基于图像序列的植物维管束的三维绘制技术研究

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1、摘要植物的维管束犹如人体的血管，负责营养和水分的输送，通过三维重建技术模拟出植物维管束通道，计算出维管束的截面积，从而使用户可以从不同角度观测植物茎的剖切面，这对于推广植物科学知识，普及人们对于植物内部结构的了解等有着重要的现实意义。本文主要研究了几种三维绘制技术，包括基于轮廓的三维绘制、基于体素的面绘制及基于体素的直接体绘制技术。在论文中，着重探讨并解决了以下问题：1)图像的配准问题，提出并实现了基于仿射变换的图像配准方法；2)轮廓特征点的提取与保存问题，通过多区域轮廓跟踪法实现了多个轮廓的提取，并利

2、用差分链码表示特征点，把切片图像的所有轮廓数据保存到数据库中，三维绘制则采用相邻轮廓特征点相连，构造三角面片的方法实现；3)基于体素的面绘制问题，研究了MC(步进立方体)算法，从三维数据集中抽取等值面，然后进行三维绘制；4)基于体素的直接体绘制问题，探讨了光线投射(Raycasting)、溅射(Splatting)、错切一形变(shear-warp)等算法，并借助VTK，用光线投射算法对玉米和黄瓜的序列切片图像实现了直接体绘制。此外，本文还对多种图像处理算法以及OpenGL、VTK的光源、纹理、深度缓存

3、等作了深入研究，较好地实现了植物茎切片序列图像的三维重建。关键词：维管束三维重建图像配准轮廓提取面绘制体绘制VTKAbstractLikehuman’Sbloodvessel，Plant’Svascularbundletransfersnutritionandwatertoa11itsorganizations．Withthree-dimensionalReconstructingtechnology,wecallsimulatethevascularbundlechannel，computethese

4、ctionarea，andmakepeopletoobserveormeasuretheplantindetml．Itisveryhelpfulforpeopletofindoutplant'sinnerstructure．Thispapermainlydiscussedthreemethodsof3DReconstructiontechnology,include3DReconstructionbasedoncontourextraction,SurfaceRenderingbasedonvoxels

5、，andVolumeRenderingbasedonvoxels．Thepaperdiscussedandsolvedthefollowingproblems．Firstly,realizetheimageregistrationwimaffinetransformation．Secondly,realizetheextractionandreservationofcharacterpointsoncontourswithmethodsofmulti-contourtracinganddifferenc

6、ecoderepresenting，meanwhile，3DReconstructionadoptthemethodoflinkingtheaccordingcharacterpointsonneighboringslicecontourtoconstructtrianglemeshes．Thirdly,researchtheMarchingCubesalgorithmstoextracttheiso—surfaceaboutSurfaceRendering．Atlast，wediscussedtheV

7、olumeRenderingandsomealgorithmslikeRay—Casting，Splatting，Shear-Warpetc．AlsowiththehelpofVTK,werealizedtheVolumeRenderingwiththesliceimagesofcucumber．Toobtainbetterresultsof3DReconstruction，thepaperalsodiscussedimageprocessingalgorithms，Light，Texture，dept

8、h-bufferinOpenGLandVTK．Atlast，wecompletethe3DReconstructionofimageslices．KeyWords：VascularBundle，3DReconstruction，ImageRegistration，ContourExtraction，SurfaceRendering，VolumeRendering，VisualizationToolKit．II首都师范大学位论文原创性声明本人