基于二维传递函数的三维图像可视化方法技术

本发明专利技术公开一种基于二维传递函数的三维图像可视化方法，首先建立了二维传递函数的广义模型，并设计了四种分类器，然后，设计出了二维传递函数的具体模型，最后，根据二维传递函数模型得到的光学参数绘制出三维图像。该方法简单，对基于图形硬件的体绘制算法和基于软件的体绘制算法具有普适性，其结果直观，能够实现体数据中光学参数设置、用户感兴趣结构提取、无关结构抑制和三维图像半透明绘制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机图形学中的三维可视化领域，特别涉及体绘制中的二维传递函数技术。
技术介绍
体绘制(Volume Rendering)出现于上个世纪70年代，是三维图像可视化方法中 非常重要的一种方法。由于体绘制不仅可以显示体数据的表面信息，还可以显示其内部信 息，从而能实现体数据的真实感显示，有利于体数据信息的全面理解与分析，因此在辅助医 生诊断、工业CT缺陷检测等方面有着非常重要的作用。体绘制算法的关键之一是传递函数(Transfer Function)。传递函数负责设置体 数据(也称为三维数据)的颜色、不透明度(也称为阻光度)等光学参数，从而实现具有真 实感的三维图像可视化。传递函数从性质上可分为一维传递函数、二维传递函数和三维传 递函数等等；从用途上可分为颜色传递函数、不透明度(阻光度)传递函数等等。其中，二 维传递函数是体数据中标量值和梯度幅度与光学参数之间的映射关系。然而，传递函数的 设计是一件非常困难的事情，设计合适的传递函数已经被列为可视化领域里的十大难题之 一。原因之一传递函数的核心问题之一是提取用户感兴趣的特征，同时抑制那些不需要的 结构，传递函数仅仅使用了体数据的标量、梯度等数据信息，然而，在图像中，各种组织器官 间的亮度值梯度值差异不大，很难将其分开；原因之二 传递函数界面缺乏直观性，空间域 与传递函数域是相对独立的，空间域是我们熟悉的三维体数据空间，而传递函数域则是一 个抽象的空间，它的维度并不是空间维度而是体数据的亮度等等，它的函数值不是标量值 而是颜色(如R、G、B)、不透明度等向量值；原因之三传递函数的设计存在盲目性，对于一 个具体的体数据集，医生并不十分清楚感兴趣特征的传递函数信息，例如，对于一个待分析 的腹部数据集，医生无法知道病人的肝脏是否有肿瘤还是有损伤，无法知道这些特征的亮 度范围大概在哪个区间，只有通过反复的调节光学参数才能知道，需要耗费大量的时间和 精力。
技术实现思路
解决的技术问题为了解决体数据光学参数(如不透明度，颜色等)设置、用户感兴趣结构提取、无 关结构抑制和三维图像半透明可视化的技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于二维传递 函数的三维图像可视化方法。技术方案为达成所述目的，本专利技术提出的技术方 案如下步骤Sl 根据体数据的标量值和梯度幅度建立二维传递函数的广义模型<formula>formula see original document page 4</formula>其中，g表示二维传递函数的广义模型；TF表示体数据的标量值和梯度幅度与光 学参数的映射规则；f表示体数据中的标量值；||v/||表示体数据的梯度幅度；步骤S2 根据体数据的标量值和梯度幅度设计斜坡分类器、半椭球分类器、金字 塔形状分类器和斜面分类器。步骤S3 结合步骤Sl中二维传递函数广义模型和步骤S2中斜坡分类器、半椭球分类器、金字塔形状分类器和斜面分类器，得到二维传递函数的具体模型<formula>formula see original document page 5</formula>其中，G表示二维传递函数的具体模型；Smax表示二维传递函数的最大值，设定如 果是不透明度二维传递函数取值范围为O 1，则有<9max =I ；m表示二维传递函数第i种分 类器，设定m = 4 ；η表示二维传递函数第i种分类器中个数；CU表示二维传递函数第i种 分类器中的第j个，Citl = O;步骤S4 根据二维传递函数具体模型得到的光学参数绘制出三维图像。本专利技术的有益效果本专利技术提出的二维传递函数可以应用在体绘制算法中实现二 维传递函数实现体数据光学参数(如不透明度，颜色等)设置、用户感兴趣结构提取和无关 结构抑制，从而实现三维图像可视化。同时，本专利技术提出的二维传递函数既可以支持基于软 件的体绘制，能够实现大规模体数据的高质量绘制，也可以支持基于图形硬件的体绘制，能 够实现中小规模体数据的快速绘制，在体数据可视化领域具有重要的应用价值。附图说明图1是本专利技术基于二维传递函数的三维图像可视化流程图。图2是本专利技术四种分类器的三维几何模型。图3是本专利技术分类器设计的流程图。图4是本专利技术二维传递函数设计的流程图。图5是本专利技术四种分类器分别在二维传递函数交互界面里的投影。图6是本专利技术基于二维传递函数的三维图像可视化应用实例。图7是本专利技术二维传递函数交互界面及其实现三维图像具有真实感的半透明可 视化应用实例。图8是本专利技术利用二维传递函数在三维图像中进行结构提取的应用实例。 具体实施例方式本专利技术技术方案是首先，建立二维传递函数的广义模型，然后，设计了四种分类 器斜坡分类器、半椭球分类器、金字塔形状分类器和斜面分类器，接着，结合二维传递函数 广义模型和分类器建立了二维传递函数的具体模型，最后，将这种二维传递函数方法应用 在体绘制算法中实现二维传递函数实现体数据光学参数(如不透明度，颜色等)设置、用户 感兴趣结构提取和无关结构抑制，从而实现三维图像可视化。结合附图详细描述本专利技术提出的。模型Ml 二维传递函数的广义模型本专利技术首先建立了一个如式(1)的二维传递函数的广义模型，二维传递函数的广 义模型是体数据的标量值和梯度幅度与不透明度或颜色之间的映射关系。<formula>formula see original document page 6</formula>其中，g表示二维传递函数的广义模型；TF表示体数据的标量值和梯度幅度与光 学参数的映射规则；f表示体数据中的标量值；体数据的梯度幅度||v/|| <formula>formula see original document page 6</formula>其中χ表示体数据的三维空间坐标系的水平坐标；y表示体数据的三维 空间坐标系的纵坐标；ζ表示体数据的三维空间坐标系垂直于平面xOy的坐标； (X，y，ζ)表示体数据的三维空间坐标系中的体素；f(x，y，ζ)表示体数据的三维空间坐标系中的体素值；体数据中的每一个体素的偏导数^^，^^和^^ 的具体模型为^^ = ^(/(W,，:,)-/(UA)) ； ^^ = |(/(^-丨4)-/(^+丨力)；a/(O，Z')=|(/0v>VZ;-i)-/(W; + 1)). /feW,)表示体数据的三维空间坐标系中的第(Xi，yi，Zi)个体素的体素值；f Uh，Yi, Zi)表示体数据的三维空间坐标系中的第(XH，Yi, Zi)个体素 的体素值；f (xi+1，Yi, Zi)表示体数据的三维空间坐标系中的第(xi+1，Yi, Zi)个体素的体素 值；f (XyyiVZi)表示体数据的三维空间坐标系中的第(XyyiVZi)个体素的体素值；f Ui, yi+1，Zi)表示体数据的三维空间坐标系中的第(Xi，yi+1，Zi)个体素的体素值；f (Xi，yi Zi^1) 表示体数据的三维空间坐标系中的第(Xi, Ii, ZiJ个体素的体素值；f (Xi，Yi, zi+1)表示体 数据的三维空间坐标系中的第(Xi，Yi, zi+1)个体素的体素值；模型M2:分类器 本专利技术使用的二维传递函数模型是由一些基本的几何本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维传递函数的三维图像可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤Ｓ１：根据体数据的标量值和梯度幅度建立二维传递函数的广义模型：ｇ＝ＴＦ（ｆ，‖▽ｆ‖）其中，ｇ表示二维传递函数的广义模型；ＴＦ表示体数据的标量值和梯度幅度与光学参数的映射规则；ｆ表示体数据中的标量值；‖▽ｆ‖表示体数据的梯度幅度；步骤Ｓ２：根据体数据的标量值和梯度幅度设计斜坡分类器、半椭球分类器、金字塔形状分类器和斜面分类器；步骤Ｓ３：结合步骤Ｓ１中二维传递函数广义模型和步骤Ｓ２中斜坡分类器、半椭球分类器、金字塔形状分类器和斜面分类器，得到二维传递函数的具体模型：Ｇ＝＊↓［ｍａｘ］－＊＊［＊↓［ｍａｘ］－Ｃ↓［ｉｊ］（ｆ，‖▽ｆ‖）］其中，Ｇ表示二维传递函数的具体模型；＊↓［ｍａｘ］表示二维传递函数的最大值，设定如果是不透明度二维传递函数取值范围为０～１，则有＊↓［ｍａｘ］＝１；ｍ表示二维传递函数第ｉ种分类器，设定ｍ＝４；ｎ表示二维传递函数第ｉ种分类器中个数；Ｃ↓［ｉｊ］表示二维传递函数第ｉ种分类器中的第ｊ个，Ｃ↓［ｉ０］＝０；步骤Ｓ４：根据二维传递函数具体模型得到的光学参数绘制出三维图像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田捷，向德辉，杨鑫，徐敏，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]