基于片段融合的医学图像光线投影体绘制技术

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1、基于片段融合的医学图像光线投影体绘制技术【摘要】光线投影算法是医学图像三维可视化中常用的体绘制技术，算法原理简单，具有较高的成像质量，但绘制速度较慢。我们改进算法，利用投射光线与平面簇求交，快速确定融合片段，减少插值计算量，采用基于片段的融合绘制技术，加快融合速度，并且利用包围盒技术减少对无效平面的求交，提高了光线投影的效率。实验结果表明，改进后的算法既能保证绘制质量，又能显著减少计算量，提高体绘制的速度。【关键词】体绘制;医学图像;光线投影算法;平面簇求交;片段融合　　RayCastingVolumeRenderingofMedical　　ImagesUsingSegm

2、entpositionXULing，QIANZhiyu，TAOLing　　(DepartmentofBiomedicalEngineering,CollegeofAutomation,NanjingUniversityofAeronauticsAstronautics,Nanjing210016,China)　　Abstract：edicalimage;Raycastingalgorithm;Intersectionputationofplanes;Segmentposition　　1引言　　医学影像的体绘制技术在临床上已成为辅助诊断和辅助治疗的重要手段。体绘制技术可分为间

3、接体绘制和直接体绘制两大类，与间接体绘制相比，直接体绘制不仅能观察组织的表面，还能够透过表面观察到组织的内部细节，有助于医生对病灶部位做出正确的判断，更适合于临床应用。光线投影算法[1]是直接体绘制中效果较好的方法，具有较高的成像质量，可以显示医学影像数据场中细微的特征信息，且算法原理简单、易实现，其技术已成为近年来医学信息可视化领域研究的热点。但由于其投影光线数量巨大，严重影响了成像速度，为此，本研究在深入研究和综合分析各种加速算法的基础上[2-6]，提出了一种光线投影体绘制的综合加速算法，在保证绘制质量的基础上，有效地缩短光线投影算法的绘制时间。　　2光线投影算法原理　

4、　光线投影算法原理可简单描述为：根据设定的观察方向，从屏幕上的每一个像素点发出一条射线，见图1。射线穿过三维数据场，沿着射线选择若干个采样点，并由距离采样点最近的8个数据点的颜色值和不透明度值作三次线性插值，求出该采样点的颜色值和不透明度值，最后将每条射线上各采样点的颜色值及不透明度值按从前向后或从后向前的顺序进行合成，得到屏幕上该象素点的最终颜色值。　　光线投影算法能显示出非常丰富的信息，甚至连数据场中细微的特征都不会丢失。但是光线投影算法的致命缺陷也源于此。首先，光线投影算法就是重采样点的光学属性按顺序进行融合的一个过程。假设像平面上有M个像素点，那么要发射M条射线，如

5、果每条射线上选取N个采样点，则需要对M×N个采样点进行空间定位，为了得到较好的绘制效果，所需投射光线数量M和采样点个数N巨大，所以计算量很大,极大地影响了成像速度;其次，定位后采样点光学属性的计算采用三次线性插值的方法，该方法可取得较高的成像质量，但效率很低，用简单的插值方法又不能保证绘制质量。　　鉴于传统光线投影算法的上述缺陷，我们提出了一种综合的加速算法，在保证绘制质量和不增加复杂度的前提下，有效地提高了绘制速度。　　3改进的光线投影算法　　3.1新算法的提出　　在医学图像重建过程中，通常认为两两相邻平面间的采样点具有相似的光学属性，这样两两相邻平面间所截取的光线线段上

6、的采样点组成一个片段，则一条投影光线可以被分为多个片段，并选取片段上和平面相交采样点的光学属性作为片段的光学属性，减少三次线性插值的计算量。改进后算法的主要流程见图2。　　基于此，我们主要从以下几个方面对算法进行改进：(1)计算体数据立方体在像平面上的投影多边形，避免发出与三维数据场不相交的投影光线。(2)利用包围盒技术减少对无效平面的求交。(3)利用平面簇求交的方法快速确定相邻平面间采样点的个数及交点的光学属性，简化了插值算法　　段的融合技术，减少了融合操作的次数和时间。(5)利用VTK库函数，简化算法的编写。前面两种技术在本课题组前期的文献[7]中有比较详细的阐述，这里

7、主要介绍融合片段及采样点的获取技术。　　3.2融合片段的确定及采样点获取技术　　两两相邻平面间所截取的光线线段上的采样点组成一个片段，显然，快速确定射线与平面簇的交点是融合片段确定的前提。对于三维规则数据场，从物空间一点(x0,y0,z0)出发，沿视线方向(l,m,n)的射线参数方程可表示为：　　x=x0+l·t　　y=y0+m·t　　z=z0+n·t(1)　　设体元编号为(i,j,k)，δx、δy、δz分别为X、Y、Z三个方向上网格点间距。不失一般性，假设Z轴方向的平面簇与射线方向垂直程度最高，其平面簇方程可表示