[发明专利]一种融合解剖与功能成像信息数据场的半透明体绘制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种融合解剖与功能成像信息数据场的半透明体绘制方法，属于医学图像处理及应用技术领域。

背景技术

在医学图像可视化的运用中，医生常常需要透过组织表面看清内部的病变结构和细节信息，确定肿瘤的相对位置。因此，能透过对象表面，显示内部的隐含分界面(内部不同介质之间的界面)及其内部细节的半透明体绘制技术被广泛应用于医学可视化中。

直接体绘制技术直接应用体绘制方程将体数据映射为二维图像，其实质是一个三维离散数据场的重采样和图像合成的过程。光学模型描述三维数据是如何产生、反射、阻挡以及散射光线的。基于各类光学模型，可以得到相应的体绘制方程。体绘制方程在重采样的基础上，依据光学模型计算出全部采样点对屏幕像素的贡献，亦即通过采用不同的方法累积数据属性来获得不同的绘制效果。

结合Blinn-Phong面明暗化模型的光线吸收与发射模型是应用最广泛的一种体绘制光学模型。尽管该模型能基本描述许多明显的半透明组织表面，然而，其难以表述半透明组织或者散射占优的组织的详细信息。Nelson Max在论文《Optical models for direct volumerendering》(IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，1995，1(2)：99-108)证明了多重散射对于体绘制的效果显著，并且给出了计算多散射的方法。然而，庞大的计算量与苛刻的内存要求使得精确的光学模型难以在实时的医学工程中得到应用。因此，在实际的体绘制应用中，一些相对容易实现的光学经验模型被普遍采用。如，蔡文立和彭延军分别在论文《基于输运方程的混合式体绘制模型》(计算机学报，1995，18(5)：330-338)与论文《体绘制中显示隐含分界面的一种方法及其实现》(软件学报，2002，13(9)：1887-1892)中提出了在基本的光线吸收与发射模型中加入直接散射部分，并用非真实感绘制技术加大隐含分界面的显示效果。此外，Kniss Joe在论文《A model for volumelighting and modeling》(IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2003，9(2)：150-162)提出了一个适用于高档硬件实现的体绘制的光学经验模型。LacrouteP.在论文《Fast Volume Rendering Using a Shear-Warp Factorization of the ViewingTransformation》(Ph.D.dissertation，USA.Stanford University，1995：29-43)提出的Shear-Warp算法是目前最快的基于CPU的体绘制方法。

目前已申请的有关体绘制方法的发明中，体绘制的方法(02800260.1)、一种用于虚拟手术的体绘制成像方法(200410018565.9)、具有封闭轮廓多平面重定格式的体绘制数据的可视化(200510065505.7)、采用多图形处理器加速方格片元过滤的实时体绘制方法(200410086020.1)、CT图像的快速渐进式直接体绘制三维重建方法(200510042734.7)、滑动纹理的体绘制(200510087829.0)、医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法(200510110665.9)、基于分形的体绘制可视化方法(200610117049.0)、空腔性脏器内壁快速体绘制方法(200610118894.X)、基于分块的蒙特卡洛体绘制方法(200610117570.4)，这些发明都没有涉及体绘制的本质——光学模型的内容。然而，直接体绘制技术直接应用体绘制方程将体数据映射为二维图像，其实质是一个三维离散数据场的重采样和图像合成的过程。光学模型描述三维数据是如何产生、反射、阻挡以及散射光线的。基于各类光学模型，可以得到相应的体绘制方程。因此，光学模型决定着最终的三维重建结果的效果。而使用明暗处理的直接体绘制(200580029305.4)则是用梯度参数对常用的Phong光照模型作了简单的补充。在三维数据场的半透明体绘制中，为了充分显示重建对象的内部隐含分界面及内部细节的详细信息，除了需要考虑光线的吸收、发射，还要考虑阴影、直接散射与间接散射等因素。