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1、P r o f e s s i o n a lF o r u ml 专业论坛 三维体数据的可视化探讨 李 晶,阮兴云,徐志荣,朱 弋 ( 成都军区昆明总医院,昆明6 5 0 0 3 2 ) 【摘要】 阐述了三维体数据可视化中两种重要的方法:表面绘常l 与体绘制。通过对两种方法进行比较分析,面绘审l 的 交互优势越来越不明显。体绘制良好的三维表现效果吸引着越来越多的研究者加以运用。为三维体数据科学可视提 供了依据。 【关键词】可视化;面绘制;体绘制 【中图分类号】T P 3 9 1 9【文献标志码 B【文章编号】1 0 0 3 8 8 6 8 ( 2 0 0 8 ) 0 6 0 0 7 5 -
2、0 2 V i s u a l i z a t i O i lf o rT h r e e - d i m e n s i o n a lD a t a L IJ i n g ,R U A NX i n g y u n ,X UZ h i r o n g ,Z H UY i ( K u n m i n gG e n e r a lH o s p i t a l ,C h e n g d uM i l i t a r yA r e aC o m m a n d ,K u n m i n g5 1 0 6 3 2 ,C h i n a ) A b s t r a c tT h et w o i m
3、 p o r t a n tm e t h o d sf o rd i s p l a y i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ld a t a c a l l e ds u r f a c er e n d e r i n ga n dv o l u m e r e n d e r i n ga r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d I ti sc o n c l u d e dt h a tv o l u m er e n d e r i n gi ss u p e r i o r t os u r f
4、a c er e n d e r i n gf o rt h e f o r m e ro n ep r o v i d e sab a s i sf o rv i s u a l i z a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a ld a t a C h i n e s eM e d i c a lE q u i p m e n tJ o u r n a l ,2 0 0 8 ,2 9 ( 6 ) :7 5 7 6 1 K e yw o r d sv i s u a l i z a t i o n ;S U r f a c er e n d e r
5、i n g ;v o l u m er e n d e r i n g 随着科学技术的不断发展大量由计算机产生的中间数 据都需要进行可视化( V i s u a l i z a t i o n ) 处理,以达到辅助分析、 再现客观的目的。数据可视化技术指运用计算机图形学和图 像处理技术将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来, 并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机网形 学、数字图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互 技术等多个领域。对于三维数据场,根据网像表达的方式其 成像方法主要可分为表面绘制法( S u r f a c eB a s e dR e n d e r i n
6、g ) 和直接体绘制法( D i r e c tV o l u m eR e n d e r i n g ) 。 1 表面绘制法 表面绘制法最早应用于医学图像的三维显示技术它是 通过平面元( F a c e t ) 来近似和逼近显示物体表面因而称为表 面绘制。具体做法是在数据集中跟踪和提取等值面然后将 等值面分饵为足够小的面片以保证表面有足够的平滑度 最后采用计算机图形学的技术和方法加以显示。表面绘制技 术通过对体数据进行预处理得到表示表面的i 角形面片, 因此显示时只是旋转与缩放操作数据处理大为减少还可 以借助于现有的图形加速软件有利于实时的交互实现。 最早出现的表面绘制的方法是面向多边形法
7、先在一系 列的二维切面上生成等值线然后将这些等值线连接成等值 曲面1 。通常用三角形贴面技术将层与层之间的轮廓线连接 起来最后进行表面明暗处理得到具有立体感的i 维表面。 另一类方法是面向体素法( V o x e lO r i e n t e d ) ,不生成二维切面 上的等值线而是直接在数据场中抽取等值面。等值面的构 造是从体数据恢复物体三维几何描述的常用方法之一。如果 收稿日期:2 0 0 7 1 2 2 7 修回日期:2 0 0 8 - 0 2 1 0 基金项目! 同家f 然科学基金( 3 0 7 7 0 5 4 0 ) 作者简介:李晶( 1 9 6 6 - ) 男山西运城人博士,高级_
8、 丁程师,主要从事 医学图像处理、计算机辅助外科方面的研究工作,E m a f l :一 j i n g k m 1 2 6 c o r n 。 把体数据看成是某个空间区域内关于某种属性的采样集合 非采样点上的值以其邻近采样点上的采样值的插值来估计 则该空间区域内所有具有某一个相同值的点的集合将定义 一个或多个曲面称之为等值面。因为不同的物质具有不同 的物理属性因此可以选定适竺j 的值来定义等值面该等值 面表示不同属性的交界。也就是说一个适当值定义的等值 面可以代表某种属性的表面。由于等值面是三次代数曲面 构造等值面的计算复杂也不便于显示而多边形的显示则 非常方便所以。等值面的三角片拟合是常用
9、的手段。通过插 值得到3 个方向上分辨率一致的体素数据在体数据内以体 素为单位跟踪表面在构成表面的体索内进行小面片重建。 然后显示出来。此方法对数据的要求较高大鼋的体素数据 会产生大量的几何图元为绘制与显示带来困难丧失快速 绘制交互迅速的优点等值面提取算法中广泛使用的是立 方块移动方法( M a r c h i n gC u b e s ) 1 2 1 。该方法首先由给定的阈值 将每个数据体元的8 个顶点的数值二值化然后根据这8 个 顶点二值化后相互间的拓扑关系分成1 5 种情况进行等值 面的匹配生成处理。该方法可以快速生成等值面将体素与 多边形联系起来能产生很好的口视化效果。但是数据场采 样
10、密度很高时采用此法产生的三角形小面片往往比显示屏 幕上的像素要小因而通过插值来计算小面片没有必要。 比较而言面向多边形的绘制方法存储少、速度快便于 进行三维实时旋转操作而且可以纠正由于分类不当导致的 错误结果。缺点是在确定多分支等值线在相邻切片间的拓扑 关系以及分支处顶点的连接关系时比较困难至今尚未彻底 解决。面向体素的方法避免了相邻切片间等值线连接的困 难可以直接生成三维的等值曲面但大量图无的产生容易 丧失绘制高效性。面绘制法将感兴趣的部分以等值面的方式 抽取出来后,便于利用真实感技术生成高质量的图像使研 究人员可以方便地进行观察和分析。但这种方法每次只能显 医疗卫生装备2 0 0 8 年6
11、 月第2 9 卷第6 期7 只 C h I n e s eM e d 妇IE q u i p m e n tJ o u r n a l V 0 1 2 9N o 6J u n e2 0 0 8 ,u 专业论坛lP r o f e s s i o n a lF o r u m 示一个值的等值面而不能反映数据场中各种因素的相互关 系使研究人员难以把握数据场的全局状况。因此要把冷冻 电镜计算机重构技术获得的病毒i 维体数据中的内部结构 信息显示出来,运用面绘制的方法不当。 2 体绘制法 体绘制方法是对三维空间中定义的i 维物体从任意的 视点来跟踪体索赋予它一定的色彩和透明度由光线穿越半 透明物质时能
12、量集聚的光学原理。进行色彩合成的成像操作 不仅可以构造出各个边界面而且对其内部信息的结构实现 可视化。此种显示方法的特点是由灰度体数据直接显示没有 体数据到几何图元的映射过程因而义称为直接体绘制( D i e c lV o l u m eR e n d e r i n g ) 。现在采用的主要方法,根据绘制域的 不同可分为频域体绘制( F r e q u e n c yD o m a i nV o l u m eR e n d e r - i n g ) 与空域体绘制( S p a c eD o m a i n V o l u m eR e n d e r i n g ) 。频域体 绘制方法不
13、是在空间域进行操作,而是先利用F o u f i e r 变换,将 三维的数据场空问转化为i 维的频域空间然后由频域的切 片原理可知过频域中心且垂直某个方向的二维切片经过反 F o u r i e r 变换所得的图像就是沿该方向进行光线投射方法或 投影成像方法所产生的可视图口l 。该方法产生频域空间时开销 较大。但频域空问与视点无关可以反复使用,南频域空间的 二维切片获得三维数据场空间的可视图更体现了该方法的 优越性该方法所生成的可视网不能反映空间域中色彩合成 时的遮挡关系使观察者难以判断对象分布的前后关系。 另外近年来也有研究者开始小波域中的体绘制方法。 空域体绘制方法中最具代表性的是以图像
14、空间为序的光线 追踪法和以物空间为序的投影成像法。光线投射方法就是 沿某个方向从屏幕上的像素发出光线穿越数据场每条光线 穿越数据场时进行采样和色彩累积的操作以得到相关像素 的色彩,直至形成最终的叮视图| 4 】。 一般地说该方法可以方便地利用光照计算生成细腻的 可视图但速度较慢。投影成像方法,就是沿某个投影方向将 数据场中的体元逐个地投影到屏幕上而屏幕上的每个像素 将所获得的体元影响进行累积计算以得到它的色彩直至形 成最终的可视图f f l 。该方法的成像速度较快,但很难利用光照 计算所生成的可视图质量较差。直接体绘制方法,可以将数 据场中的多种分类物质在一张可视图中显示。揭示它们的相 互关系
15、。但由于缺乏棱角明显的中间几何图元的表达其可 视网通常比较模糊,常常要从不同角度与合适的方法观察多 幅可视图才能对数据场有较好的认识。 3 比较与总结 面绘制必须经过几何面元的构造或提取阈值分割和极 值跟踪是常用的方法。但是简单的二值分割叮能会使原来 包含在体数据中的精细信息和一些重要的信息丢失特别是 显示病毒结构中的表面蛋白与内部核酸时这些丢失的信息 可能是很重要的结构。体绘制与传统的图形学方法中南面构 造体的方法不同直接对体数据的体素进行处理操作,可以 绘制出i 维数据场中包含的丰富信息使得结构的全貌得到 显示。因此从绘制效果上看,体绘制比面绘制的效果要好。 而在算法效率和实时交互性能方面
16、面绘制采用传统成熟的 图形学方法有许多高效的算法和专用的图形加速硬件时可 采样用,因而其效率高于体绘制方法。随着计算机处理器、存 储器、图形处理单元性能不断提高各种分布计算以及体数 据的不断提高面绘制的交互优势越来越不明显体绘制良 好的三维表现效果吸引着越来越多的研究者加以运用。 【参考文献】 【1 】1 C h o iYK ,P a r kKH Ah e u r i s t i ct r i a n g u l a t i o na l g o r i t h mf o rm u l t i p i ep l a n a rc o n t o u r su s i n ga ne x t e
17、 n d e dd o u b l eb r a n c h i n gp r o c e d u r e 【J 】T h eV i s u a lC o m p u t e r ,1 9 9 4 ,1 0 :3 7 2 - 3 8 7 【2 】2 L o r e n s e nWE ,C l i n eHE M a r c h i n gC u b e s :Ah i g hr e s o l u t i o n3 D s u r f a c ec o n s t r u c t i o na l g o r i t h m 【J 】C o m p u t e rG r a p h i c
18、s ,1 9 8 7 ,2 1 ( 4 ) :1 6 3 1 6 9 【3 】M a l z b e n d e rT F o u r i e rv o l u m er e n d e r i n g 【J 1 A C MT r a n s a c t i o n sO i l G r a p h i c s ,1 9 9 3 ,1 2 ( 3 ) :2 3 3 - 2 5 0 【4 】L e v o yM E f f i c i e n tr a yt r a c i n go fv o l u m ed a t a J A C MT r a n s a c t i o n s o nG
19、r a p h i c s 。1 9 9 0 ,9 ( 3 ) :2 4 5 2 6 1 【5 】5 D r e b i nRA LC a r p e n t e r V o l u m er e n d e r i n g 叨C o m p u t e rG r a p h i e s1 9 8 8 2 2 ( 4 ) :6 5 7 4 + - + - + - + - + - + - + - + 一+ - + - + - + - + - + + - + 一+ - + - + - + - + - + - + 卜+ - + - + - + 一+ 一+ - + - + + - + 一一+ - +
20、- - 卜- - 一- - + - - - + - - - t - - - _ 一- + 一_ 一。+ 一 ( , i l 上接第7 4 页) 监护车厢休克、昏迷伤员必须使用保护具,在床栏周围加用 软垫同时采用2 5 3 5c m 宽的约束带将胸部、髋部、膝部固 定在床上注意松紧要适宜。骨盆伤、脊柱伤伤员应选择与车 厢纵轴方向垂直的床位使身体顺应列车的摇摆方向,避免 伤情加重。颅脑损伤、气管切开或插管的伤员,应使用头颈 固定装置或头颈两侧放置沙袋枕固定。 3 3 医疗设施的固定 对病床、储物柜及较大的医疗设备可采用螺栓、固定钢 环及辅助固定支柱等P l 硬性同定于车厢地板或厢壁。体积较 小的物
21、品町使用防滑垫、绳带及卡扣进行软性同定防止滑 动散乱。操作时采用不怕碰撞、易固定的治疗篮筐取代治疗 盘采用厢顶或厢壁悬吊式挂钩取代立式输液架。 4 总结 高科技的发展对医疗卫勤装备保障提出了更高的要求。 7 R 医疗卫生装备2 0 0 8 年6 月第2 9 卷第6 期 ,V C h i n e s eM e c l i c a lE q u i p m e n tJ o u r n a l V 0 1 2 9N o 6J u n e2 0 0 8 通过本次真车拉动演练我们对医疗后送中列车改建方法和 医疗设备使用及保障进行初步研究积累了一定经验,但离 实战要求还有较大差距。因此还应加大投入,探索更加方便 快捷的列车改装方法完善战时卫勤装备保障流程。进一步 提高救治效率与质量。 【参考文献】 f 1 1 中国人民解放军总后勤部卫生部军队医院机动卫勤分队训练 教材 M I 北京:解放军出版社2 0 0 3 【2 】陈渝,孙汉军于卫东,等民用列车快速改装卫生列车方法的 探讨【J 医疗卫生装备。2 0 0 7 ,2 8 ( 1 0 ) :5 l - 5 2 【3 】王仙囝,田晓丽,李亚洁现代战创伤护理【M 】北京:人民军医出 版社2 0 0 5 【4 】陈渝医疗装备在卫生列车中固定方法的探讨田医疗卫生装备, 2 0 0 7 2 8 ( 1 ) :1 - 4
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