【畢業(yè)設(shè)計(jì)】基于vtk的醫(yī)學(xué)圖像三維重建算法實(shí)現(xiàn)

學(xué)號(hào)4109005037泰山醫(yī)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目基于VTK的醫(yī)學(xué)圖像三維重建算法實(shí)現(xiàn)院（部）系放射學(xué)院所學(xué)專業(yè)生物醫(yī)學(xué)工程年級(jí)、班級(jí)完成人姓名指導(dǎo)教師姓名專業(yè)技術(shù)職稱副教授2013年6月1日論文原創(chuàng)性保證書我保證所提交的論文都是自己獨(dú)立完成，如有抄襲、剽竊、雷同等現(xiàn)象，愿承擔(dān)相應(yīng)后果，接受學(xué)校的處理。專業(yè)生物醫(yī)學(xué)工程班級(jí)2009級(jí)1班簽名2013年6月1日摘要經(jīng)過三維重建的醫(yī)學(xué)圖像比CT、MRI、B超等設(shè)備所產(chǎn)生的二維斷層圖像在臨床上更具有診斷價(jià)值。醫(yī)生通過對(duì)這些重建的病變部位進(jìn)行多角度的觀察，得到大量有價(jià)值的診斷信息。因此三維重建在臨床上極大地改善了醫(yī)療診斷。目前在圖像處理中，大量的研究集中在醫(yī)學(xué)圖像的三維重建。研究者們已提出了諸多重建算法，在這些算法中，MC算法是面繪制中的經(jīng)典算法。體繪制中最有名的則是光線投射法。在本研究中，我們借助可視化開發(fā)工具VTK完成了對(duì)MC算法和光線投射法算法的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)兩種方法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MC算法比光線投射法執(zhí)行速度要快，而光線投射法顯示了更好的重建效果。關(guān)鍵字可視化開發(fā)平臺(tái)；三維重建；體繪制；面繪制ABSTRACTMEDICALIMAGESOBTAINEDBYUSINGTHREEDIMENSIONALRECONSTRUCTIONCANOFFERMOREINFORMATIONFORCLINICDIAGNOSESTHANTHOSETOMOGRAPHICIMAGESWHICHAREGENERATEDBYCT,MRI,ANDBULTRASONICINSTRUMENTSCLINICALDOCTORSCANOBSERVETHETUMORSFROMDIFFERENTANGLESTHROUGHTHETHREEDIMENSIONALRECONSTRUCTION,ANDOBTAINALOTOFVALUABLEDIAGNOSISINFORMATIONINTHISWAY,THETHREEDIMENSIONALRECONSTRUCTIONHASGREATLYIMPROVEDCLINICALDIAGNOSESTHEREFORE,ALARGENUMBEROFINVESTIGATIONSHAVEFOCUSEDONTHETHREEDIMENSIONALRECONSTRUCTIONOFMEDICALIMAGESINVESTIGATORSHAVESUGGESTEDMANYALGORITHMSONRENDERINGINTHETHREEDIMENSIONALRECONSTRUCTIONTHEMARCHINGCUBEMCALGORITHMISONEOFTHEMOSTFAMOUSSURFACERENDERINGMETHODS,WHILETHERAYCASTINGISTHEMOSTIMPORTANTVOLUMERENDERINGMETHODINTHEPRESENTSTUDY,WEACHIEVEMCANDRAYCASTINGALGORITHMSBASEDONTHETHREEDIMENSIONALVISUALIZATIONTOOLVTK,ANDOPERATECOMPARISONOFTHETWOMETHODSOURRESULTSINDICATETHATTHEMCALGORITHMPRESENTSMORERAPIDSPEEDOFEXECUTINGCOMPAREDWITHTHERAYCASTINGMETHOD,WHICHSHOWSBETTERRENDERINGEFFECTKEYWORDSVISUALDEVELOPMENTPLATFORMTHREEDIMENSIONALRECONSTRUCTIONVOLUMERENDERINGSURFACERENDERING目錄第一章緒論11三維重建概述12醫(yī)學(xué)圖像三維重建在醫(yī)療中的應(yīng)用13國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14本課題研究的意義2第二章VTK簡(jiǎn)介及安裝41VTK簡(jiǎn)介42VTK的優(yōu)點(diǎn)43VTK的安裝5第三章醫(yī)學(xué)圖像三維重建的繪制算法及實(shí)驗(yàn)81面繪制811面繪制理論基礎(chǔ)812MARCHINGCUBES算法面繪制算法介紹92體繪制1121體繪制原理1122常見的體繪制方法介紹123總結(jié)16第四章總結(jié)與展望17參考文獻(xiàn)18致謝19第1章緒論1三維重建概述隨著上個(gè)世紀(jì)七十年代計(jì)算機(jī)斷層技術(shù)COMPUTERIZEDTOMOGRAPHY，CT、核磁共振（MAGNETICRESONANCEIMAGING，MRI）等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，病人病灶部位的二維圖像被輕易的獲取，醫(yī)生通過這些圖像可以對(duì)病人的病情作出分析，這使得醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)有了很大的提高和發(fā)展。這些醫(yī)療儀器所提供圖像都只是二維圖像，對(duì)于病灶部位信息的掌握不是很全面，很多醫(yī)生只能憑借自己的經(jīng)驗(yàn)去想象，然后對(duì)病情進(jìn)行判斷，這有時(shí)就給治療病情帶來了困難。在放射治療中僅由某些二維圖像進(jìn)行疊加也不能得出準(zhǔn)確的三維影像，而三維重建技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這方面的不足。三維重建是利用一系列的二維圖像重建成為具有直觀、立體效果的三維圖像。該技術(shù)為醫(yī)生提供了立體真實(shí)的圖像，使醫(yī)生能更好更為完整的觀察病灶,并且提供了很多使用傳統(tǒng)方法所不能獲得的病灶結(jié)構(gòu)信息，極大的提高了醫(yī)療診斷技術(shù)的準(zhǔn)確性。2醫(yī)學(xué)圖像三維重建在醫(yī)療中的應(yīng)用三維重建在放射醫(yī)療、和醫(yī)學(xué)科學(xué)研究等各種相關(guān)專業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用。利用射線殺死或抑制惡性腫瘤需要預(yù)先做出詳細(xì)規(guī)劃，包括劑量計(jì)算和照射點(diǎn)精確定位如果輻照定位不準(zhǔn)或劑量不當(dāng)，輕則造成治療效果不佳，重則危及周圍正常組織由CTMR圖像序列重建出病變體、敏感組織、重要組織的三維模型，在手術(shù)規(guī)劃中，醫(yī)生可觀察病變體、敏感組織、重要組織的形狀、空問位置，確定科學(xué)的手術(shù)方案；在放射治療中，根據(jù)重建組織的三維幾何描述，進(jìn)行射束安排，使射線照射腫瘤時(shí)不穿過敏感組織和重要組織，不傷害正常組織或?qū)φ＝M織傷害盡量小，制定出最優(yōu)的治療方案12。在這個(gè)方面日本歐美等國(guó)家的研究起步較早，目前在虛擬手術(shù)技術(shù)的各個(gè)方面也都處于領(lǐng)先。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)及虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，手術(shù)模擬系統(tǒng)的開發(fā)工作也取得了很大的進(jìn)展。比如，模擬過程中的內(nèi)臟器官實(shí)時(shí)變形模擬相關(guān)的研究；OLYMPUS光學(xué)工業(yè)株式會(huì)社正在開發(fā)的集手術(shù)計(jì)劃、手術(shù)模擬、手術(shù)導(dǎo)航等功能于一身的成型設(shè)備，以及3DINCORPORATED開發(fā)的由CT畫像自動(dòng)生成三維立體圖像的手術(shù)模擬系統(tǒng)等。3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀據(jù)了解,國(guó)際上的很多國(guó)家都相當(dāng)熱衷于對(duì)科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)的研究。在美國(guó)和日本,科學(xué)技術(shù)可視化的研究正在國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)中火熱的進(jìn)行著,甚至是在一些大公司中,都開始該項(xiàng)技術(shù)的研究,并且逐漸向交互控制和實(shí)時(shí)跟蹤方面發(fā)展。該項(xiàng)技術(shù)將虛擬現(xiàn)實(shí)和光纖高速網(wǎng)等技術(shù)結(jié)合起來,加入高性能圖像工作站和超級(jí)計(jì)算機(jī)部分,也是該項(xiàng)技術(shù)的重要發(fā)展方向。在發(fā)達(dá)國(guó)家,尤其是美國(guó),對(duì)開發(fā)高質(zhì)量的醫(yī)學(xué)影像處理的軟件和算法平臺(tái)非常重視。國(guó)際發(fā)展進(jìn)展中,三維醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng)的商品化也已經(jīng)初具模型34。商品化的研發(fā)潮流中,步伐較快的己經(jīng)研發(fā)出了一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),這其中就不乏很多的例子,加拿大的ALLEGRO系統(tǒng),可以根據(jù)用戶的需要,與不同廠家核磁共振儀或CT掃描儀等設(shè)備相連接。美國(guó)的通用電氣公司GE開發(fā)的AW40,可以基于斷層序列圖像進(jìn)行完整的容積重建和分析。開發(fā)進(jìn)展比較慢的,僅僅研發(fā)出了獨(dú)立系統(tǒng)的一個(gè)小部分。這樣的研究者例子也是數(shù)不盡數(shù)5。在國(guó)內(nèi),醫(yī)學(xué)圖像可視化研究方面起步很晚，發(fā)展很緩慢，和外國(guó)相比差距很大。我國(guó)學(xué)者在上世紀(jì)九十年代開始相關(guān)研究。到目前為止，創(chuàng)建了屬于我們自己的可視人數(shù)據(jù)集，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)和研究所借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，在醫(yī)學(xué)圖像可視化方面作了大量研究并開發(fā)了一些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如復(fù)旦大學(xué)與上海第九人民醫(yī)院開發(fā)的MEDVOL三維醫(yī)學(xué)影像軟件，提供了二維切片三維重建，圖像處理等功能；大連理工大學(xué)CADCVTK561BINCOMMONCVTK561BINUTILITIESCVTK561BINVOLUMERENDERINGCVTK561BINRENDERINGCVTK561BINCHARTSCVTK561BINGUISUPPORTMFCCVTK561BINUTILITIESVTKALGLIBCVTK561VTKINFOVISCVTK561VTKGEOVISCVTK561VTKVIEWSCVTK561VTKVOLUMERENDERINGCVTK561VTKHYBRIDCVTK561VTKWIDGETSCVTK561VTKRENDERINGCVTK561VTKCHARTSCVTK561VTKRENDERINGTESTINGCXXCVTK561VTKIOCVTK561VTKIMAGINGCVTK561VTKGRAPHICSCVTK561VTKGENERICFILTERINGCVTK561VTKFILTERINGCVTK561VTKCOMMONCVTK561VTKUTILITIESCVTK561VTKCOMMONTESTINGCXXCVTK561BINUTILITIESVTKLIBPROJ4CVTK561VTKUTILITIESVTKLIBPROJ4CVTK561BINUTILITIESDICOMPARSERCVTK561VTKUTILITIESDICOMPARSERCVTK561BINUTILITIESVTKFREETYPEINCLUDECVTK561VTKUTILITIESVTKFREETYPEINCLUDECVTK561BINUTILITIESVTKNETCDFCVTK561VTKUTILITIESVTKNETCDFCVTK561BINUTILITIESVTKEXODUS2INCLUDECVTK561VTKUTILITIESVTKEXODUS2INCLUDECVTK561BINUTILITIESMATERIALLIBRARYCVTK561VTKUTILITIESMATERIALLIBRARYCVTK561BINUTILITIESVERDICTCVTK561VTKUTILITIESVERDICTCVTK561VTKUTILITIESUTF8SOURCECVTK561VTKGUISUPPORTMFCCVTK561VTKUTILITIESVTKALGLIBCVTK561VTKUTILITIESFTGLSRCCVTK561BINUTILITIESFTGLCVTK561VTKINFOVIS在PROJECTPROPERTYPAGELINKERGENERALADDITIONALLIBRARYDIRECTORIES中添加CVTK561BINBINDEBUG在PROJECTPROPERTYPAGELINKERINPUTADDITIONALDEPENDENCIES中添加OPENGL32LIBKERNEL32LIBUSER32LIBGDI32LIBWINSPOOLLIBCOMDLG32LIBADVAPI32LIBSHELL32LIBOLE32LIBOLEAUT32LIBUUIDLIBODBC32LIBVTKCOMMONLIBVTKDICOMPARSERLIBVTKEXOIICLIBVTKEXPATLIBVTKFILTERINGLIBVTKFREETYPELIBVTKFTGLLIBVTKGENERICFILTERINGLIBVTKGRAPHICSLIBVTKHYBRIDLIBVTKIMAGINGLIBVTKIOLIBVTKJPEGLIBVTKNETCDFLIBVTKPNGLIBVTKRENDERINGLIBVTKSYSLIBVTKTIFFLIBVTKVOLUMERENDERINGLIBVTKWIDGETSLIBVTKZLIBLIBVTKMFCLIBVTKINFOVISLIB第三章醫(yī)學(xué)圖像三維重建的繪制算法及實(shí)驗(yàn)三維重建技術(shù)就是把醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為立體可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，醫(yī)學(xué)圖像原始序列經(jīng)過二維預(yù)處理后，會(huì)轉(zhuǎn)換為一個(gè)規(guī)則的三維體數(shù)據(jù)場(chǎng)，通過切割、配準(zhǔn)等技術(shù)所得到的圖像是待重建組織區(qū)域，在數(shù)據(jù)場(chǎng)中以體素形式記錄了三維空間的分布情況。三維重建的主要任務(wù)就是要從三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)中把切割出來的部位或?qū)氲亩S圖像構(gòu)建出具體的三維立體模型，實(shí)現(xiàn)立體空間可視化、操作和測(cè)量。醫(yī)學(xué)圖像三維重建可以分為面繪制和體繪制兩種。1面繪制面繪制是指對(duì)3D體數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則設(shè)定等值面閡值,根據(jù)該閱值從體數(shù)據(jù)中提取一系列表面,通過多邊形進(jìn)行擬合近似,最后利用圖形學(xué)算法進(jìn)行繪制顯示。其中,等值面是指在個(gè)網(wǎng)格空間中由在某點(diǎn)上的采樣值等于某定值的所有點(diǎn)組成的集合。因此,基于表面的三維重建是一種采用對(duì)物體表面進(jìn)行擬合而忽略物體內(nèi)部信息的重建方法。面繪制技術(shù)的特點(diǎn)是要提取出所要查看的結(jié)構(gòu)的表面輪廓,把某種幾何面片施加到每一輪廓點(diǎn),然后除去隱藏面并進(jìn)行明暗處理從而得到繪制的表面9。由于表面可以簡(jiǎn)潔地反映復(fù)雜物體的三維結(jié)構(gòu),因此在醫(yī)學(xué)圖像中邊界面輪廓是用于描述器官的最重要特征。表面繪制法所處理的數(shù)據(jù)通常僅是整個(gè)體數(shù)據(jù)的輪廓邊緣部分,并且計(jì)算機(jī)圖形學(xué)多邊形面片的繪制可以借助于圖形硬件加速,所以其誼染速度快占用的系統(tǒng)資源少。此外,面繪制可以快速靈活地進(jìn)行視圖切換和改變光照效果,并且能夠?qū)χ亟ê蟮膱D形進(jìn)行一些特效渲染處理。因此,面繪制通常適用于繪制表面特征分明的組織和器官。面繪制技術(shù)的原理是在物體的三維空間內(nèi)，把數(shù)據(jù)場(chǎng)均勻成許多三角形等中間幾何圖形，如何通過光照模型、陰影處理等技術(shù)，進(jìn)行三維重建，可以使物體具有真實(shí)的三維立體感。611面繪制理論基礎(chǔ)面繪制法的基本思想是提取感組織興趣的表面部分，以等值面的方式抽取出來，借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)，通過運(yùn)用光照效果、旋轉(zhuǎn)等技術(shù)生成物體表面的三維圖像，圖像成像分辨率高，生成速度快，可以方便地對(duì)其進(jìn)行觀察和分析。特別適用于表面特征比較分明的組織，例如骨骼等，生成的圖像比較清晰，可以用于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)、交互虛擬操作等醫(yī)學(xué)應(yīng)用，也可以在一定程度上代替實(shí)物模型進(jìn)行展示。面繪制技術(shù)對(duì)器官表面的分割精確程度要求比較高，對(duì)于一些形狀特征不明顯的軟組織比如血管等精細(xì)組織，三維重建后的顯示效果不太好，只能顯示物體的表面，內(nèi)部的信息不完成，僅為一個(gè)空殼。面繪制方法在重建的時(shí)候需要耗費(fèi)的硬件資源比較大，在對(duì)整個(gè)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行逐個(gè)體素掃描的時(shí)候，會(huì)生成一個(gè)數(shù)據(jù)量很大的三角面片數(shù)組，導(dǎo)致生成速度較慢。面繪制的算法的分類主要基于在掃描體素時(shí)所采用的近似表面的單元不同或幾何尺度的選擇不同，目前有很多種算法，其中采用最多的是以三角形作為擬合單元的算法。主要算法有基于邊界輪廓線的算法（斷層間表面重構(gòu)）；基于體素的表面繪制方法（CUBERILLE）、移動(dòng)立方體算法（MARCHINGCUBES），剖分立方體算法（DIVIDINCUBES）等。其中最為常用的算法是“移動(dòng)立方體算法”（MARCHINGCUBES），它提出了一種較為準(zhǔn)確定義體素及其體素內(nèi)等值面快速生成的方法，該方法在后人經(jīng)過多年的研究發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)成為一種很成熟的三維重建方法，應(yīng)用在很多商業(yè)軟件中。12MARCHINGCUBES算法面繪制算法介紹MARCHINGCUBES算法是由LORENSEN等人于1987年提出的一種基于體素的三維重建方法，其原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，是至今為止最經(jīng)典、最有影響力的等值面面繪制算法之一。MARCHINGCUBES的本質(zhì)是先確定一個(gè)表面閾值，如何逐個(gè)掃描三維數(shù)據(jù)場(chǎng)里的立方體體素，計(jì)算每個(gè)體素內(nèi)的梯度值，根據(jù)體素每一個(gè)頂點(diǎn)和等值面的相對(duì)位置，從中抽取出一個(gè)等值面，形成一個(gè)平滑的表面7。CT的圖像是斷層序列圖片，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CT圖像體數(shù)據(jù)集是由一系列的二維切片數(shù)據(jù)組成，每張切片都有尺寸大小和空間分辨率。假設(shè)有一個(gè)CT數(shù)據(jù)集，包含100張切片，每張切片的像素大小是512512，可以據(jù)此建立一個(gè)三維立體模型，在空間上建立一個(gè)連續(xù)函數(shù)F（X，Y，Z）在X，Y，Z三個(gè)方向上按一定的間隔分別采樣了512，512，100次所得到的數(shù)據(jù)集。而所謂的等值面，實(shí)際上是在空間中曲面上找到一個(gè)定點(diǎn)值，如果它的值和指定函數(shù)F（X，Y，Z）函數(shù)值相等，標(biāo)注該點(diǎn)，然后把點(diǎn)連起來，生成一個(gè)等值面。等值面提取算法的核心是要從指定的采樣點(diǎn)中找出等值面，比較簡(jiǎn)單的方法可以采用顯式的等值面提取算法，原理是先從采樣點(diǎn)恢復(fù)出連續(xù)函數(shù)F（X，Y，Z），然后由F（X，Y，Z）和某一給定的閾值來得出等值面。這種方法的計(jì)算復(fù)雜度比較高，并且由于重建和重采樣不確定所帶來的誤差比較大，精度難以得到保證。而MARCHINGCUBES算法采用的是隱式等值面提取方法，它直接從體數(shù)據(jù)中獲取等值面的信息，用戶事先設(shè)定一個(gè)閾值，即提取器官組織的密度值，然后根據(jù)體數(shù)據(jù)的信息就可以通過對(duì)比閾值提取出等值面的三角形網(wǎng)格表達(dá)。MARCHINGCUBES算法的過程可以描述如下（1）將三維離散規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)分層讀入內(nèi)存；（2）每次掃描兩層數(shù)據(jù)，讀取兩張切片，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)體；（3）兩張切片的8個(gè)角點(diǎn)構(gòu)建成一個(gè)立方體；（4）將體素每個(gè)角點(diǎn)的函數(shù)值和給定的等值面值做比較，從左至右、從前到后的順序處理每一層中的立方體，抽取每個(gè)立方體中的等值面；（5）然后從下到上順序處理到N1層，至算法結(jié)束，根據(jù)各三角面片上各頂點(diǎn)的坐標(biāo)繪制等值面。在處理每一個(gè)立方體時(shí)，它的8個(gè)頂點(diǎn)灰度值可以直接從輸入的DICOM圖像數(shù)據(jù)中獲取，要抽取的等值面的閾值也已經(jīng)指定。如果一個(gè)頂點(diǎn)的灰度值大于閾值，則把它標(biāo)記為1，并把該頂點(diǎn)標(biāo)識(shí)位于等值面之內(nèi)或之上，如果一個(gè)頂點(diǎn)的灰度值小于閾值，則把它標(biāo)記為0，并稱該頂點(diǎn)位于等值面之外。這樣在立方體內(nèi)外，肯定會(huì)存在一個(gè)點(diǎn)的灰度值等于所設(shè)定的閾值，如果某立方體中一條邊的一個(gè)頂點(diǎn)在等值面之內(nèi)，而另一個(gè)頂點(diǎn)在等值面之外，那么，該邊必然與所求等值面相交。根據(jù)交點(diǎn)可以判斷出所求等值面將與哪些立方體相交，或者說將穿過哪些立方體，取出等值面，完成表面繪制。根據(jù)分析，在標(biāo)記為1和0之間必然存在等值點(diǎn)。一個(gè)立方體有8個(gè)頂點(diǎn)，每個(gè)頂點(diǎn)有0和1兩種狀態(tài)，等值面的分布樣式總共可能有28256種，但是立方體有旋轉(zhuǎn)不變性，即旋轉(zhuǎn)不影響等值面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，存在對(duì)稱性不變性，即所有的0變?yōu)?，0變?yōu)?，等值面的連接方式不會(huì)發(fā)生改變，如果將一個(gè)立方體中其函數(shù)值大于閾值頂點(diǎn)所賦的0，1顛倒過來，則其生成的等值面是相同的，因此只要考慮4個(gè)及4個(gè)以下的頂點(diǎn)函數(shù)值大于閾值就夠了，這樣就將等值面分布不同情況的種類減少了一半。此外利用8個(gè)頂點(diǎn)中存在的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，可將不同情況等值面分布種類作進(jìn)一步組合，數(shù)目可以減少到15種其中，第CASE0種情況表示所有8個(gè)頂點(diǎn)的函數(shù)值均大于（或小于閾值），該立方體不與等值面相交。第CASE1種情況表示只有1個(gè)頂點(diǎn)的函數(shù)值大于（或小于）閾值，其余7個(gè)頂點(diǎn)均與其相反，因而該立方體內(nèi)的等值面將是一個(gè)三角面片。依此類推可知，15種情況反映了原來的256種等值面分布情況。根據(jù)分析得出的15種基本立方體，可以建立一個(gè)查找表，表的長(zhǎng)度為256，存儲(chǔ)了所有情況下的等值面連接方式，此時(shí)只需分別比較一個(gè)立方體的8個(gè)頂點(diǎn)與閾值之間的大小關(guān)系，便可到一個(gè)0255之間的索引值，然后根據(jù)索引值查找表中的值就可以得到立方體內(nèi)哪條邊上存在等值點(diǎn)，獲取到該等值點(diǎn)的連接方式等信息，等值點(diǎn)的坐標(biāo)和法學(xué)量等信息，把找到的等值點(diǎn)連接起來便可以形成等值面，形成一個(gè)真實(shí)感的圖像。利用VTK函數(shù)庫編程實(shí)現(xiàn)基于MC算法的三維重建，重建結(jié)果如圖31所示A正面圖B側(cè)面圖C底面圖D頂面圖E背面圖圖31MC算法的重建結(jié)果2體繪制21體繪制原理體繪制法又稱直接體繪制法DIRECTVOLUMERENDERING，是將三維空間的離散數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為二維圖像而不必生成中間幾何圖元。體繪制的中心思想是為每一個(gè)體素指定一個(gè)不透明度OPACITY，并考慮每一個(gè)體素對(duì)光線的透射、發(fā)射和反射作用。光線的投射取決于體素的不透明度；光線的發(fā)射則取決于體素的物質(zhì)度，物質(zhì)度愈大，其發(fā)射光愈強(qiáng)；光線的反射則取決于體素所在的面與入射光的夾角關(guān)系。對(duì)于形狀特征模糊不清的組織和器官進(jìn)行三維顯示時(shí)，適合采用體繪制方法。體繪制算法認(rèn)為體數(shù)據(jù)場(chǎng)中每個(gè)體素都具有一定的屬性透明度和光亮度，而且通過計(jì)算所有體素對(duì)光線的作用即可得到二維投影圖像。透明度的引入大大增加了數(shù)據(jù)整體顯示效果，通過對(duì)不同的組織分配相應(yīng)的透明度，可以同時(shí)將各組織器官的質(zhì)地屬性、形狀特征及相互之間的層次關(guān)系表現(xiàn)出來，體繪制可利用模糊分割的結(jié)果，甚至可不進(jìn)行分割即可直接進(jìn)行繪制，有利于保留三維醫(yī)學(xué)圖像中的細(xì)節(jié)信息。但是在原始的體繪制過程中，一般要遍歷體數(shù)據(jù)場(chǎng)中的每一個(gè)體素，因而計(jì)算量大，圖像生成速度慢，并且不能靈活的改變外部光照及視角，這樣每一次變化都意味著整個(gè)繪制過程需重新開始。因此體繪制更多的受到硬件技術(shù)方向的限制，在實(shí)時(shí)顯示的場(chǎng)合難以勝任。體繪制的算法按處理數(shù)據(jù)域的不同可分為空間域方法和變換域方法。前者是直接對(duì)原始的體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示；后者是將體數(shù)據(jù)變換到變換域，然后再進(jìn)行處理顯示10。22常見的體繪制方法介紹常見的醫(yī)學(xué)圖像體繪制方法有以下四種基于硬件的三維紋理映射3DTEXTUREMAPPING算法、足跡表法FOOTPRINTING、錯(cuò)切變形SHEARWARP算法、光線投射法RAYCASTING算法9。下面就對(duì)這些算法逐一進(jìn)行分析和討論。三維紋理映射算法最早是由TJCULLIP等在1993年提出來的,該方法大大拓展了體繪制的應(yīng)用領(lǐng)域,推動(dòng)體繪制研究的不斷深入發(fā)展。首先直接將體數(shù)據(jù)場(chǎng)裝入三維紋理內(nèi)存,然后沿著視線方向生成一組與圖像平面平行的等間隔裁減多邊形,采用三次線性插值,建立這些多邊形與三維理數(shù)據(jù)的映射關(guān)系。最后通過硬件支持的紋理混合生成繪制結(jié)果。三維紋理映射算法的繪制速度僅與體數(shù)據(jù)集的大小有關(guān),與場(chǎng)景的復(fù)雜度無關(guān),也無須生成幾何模型。而且三維紋理映射算法主要的計(jì)算量都可以交給GPU負(fù)責(zé),如三線性差值、光柵化、紋理映射和混合等操作,大大提高了繪制速度。其繪制流程如圖32所示。圖32三維紋理映射算法流程足跡表算法是WESTOVER首先提出的一種基于物體空間掃描的體繪制算法。其基本思想是利用足跡函數(shù)計(jì)算體數(shù)據(jù)里的每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)體素對(duì)屏幕的貢獻(xiàn),并加以合成,形成最后的圖像。與光線投射算法正好相反,拋雪球算法中不是通過屏幕發(fā)射光線穿透體數(shù)據(jù),計(jì)體數(shù)據(jù)獲取體數(shù)據(jù)分類三維紋理設(shè)置紋理坐標(biāo)設(shè)置面片繪制算光線上的重采樣點(diǎn),然后融合確定像素顏色,而是按照從前向后或者從后向前的順序逐層、逐行、逐個(gè)地計(jì)算每個(gè)重采樣點(diǎn)對(duì)屏幕像素的貢獻(xiàn),并加以合成形成最后圖像。錯(cuò)切變形算法它采用一種關(guān)于體素和圖像的編碼方案，在遍歷體素和圖像的同時(shí)可以略去不透明的圖像區(qū)域和透明的體素。在預(yù)處理時(shí)，體素經(jīng)過不透明度初分類，再按行程長(zhǎng)度編碼，然后用類似于光線投射法的方法進(jìn)行繪制。其繪制過程可簡(jiǎn)化為通過錯(cuò)切出適當(dāng)?shù)木幋a體素使光線正交于所有的體素層，利用雙線性插值在遍歷的體素層內(nèi)得到它們的采樣值，再通過變形將體素平行于基準(zhǔn)平面的圖像轉(zhuǎn)換為屏幕圖像。錯(cuò)切變形算法中，體素行程是按不透明度的初分類進(jìn)行RLE編碼的，這需要在三個(gè)主視方向上構(gòu)造出獨(dú)立的編碼體素。因?yàn)椴蓸硬逯祪H僅出現(xiàn)在錯(cuò)切出的體素層，因此直接體繪制積分的間距是與視相關(guān)的，且不能任意改變來滿足沿射線進(jìn)行密集采樣，否則在非主視方向上可能不能遵守采樣定理，特別是在視域的分辨率高于體素分辨率時(shí)，會(huì)導(dǎo)致所繪制的圖像品質(zhì)明顯下降。由于在錯(cuò)切空間中視線方向與數(shù)據(jù)場(chǎng)切片垂直,因而三維空間的重采樣過程轉(zhuǎn)化為二維平面的重采樣過程,大大減少了重采樣的計(jì)算量,使得體繪制效率得到了大幅度提高。該算法將三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的投影變換分解為三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的錯(cuò)切變換和二維圖像的變形。中心思想是首先將三維離散數(shù)據(jù)場(chǎng)變換到一個(gè)中間坐標(biāo)系,在此坐標(biāo)系中,觀察方向與坐標(biāo)系的一個(gè)軸平行,如Z軸以簡(jiǎn)化三維數(shù)據(jù)場(chǎng)從物體空間到圖像平面的投影過程。這個(gè)中間坐標(biāo)系稱為錯(cuò)切物體空間。但是這個(gè)中間坐標(biāo)系中的圖像平面并不是所定義的圖像平面,而僅是中間圖像,還需要進(jìn)行一次二維圖像變換,才能得到最終圖像。光線投射算法是一種基于空間圖像序列的經(jīng)典直接體繪制算法,由玩LEVOY提出。算法實(shí)現(xiàn)體繪制的過程中,從圖像的每一個(gè)像素,沿固定的視線方向發(fā)射一條光線,光線在整個(gè)圖像序列數(shù)據(jù)場(chǎng)中穿過,并且對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行采樣以獲取顏色信息,同時(shí)根據(jù)光線吸收模型對(duì)顏色值進(jìn)行累加,直至光線從數(shù)據(jù)場(chǎng)中穿出,最后得到的顏色值就是渲染圖像的顏色。光線投射算法并不關(guān)心重建物體的幾何結(jié)構(gòu),只需利用三維數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維重建,極大的解決了面繪制的局限性,并且這種算法還可以得到薄殼的投影,這是面繪制技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的。此外,在醫(yī)學(xué)圖像中,有些數(shù)據(jù)是從液體以及其他的半透明物體中產(chǎn)生的,光線投射算法的光線透射模型能夠很好的將這一性質(zhì)模擬出來。光線投射算法通過將每個(gè)體素都看成能夠透射、發(fā)射和反射光線的粒子,構(gòu)造出理想化的物理視覺模型,然后在光照模型中,依據(jù)體素的物質(zhì)屬性得到它們的顏色值和不透明度值,并沿視線的觀察方向進(jìn)行重采樣,最后在二維圖像上形成具有半透明效果的實(shí)體。光線投射算法的實(shí)現(xiàn)過程是空間數(shù)據(jù)場(chǎng)的每個(gè)像素沿著固定的視線方向發(fā)出一條射線,此射線穿過整個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng),按一定的步長(zhǎng)進(jìn)行采樣,并通過內(nèi)插計(jì)算設(shè)置每個(gè)采樣點(diǎn)的顏色值和不透明度值,然后,按照由前向后或由后向前的方向,計(jì)算采樣點(diǎn)上累計(jì)的顏色值和不透明度值,直到光線被完全吸收或穿透物體11。光線投射法流程圖如下圖33光線投射法的流程框圖三維紋理映射算法是在紋理空間中實(shí)現(xiàn)重采樣、分類植染和圖像合成,而且這些操作均由硬件完成,大大提高了運(yùn)算速度。足跡表算法只投射和顯示與圖像相關(guān)的體素,可以大大減少內(nèi)存需求。但當(dāng)觀察方向發(fā)生變化時(shí),要重新計(jì)算重構(gòu)函數(shù)空間卷積域在平面上的投影區(qū)域,并且要對(duì)每個(gè)體素再一次進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和比例變換,使計(jì)算量變大。錯(cuò)切變形算法將三維空間的重采樣過程轉(zhuǎn)化為二維平面的重采樣過程,大大減少了計(jì)算量,提高了繪制速度。但該算法存在的主要問題是二維數(shù)據(jù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)在向中間坐標(biāo)系變換時(shí),觀察方向必須與二維坐標(biāo)系中的某一軸重合,否則它的優(yōu)點(diǎn)不復(fù)存在。光線投射算法在這幾種體繪制算法中所繪制的圖像質(zhì)量最高,有利于保留圖像細(xì)節(jié),幫助醫(yī)生做出更精確的診斷。而且此算法也適合并行操作。所以利用光線投射法進(jìn)行三維重建，結(jié)果如圖34和35所示。三維空間數(shù)據(jù)場(chǎng)數(shù)據(jù)讀取與預(yù)處理給數(shù)據(jù)點(diǎn)賦顏色值給數(shù)據(jù)點(diǎn)賦不透明值發(fā)出射線并重采樣發(fā)出射線并重采樣各采樣點(diǎn)顏色值采樣點(diǎn)不透明值每條射線圖像合成綜合各射線圖像合成A紅色B灰色C藍(lán)色D綠色E黃色F黑色圖34顏色調(diào)節(jié)的結(jié)果（A）（B）圖35透明度調(diào)節(jié)的結(jié)果3總結(jié)根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論MC算法圖像效果比較高，技術(shù)運(yùn)算量少，所需要的計(jì)算機(jī)硬件資源比較少，重建速度較快,可以在普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)三維重建，相比之下，體繪制的光線投射法運(yùn)算量較大，需要的硬件資源比較高,重建的速度比MC較慢，我本人的電腦是AMDATHLON雙核、主頻16GHZ，進(jìn)行面繪制處理時(shí)，運(yùn)行相當(dāng)緩慢。MC算法繪制出的物體表面，顯示出來的組織間界面比較明顯，而光線投射法不僅能展示物體表面的部分，還能將組織內(nèi)部豐富的細(xì)節(jié)表現(xiàn)出來，給醫(yī)生觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來很大的方便。因此在實(shí)際應(yīng)用中，體繪制處理的圖像更會(huì)受到醫(yī)生的青睞。第四章總結(jié)與展望計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)為單調(diào)的二維醫(yī)學(xué)影像增添了更具可視化效果的三維模型，有效地利用了影像信息，不僅給醫(yī)生診斷帶來了便利，也為醫(yī)學(xué)可視化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)之上可以進(jìn)行例如虛擬內(nèi)窺鏡、虛擬手術(shù)、甚至更具挑