三维体数据可视化技术

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1、三维体数据可视化技术第4卷第1期1995年2月(l一6)cT理论与应用研究CTTheoryandAPPlicationsVol.4，No.l，1995三维体数据可视化技术’管伟光马颂德(中国科学院自动化所国家棋式识别实脸室100080)接要:本文对体数据、可视化技术发展的历史和现状进行了综述，介绍了体数据显示的主要过程，全面地分析了各种算法和技术的特点。同时介绍我们所提出的一种体数据显示算法。最后，我们将讨论体数据可视化目前存在的间题及其发展趋势。主皿词:体数据可视化，体数据显示和处理，医学图像的分

2、析和重建TheThree一DimensionalVofumetrieL厄taVisualizationTeehniquesGuanWeiguangandMaSonsde(Nat~l坛bojPa“e，.凡创匆口二姗，l一别容.份oIA:‘阔.止加，C几‘柳月ca‘翻，吐&海邵”)ABSTRACT:ThisPaPersur讹ysthehistoryandeurrontstateofvolumevisualizatfon，in-troducestheitsmajorProcedures，andanal郊e

3、stheeharaeteristicsofvariousvolumerenderingalgorithms·Also，wePresentanovelalsorithmforvisualizingvolumedata·Intheend，weeoneludetheProblemsarisinginthefield，and81鸭somePromisingresearehdircctions·Keywords:VolumeVisual如tion，VolumeRenderingandProeessingAna

4、l”15ofMed吻l加ages，Reconstruetion1.引言体数据可以定义为一个离散有界的三维空间上的采样函数。如果采样是规则有结构的，则称这种体数据为规则有结构，多数情况下，体数据是规则有结构的，即在空间的三个方向上采样是均匀的。这种数据亦称三维离散图象，它可以表示成“’“’z’，其·‘{〕一二1，22，“一怎止番=梦1，夕2，…，梦。吝(工‘一工‘一z=d二)(犷‘一歹卜一=dy)=z:，22，…，z。;(z‘一z‘一1=刁z)本文仅讨论这种体数据的可视化问题.体数据本身不包诸如表面和

5、边等几何信息，同时，由于体数据所含有的结构一般都是非常复杂和细微的，所以也难于用几何来描述它。体数据在医学、空间物理学、地理、化学、显微摄影、机械工程和无损探伤等领域大量出现。体数据可视化技术就是研究体数据的表示方法，操作和显示，使我们能够看到体数据复杂的内部结构.八十年代是体数据可视化技术迅速发展的年代，提出了大量的算法，大体可分为基于表面的和基于体素的两类算法[l.2·’〕，到了九十年代，对体数据可视化技术的研究更.1994年4月8日收到本文初稿.cr理论与应用研究4卷加探入，更加多样化、在克服

6、以往方法的弱点的基础上，又提出许多算法，并朝着实现具有实时性、准确性的三维显示迈进了一步。2.基本概念体数据可视化实现的一般过程可以用图l表示2.1采样点和采样值采样点是采样的空间位置。采样值是在采样点处物质的某种物理属性的量化值。例如，在cT图象中，采样值表示物质对x光的吸收程度。2.2体素它定义为一个小的长方体区域。其长、宽、高分别是三个方向上的采样间距。可以把体素内部当作仅含有相同的物质，其物理属性与采样值相同。也可以把其内部当作充满了非均匀的物质，而内部物质的物理属性变化由其八个角点上的采样

7、值的三线性插值来确定。后一种模型比前一种更加准确合理地描述体域中物理属性的分布。2.3体城(或体空间)它表示采样空间，它是由许许多多的体素组成的。2.4有结构的规则的体数据(stru-eturedandReg川arVolume伪ta)如果在体空间中采样的分布是有结构的，真实物体/计算机棋型图1即采样点之间有明确的拓扑相邻关系，则称该体数据是有结构的。如果在体空间中一方向上采样的分布是等间距的，则称该体数据是规则的。3.表面造型和显示表面造型(或称为表面生成)是从体数据中抽取出它所包含的物体表面几何描

8、述，这个过程也称为三维重建[l’一1s，‘5」。当表面几何描述产生之后，就可以利用计算机图形学中的算法进行显示。此方法的优点是实现大规模的数据压缩，便于体数据所包含的物体的分析、操作和动态显示。但是，体数据一般包含着复杂和细微的结构。例如在医学图象中人体器官和生物组织的结构非常复杂而不规则，同时某些软组织在图象中的灰度变化特别微弱而不均匀。所有这些因素使得表面造型很难得到满意的结果;再者，表面造型将丢失体数据所含有的大量信息，表面造型的方法可以分有基于轮廓和基于体素的