至前投影等物空间算法和光线投射的象空间算法。在整个80年代的可视化研究中，最引人注目的是基于体素的显示方法。这种方法不构造物体表面，而是直接对体数据进行显示。 体视化(Volume Visualization)技术就是研究体数据的可视化。 体可视化方法大体可分为两类：基于表面的体可视化方法(Surface-based rendering)和基于体素的体可视化方法(Voxel-based rendering)。由于体数据之中不存在表面的几何信息，基于表面的体可视化方法必须从体数据中构造它所含的物体的表面(见三维表面重建)，然后用传统计算机图形学中的显示技术对重建的物体表面进行显示。但是，由于体数据所含有的物体结构一般都是复杂而细腻的，如人体器官和软组织等，很难用几何来准确描述。即使三维重建能够顺利完成，也只能体现物体的表面信息，而物体内部大量的有用信息却在重建的过程中被舍弃掉了。 为了克服上述缺陷，人们开始尝试直接体绘制方法(Direct volume rendering)，简称体绘制方法(Volume rendering)。它不需要进行三维重建过程来恢复体数据中的物体表面，而是直接对体数据进行显示，如图3。因为体素是直接体视的基本处理单位，因此有时也把它称为基于体素的体视。 图3 三维CT数据的直接体绘制结果 二 直接体会制算法的思想及基本原理 三维数据场可视化就是要将三维数据在二维屏幕上显示出来，这需要采用投影的方法来实现。一般说来，三维空间数据场是连续的，而实际采集到的三维数据场则是离散的。而屏幕上的二维图像也是由一个个离散的象素点组成，每个像素点有各自的颜色(或亮度)值，这也是一个二维的离散数据场。因此，可视化的实质就是将离散的三维空间数据按照一定的投影规则转换为离散的二维数据，即求投影面（观察平面）上各象素点颜色的R、G、B值，再由这些像素点组成一幅二维彩色图像和灰度图像，并尽可能准确地重现原始的三维数据场。直接体会制的主要过程见下图。 将离