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医学数据三维交互可视化原理探索

第1章绪论1.1研究背景与意义

科学技术的进步推动了人类社会方方面面的发展，人们的日常生活

和工作方式也随着技术的进步而不断变化。特别是进入二十世纪，计算机

技术得到了迅猛发展，以信息获取、表示、存储、处理和控制为研究对象

的计算机科技已渗透到了人类活动的各个领域，对人类社会的发展产生了

巨大的影响。随着社会信息化的推进和网络应用的日益广泛，信息源越来

越庞大。除了需对大量数据进行存储、传输、检索及分类等外，还需迫切

了解数据之间的相互关系及发展趋势。虽然目前的数据库系统可以高效地

实现数据的录入、查询、统计等功能，但无法发现数据中存在的关系和规

则，无法根据现有的数据预测未来的发展趋势。实际上，在激增的数据背

后隐藏着许多重要的信息，人们希望能够对其进行高层次分析，才能更好

地利用这些数据。在医学领域，这种情形更为明显。自1895年伦琴发现X

射线产生的方法后，医学诊断技术进入了一个活跃的时期。20

世纪60年代末至70

年代初，随着计算机与微电子技术的飞速发展，一大批全新的影像技术进

入了医学应用领域，极大丰富了医学诊断信息的领域和层次，提高了诊断

的水平，对临床医学和工程学界均产生了巨大的影响。医学影像技术利用

计算机控制、提取、处理影像参数，并将其以二维图像的形式表现出来，

从而形成了一种快捷、无损伤的诊断方法。借助此种方法，医疗工作者可

不经过解剖检查，就能快速获取人体器官解剖图像，从而诊断出人体器官

的器质性病变。各种医学影像设备，如CT、MR、PET、SPET、DSA

等等，均可针对不同病因生成清晰的解剖图像。目前，主流的医学影像设

备均能提供大量等距离的、空间对齐的二维影像序列，对整个影像数据分

析的工作量很大。同时，要得出准确的诊断结果，医生需要依靠其专业知

识和主观判断，从多幅二维图像中构思病灶在人体中的三维位置、形状和

大小，从而导致了整个过程的不直观。1.2

三维交互可视化的研究现状进入20世纪80

年代，计算机已成为人们工作、生活必需的工具，与计算机相关的各门学

科也日趋完善，计算机图形学、图像处理、虚拟现实技术开始由理论研究

向产业化方向发展。为了提高诊断效率，降低治疗风险，医学数据三维分

析的实用化逐渐成为医疗诊断、解剖教学、手术规划等方面需要迫切解决

的一个问题。各个领域的专家对此问题进行了深入研究以期实现可视化

术在医疗领域的应用，在降低治疗风险的同时，最大限度提高诊断的准确

性和直观性。三维可视化技术可以由一系列二维图像重构出三维形体，用

于重建的数据类型各不相同，比较常用的类型是标量值，如医学断层图像

集。三维空间中分布在离散网格上的数据一般是由连续的数据经过断层扫

描、有限元分析或随机采样后经过插值运算取得的，而显示器上显示的图

像则是由存放在帧缓存中的二维离散信号经图形硬件重建而成，这就需要

我们将离散的三维数据场按照某种规则转换成显示器帧缓存中的离散颜色

信号，即像素点的颜色透明度值。第2章

增强真实感的加速可视化2.1引言

真实感图形技术是计算机图形学中的重要部分，而在真实感模拟过

程中，光照效果的处理又是增强真实感效果最重要的手段。表面加以光照

的三维图形能给人以多层次的颜色渐变或明暗过渡的三维视觉效果，从而

在计算机中实现对现实效果更真实的模拟。光照效果主要是依据图形的物

理材质、凹凸性以及光源的性质，结合光学物理的有关定律，来实现自然

界光照效果的计算机模拟。就光照模型建立的方式而言，可大体分为两种

方式：局部光照模型和全局光照模型。局部光照只考虑光源与物体作用所

产生的效应，而全局光还要考虑周围环境对物体色彩的影响。在三维可视

化技术中有代表性的模型有Blinn-

Phong模型、Lambert模型、Gauroud模型、光线追踪技术等等。目前，利

用纹理技术已能实现一定数据量的交互绘制，而且二维、三维纹理功能从

中低端图形硬件就开始得以普及。医学图像对成像效果要求较高，在临床

应用过程中，除了要求三维模型有着快速的交互速度外，还要求其尽可能

地逼真。

但光照效果的引入