改進的三維可視化用光線投射算法

1、改進的三維可視化用光線投射算法         【摘要】  把圖像處理、光線投射與包圍體技術(shù)有機結(jié)合，提出了一種提高成像質(zhì)量和速度的三維可視化新方法。該方法利用物體空間的包圍體算法來減少追蹤光線的數(shù)量，加快了繪制速度。通過實際的醫(yī)學胸部CT圖像的三維重建實驗，取得了較好的三維顯示效果和速度，驗證了改進的光線投射算法對胸部CT圖像的快速三維可視化問題的有效性。 【關(guān)鍵詞】  光線投射算法； 包圍體算法； 可視化； 三維重建； 胸部CT圖像   Abstract: A novel

2、 method for 3D visualization with improved image quality and speed has been developed by closely combined use of image processing, ray casting and bounding box technology. The method applied space objects bounding box tracking algorithm to reduce the amount of light, and improved ray casting algorit

3、hm to speed up the rendering speed. Good performance speed and 3D display were achieved by a three-dimensional reconstruction experiment with real medical chest CT images, and the effectiveness of the improved lighting projection algorithm for rapid 3D visualization of the chest CT images was confir

4、med.   Key words: Ray casting; visualization; 3D reconstruction; Chest CT image   科學計算可視化 (visualization in scientific somputing) 是指運用計算機圖形學或者一般圖形學的原理和方法，將科學與工程計算等產(chǎn)生的大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形、圖像，以直觀的形式表示出來1,2。涉及計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設(shè)計及圖形用戶界面等多個研究領(lǐng)域，已成為當前計算機圖形學研究的重要方向。   目前，在可視化領(lǐng)域中，醫(yī)

5、學數(shù)據(jù)的可視化是最活躍的研究領(lǐng)域之一。由于二維圖像序列不能使醫(yī)生直觀的研究人體內(nèi)部的真實結(jié)構(gòu)3，所以需要利用科學計算可視化技術(shù)將一系列基于CT成像技術(shù)得到的二維圖像重建成三維結(jié)構(gòu)4,5。   三維重建分為面繪制算法和體繪制算法兩種。其中，面繪制算法包括輪廓線法和移動立方體法，體繪制算法包括光線投射算法、錯切形變算法、拋雪球算法和紋理映射算法。   本文所用可視化工具VTK (The Visualization Toolkit)6構(gòu)造在C+語言上，基于C+類庫，并支持Java與OpenGL語言，包括三維計算機圖形學、圖像處理和可視化三大功能。由于 VTK支

6、持OpenGL，可以有效地利用各種支持OpenGL標準的顯卡的硬件加速功能，提高經(jīng)過圖像處理或可視化后得到的圖像或圖形數(shù)據(jù)的繪制效率。VTK將數(shù)據(jù)可視化算法封裝成一系列定義清晰、易于擴展的類7，是一個很好的圖形圖像可視化的工具箱，對于面向?qū)ο蟮木幊陶Z言和工程應(yīng)用有著廣泛的實用價值，對醫(yī)療領(lǐng)域及相關(guān)研究有著深遠的意義。    1  光線投射與包圍體算法   1.1  光線投射算法光線投射 (ray casting，RC) 算法8,9是基于圖像空間體繪制的經(jīng)典算法，它從圖像空間的每一像素出發(fā)，按視線方向發(fā)射一條射線，這條射線穿過

7、三維數(shù)據(jù)場，沿著這條射線選擇若干個等距的采樣點，并由距離某一采樣點最近的 8 個數(shù)據(jù)點的顏色值和不透明度值作三次線性插值，求出該采樣點的不透明度值和顏色值。再將每條射線上各采樣點的顏色值和不透明度值由前向后或由后向前加以合成，即可得到發(fā)出該射線的像素點處的顏色值，從而可以在屏幕上得到最終的圖像。   RC算法   讀入體數(shù)據(jù)；   數(shù)據(jù)預(yù)處理；   光照明暗處理與分類，得到各體素的顏色值和不透度值。   RC算法假設(shè)三維數(shù)據(jù)場為規(guī)則的，利用插值法估計出每個采樣點所對應(yīng)的體數(shù)據(jù)值，然后再根據(jù)這些點

8、上的值計算光強和不透明度。一般的點采樣都是利用三元線性插值法，使之有利于保留圖像的細節(jié)，繪制質(zhì)量高的圖像，但是，RC算法運算成本較大，繪制速度低。而在交互式可視化系統(tǒng)中，繪制速度是非常重要的指標。   1.2  包圍體算法   在二維圖像中，當其分辨率及采樣分辨率不變時，如果減少實際進行光線追蹤的光線或采樣點的數(shù)目，能夠提高繪制速度。   在醫(yī)學圖像的三維體數(shù)據(jù)中，一般情況下只包括幾個獨立的器官或臟器，假設(shè)可以用幾個凸多面體分別將它們包圍起來，稱這樣的凸多面體為包圍體。因此只要提前判定光線與任一個包圍體是否相交，如果不相交則

9、不進行后續(xù)的采樣過程，從而減少了實際追蹤光線的數(shù)量。并且通過將采樣過程限制在包圍體的內(nèi)部進行來減少每個光線上采樣點數(shù)目。   為了減少光線與它們交點所計算的時間，可以采用預(yù)先確定一組平面集法向量，它們獨立于要顯示的器官或臟器，這樣雖然包圍體會受到一些限制，但是用包圍體的描述也增多了。對于有腔、洞的器官或臟器，可設(shè)內(nèi)、外兩個包圍體，其法向量的方向相反。   因此，在得到包圍器官或臟器的多面體后，不同的器官或臟器包圍體之間的差別只是位置、傾向、大小的不同。當確定了光線與每一厚片的交點后，就能通過求取交點的極大、極小值來得到光線與包圍體的交點。一般地，該線段的

10、長度比光線在數(shù)據(jù)場內(nèi)的長度要短。   包圍體算法如下10   包圍體的描述；   包圍器官或臟器的多面體的提取；   包圍體的計算；   射線和包圍體的交點的計算。            加入包圍體算法之后，與原來單純的以圖像空間為序的算法相對比，在數(shù)據(jù)的預(yù)處理時增加了對包圍體求取這一過程，最大的不同點是：對于每一個光線，首先判斷光線同包圍體是否相交，若不相交，則停止后面的處理，繼續(xù)找尋下一個光線

11、；若相交，則只對包圍體內(nèi)的采樣點進行插值和圖像合成，因此，采樣點個數(shù)被大幅度降低。   2  基于改進的光線投射算法的三維重建   由于RC算法對邊界的處理不清晰，所生成圖像的質(zhì)量效果不理想，而且重建速度較慢，所以本文利用物體空間的包圍體算法來減少追蹤光線數(shù)量，將RC算法與包圍體算法相結(jié)合，將包圍體方法推廣到三維空間，進行醫(yī)學圖像體數(shù)據(jù)的顯示。   基于改進的RC方法對胸部CT圖像進行三維成像，計算時間主要取決于體數(shù)據(jù)場中要顯示器官或臟器的數(shù)量及復(fù)雜度，一般地，要顯示的器官或臟器較少，部分光線不與任一包圍體相交，且由于在包圍

12、體內(nèi)的光線長度小于光線在體數(shù)據(jù)場中長度，所以，對于給定的方向，其總的采樣點數(shù)必小于原來的圖像空間為序的算法的采樣點數(shù)。   基于改進的RC方法的三維重建算法   數(shù)據(jù)的預(yù)處理   包括原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、平滑、去噪、剔除冗余數(shù)據(jù)等。   加入包圍體方法   判斷光線同包圍體是否相交，減少采樣點數(shù)目，提高成像質(zhì)量和速度。   數(shù)據(jù)值的分類   根據(jù)體數(shù)據(jù)的一些屬性，正確地將其分為若干類，利用分類后的結(jié)果給不同的類賦以顏色值和不透明度值，以正確顯示體數(shù)據(jù)中物體的

13、結(jié)構(gòu)。   重采樣   由于沿射線的采樣點不一定剛好在體數(shù)據(jù)的網(wǎng)格點上，所以采樣點的值必須由距它最近的8個體素點通過三線性插值求得。   將二維圖像合成三維圖像   3  實驗結(jié)果   本研究實驗中采用了3個實際的醫(yī)學胸部CT圖像病例。計算機配置為: 硬件配置:雙核Intel(R) Xeon(R) CPU, 5130 2.0 GHz/1333 MHz FSB/4M, 2 GB內(nèi)存, NVIDIA Quadro FX 550顯示卡，160   G硬盤空間。 軟件配置:

14、WinXP PRO32操作系統(tǒng), Microsoft Visual C+ 6.0, VTK5.0。在改進的RC方法中，系數(shù)參數(shù)設(shè)置為：環(huán)境光系數(shù)是0.2；漫反射系數(shù)1.0；鏡面反射系數(shù)0.3；鏡面反射指數(shù) 50.0，實驗結(jié)果如圖1所示。   圖1  三維重建結(jié)果   其中，圖1(a)是用傳統(tǒng)的RC算法得到的結(jié)果，圖1(b)為包含新型傳遞函數(shù)并加入了梯度透明度的RC算法所得到的結(jié)果，圖1(c)為本文方法所得到的結(jié)果，圖1(d)是對圖像進行肺野分割后利用本文方法進行3D重建的結(jié)果，從圖1可以看出，本文方法比傳統(tǒng)方法的3D顯示效果明顯提高了。   表1為本文方法與傳統(tǒng)RC的3D重建時間的比較結(jié)果。其中，t0是傳統(tǒng)RC方法3D重建的時間，t是本文方法3D重建的時間，時間的單位為秒。表1&