改进的三维可视化用光线投射算法

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1、改进的三维可视化用光线投射算法【摘要】把图像处理、光线投射与包围体技术有机结合，提出了一种提高成像质量和速度的三维可视化新方法。该方法利用物体空间的包围体算法来减少追踪光线的数量，加快了绘制速度。通过实际的医学胸部CT图像的三维重建实验，取得了较好的三维显示效果和速度，验证了改进的光线投射算法对胸部CT图像的快速三维可视化问题的有效性。【关键词】光线投射算法；包围体算法；可视化；三维重建；胸部CT图像Abstract:Anovelmethodfor3Dvisualizationprovedimagequalityandspeedhasbeendevelopedbycloselybinedu

2、seofimageprocessing,raycastingandboundingboxtechnology.Themethodappliedspaceobjectsboundingboxtrackingalgorithmtoreducetheamountoflight,andimprovedraycastingalgorithmtospeeduptherenderingspeed.Goodperformancespeedand3DdisplayensionalreconstructionexperimentedicalchestCTimages,andtheeffectivenessof

3、theimprovedlightingprojectionalgorithmforrapid3DvisualizationofthechestCTimagesed.Keyage科学计算可视化(visualizationinscientificsomputing)是指运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像，以直观的形式表示出来［1,2］。涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域，已成为当前计算机图形学研究的重要方向。目前，在可视化领域中，医学数据的可视化是最活跃的研究领域之一。由于二维图像序列不

4、能使医生直观的研究人体内部的真实结构［3］，所以需要利用科学计算可视化技术将一系列基于CT成像技术得到的二维图像重建成三维结构［4,5］。三维重建分为面绘制算法和体绘制算法两种。其中，面绘制算法包括轮廓线法和移动立方体法，体绘制算法包括光线投射算法、错切形变算法、抛雪球算法和纹理映射算法。本文所用可视化工具VTK(TheVisualizationToolkit)［6］构造在C++语言上，基于C++类库，并支持Java与OpenGL语言，包括三维计算机图形学、图像处理和可视化三大功能。由于VTK支持OpenGL，可以有效地利用各种支持OpenGL标准的显卡的硬件加速功能，提高经过图像处理或可

5、视化后得到的图像或图形数据的绘制效率。VTK将数据可视化算法封装成一系列定义清晰、易于扩展的类［7］，是一个很好的图形图像可视化的工具箱，对于面向对象的编程语言和工程应用有着广泛的实用价值，对医疗领域及相关研究有着深远的意义。1光线投射与包围体算法1.1光线投射算法光线投射(raycasting，RC)算法［8,9］是基于图像空间体绘制的经典算法，它从图像空间的每一像素出发，按视线方向发射一条射线，这条射线穿过三维数据场，沿着这条射线选择若干个等距的采样点，并由距离某一采样点最近的8个数据点的颜色值和不透明度值作三次线性插值，求出该采样点的不透明度值和颜色值。再将每条射线上各采样点的颜色值

6、和不透明度值由前向后或由后向前加以合成，即可得到发出该射线的像素点处的颜色值，从而可以在屏幕上得到最终的图像。RC算法如下：①读入体数据；②数据预处理；③光照明暗处理与分类，得到各体素的颜色值和不透度值。RC算法假设三维数据场为规则的，利用插值法估计出每个采样点所对应的体数据值，然后再根据这些点上的值计算光强和不透明度。一般的点采样都是利用三元线性插值法，使之有利于保留图像的细节，绘制质量高的图像，但是，RC算法运算成本较大，绘制速度低。而在交互式可视化系统中，绘制速度是非常重要的指标。1.2包围体算法在二维图像中，当其分辨率及采样分辨率不变时，如果减少实际进行光线追踪的光线或采样点的数目

7、，能够提高绘制速度。在医学图像的三维体数据中，一般情况下只包括几个独立的器官或脏器，假设可以用几个凸多面体分别将它们包围起来，称这样的凸多面体为包围体。因此只要提前判定光线与任一个包围体是否相交，如果不相交则不进行后续的采样过程，从而减少了实际追踪光线的数量。并且通过将采样过程限制在包围体的内部进行来减少每个光线上采样点数目。为了减少光线与它们交点所计算的时间，可以采用预先确定一组平面集法向量，它们独立于要显示的器官或脏