醫(yī)學體數(shù)據三維重建體繪制技術研究

1、作者簡介 :韓世亮 (1984- 男 , 山東濰坊人 , 浙江工業(yè)大學信息工程學院碩士研究生 , 研究方向為醫(yī)學體數(shù)據三維重建 ; 胡凈 (1970- 女 , 浙江杭州人 , 浙江工業(yè)大學信息工程學院副教授 、 碩士生導師 , 研究方向為醫(yī)學圖像重建問題等 ; 姚明海 (1963-, 男 , 浙江杭州人 , 浙江工業(yè)大學 信息工程學院教授 、 碩士生導師 , 研究方向為嵌入式系統(tǒng)與應用 。醫(yī)學體數(shù)據三維重建體繪制技術研究韓世亮 , 胡凈 , 姚明海(浙江工業(yè)大學 信息工程學院 , 浙江 杭州 310014摘要 :在分析醫(yī)學體數(shù)據三維重建基本過程的基礎上 , 介紹了光線投射法 、 足跡法 、 錯

2、切 -變形法和基于小波變換的體繪制等典型算法 , 討論了各類算法的優(yōu)缺點以及改進方向 , 并展望了醫(yī)學體數(shù)據體繪制技術的未來研究方向 。 關鍵詞 :醫(yī)學體數(shù)據 ; 三維重建 ; 體繪制 中圖分類號 :TP391.41文獻標識碼 :A文章編號 :1672-7800(2009 07-0171-020引言醫(yī) 學 體 數(shù) 據 三 維 重 建 技 術 分 為 兩 大 類 :面 繪 制 (SurfaceRendering 技術和體繪制 (Volume Rendering 技術 。 面繪制技術繪制速度快 , 便于交互控制 , 但是構造的圖像不能顯示原始體 數(shù)據的細節(jié)問題 。 體繪制技術能夠保存數(shù)據場的細微特

3、征 , 顯 示豐富的細節(jié)信息 , 但是由于計算量大 , 圖像顯示速度緩慢 , 很 難達到實時性的要求 。近年來 , 隨著計算機硬件技術的發(fā)展 、 體繪制加速算法的 提出 , 以及醫(yī)療診斷中對圖像細節(jié)問題要求的提高等 , 使得體 繪制技術得到更多的重視 , 成為三維重建技術的研究熱點 。1體繪制技術的基本過程體繪制技術方法是依據視覺成像原理 , 首先構造出理想化的物理模型 , 即將每個體素都看作是能夠接受和發(fā)出光線的粒 子 , 然后根據光照模型和體素的介質屬性 , 給每個體素都分配 一定的光照強度和透明度 , 并沿著特定的方向積分 , 最后在投 影平面上形成半透明的投影圖像 。 體繪制技術的基本

4、過程如圖1所示 :第 8卷 %第 7期2009年 7月2009年軟 件 導 刊 Research on Volume Rendering in 3D Reconstruction ofMedical Volume DataAbstract :In three-dimensional reconstruction of Medical Volume Data , Volume Rendering is one of the most hot technologies.After analy -sised the basic process of three-dimensional reconst

5、ruction of medical data,this paper introduces the typical volume rendering algorithms, such as ray-casting algorithm,splatting algorithm,and a algorithm based on wavelet transform.we discusses the advantages and disadvan -tages of above slgorithms and proposes the corresponding solutions about the d

6、isadvantages. Finally, the directions of research in the fu -ture are introduced.Key Words :Medical Volume Data; Three-Dimensional Reconstruction; Volume Rendering生成最終圖像 。2.2變換域的經典算法空域體繪制算法在每次投影過程中 , 都要訪問大量的體元 , 計算量巨大 , 降低了算法的效率 。 頻域體繪制算法是先將體 數(shù)據經過變換之后再進行顯示 , 降低了算法的計算復雜度 。 目 前應用最多的變換域算法有頻域體繪制算法和基于小波變

7、換 的體繪制算法 。算法的理論基礎是傅里葉切片投影定理 :在三維函數(shù)對應的頻譜投影中 , 截取一個二維切片 。 如果這個切片是經過原點 并且平行于投影平面 , 其反變換就是原函數(shù)對應的投影 ?；谛〔ㄗ儞Q的體繪制算法主要有兩種 :小波域光線投射法 (Ray Casting in Wavelet Space 和小波足跡法 (Wavelet-BasedSplatting 。 前者的基本思想是將體數(shù)據的三維離散小波變換的近似結果帶入到體繪制方程中求解 , 后者的基本思想是先得到 每個小波和尺度函數(shù)的足跡 , 再通過小波系數(shù)加權得到投影圖 像 。3體繪制算法的加速技術空間域體繪制算法的加速方法主要是圍

8、繞著體數(shù)據的壓縮和體數(shù)據的空間相關性 , 通過盡可能少的訪問體素來加快繪 制速度 。3.1數(shù)據壓縮在體數(shù)據壓縮技術當中 , 應用最多的就是八叉樹法 。 八叉樹是一種空間數(shù)據結構 , 它可以有效地實現(xiàn)體數(shù)據的壓縮存 儲 , 大部分算法都可以通過利用八叉樹結構來提高繪制速度 , 比較好地解決存儲與計算之間的矛盾 。3.2體數(shù)據的空間相關性空間相關性是指三維數(shù)據場中相鄰的采樣點往往具有相同或相近的函數(shù)特性 。 根據這一特性 , 可以對體數(shù)據當中相似 的或者對投影圖像貢獻值小的像素點不進行操作計算 , 這樣就 節(jié)省了繪制速度提高了繪制效率 。 這一技術在空域體繪制算法 中應用比較多 。變換域的體繪制算

9、法的加速技術主要是針對投影圖像缺乏物體的深度信息或者遮擋效果來展開的 , 具體的改進方法 有 :Totsuka 提出的使用線性深度補償技術的改進方法 12、 清 華大學的鄧俊輝提出的構造頻域的深度核因子來添加深度信 息的改進方法 。4結束語目前 , 國內醫(yī)學體數(shù)據的體繪制技術尚處于發(fā)展階段 , 面對大量的醫(yī)學臨床應用需求 , 及早地開展這方面的研究工作具 有廣泛的應用價值和深遠的發(fā)展前景 。 當前體繪制技術的研 究 , 可以根據具體的應用要求 , 在圖像質量和繪制速度之間尋 求不同的解決方案 。 在各類算法中 , 基于小波變換的體繪制技 術呈現(xiàn)出較好的前景 , 可作為重點的研究內容 。 對于光

10、線投射 算法 , 如何解決在不影響投影品質下加快繪制速度的問題 , 也 是以后研究的熱點問題 。參考文獻 :1Lorensen WE , Cline HE.Marching cubes :a high resolution 3D surface construction algorithm M .Computer Graphics , 1987. 2Drebin R.A. , Carpenter L. , Hanrahan P. Volume Rendering J . Computer Graphics , 1988(22 .3L. Westover. Footprint Evaluatio

11、n for Volume Rendering A . Pro -ceedings of Siggraph 90, Vol. 24, 1990.4Lacroute P , Levoy M. Fast volume rendering using a shear -warp factorization of the viewing transformation J . Computer Graphics , 1994,(5 .5Levoy M. Display of surface from volume data J . IEEE Computer Graphics and Applications , 1988(5 .6Malzbender T.Fourier volume rendering J . ACM Transactions on Graphics , 1993(3 .7He T S , Wang S , Arie K. Wavelet-Based Volume Morphing Pro -ceedings A . In :Visualization'94C .Washing D. C , October1994.8Gross M H , Lippert L , Haring S.