[发明专利]基于电场理论的传递函数的直接体绘制方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形学中三维可视化领域，具体地，涉及一种基于电场理论的传递函数的直接体绘制方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展，新的数字化成像技术(CT、MRI、PET等)在医学影像领域的应用和不断发展成熟，使得人们认识身体内的结构特征变的更加容易和清晰，但如果仅根据这些二维图像，难以直观的得到器官或病灶的形状和大小，更加无法确定其在人体中与周围组织的空间拓扑信息。通过医学图像的三维重建技术，可以将二维图像序列在计算机上以三维效果图的形式直观的展现出来，从而为用户提供更加丰富的解剖信息和直接的观察方式，这无论在基础研究还是在临床诊断上都具有非常重大实用价值。

直接体绘制(Direct Volume Rendering)作为三维重建技术的一种非常重要方法，由于其最终绘制结果是由体数据中所有体素的光学属性累积而成的，所以能够揭示体数据的内部结构信息，产生更加直观的立体视觉效果。而如何在有限的条件下对体数据中每个体素指定合适的光学属性(例如颜色、阻光度等)，以便分离出隐藏于体数据中感兴趣的组织和结构，从而更清楚地理解感兴趣组织的细节信息和结构信息，一直以来都是医学可视化研究中的一个难点和热点。为体数据设置合适的光学属性的过程也就是传递函数(Transfer Function)的设计过程，它被1992年的美国Volume Visualization会议列为可视化领域里的十大关键性技术之一，由于其在体绘制中的重要性而越来越受到研究人员的关注。

传递函数作为直接体绘制方法的关键性技术，按采用的特征属性的维数可以分为一维传递函数、二维传递函数和高维传递函数。由于一维传递函数只考虑了体数据中灰度值这一个属性，而在真实的医学体数据中由于噪声和部分容积效应等因素的影响，使得不同的结构的灰度值差异并不十分明显，有些甚至重合到一起，所以一维传递无法很好的分开这类数据；而高维传递函数因为采用了更多的特征属性所以具有较好的分类能力，但对于不同类型的体数据从众多属性中如何选择分类能力强的属性，如何直观的理解高维传递函数空间与体数据中感兴趣结构的对应关系从而交互设计合适的传递函数，现在还没有一个统一的标准，并且对于高维传递函数需要计算的维数越多所需要的预处理时间也就越长，无法达到实时的交互过程。

由于二维传递函数相对于一维传递函数的分类能力更强，比高维传递函数更利于用户的理解和直观的交互操作，所以是现在最实用和最流行的一种传递函数。鉴于此，本发明首次将电场的理论引入到传递函数的设计过程中，设计出一种新的两维传递函数，并根据该函数获取体数据，从而得到体绘制图像。

发明内容

本发明的目的是为了更好的研究三维体数据中信息而提出一种基于电场理论的传递函数的直接体绘制方法。通过将每个体素视为带有与其灰度值相同电量的正电荷，并在其邻域内计算电荷体密度和电场力幅值，然后由这两个新属性构成一个全新的两维传递函数空间，最后用户在本发明的新空间中可以更好的理解体数据中的结构信息，从而更容易设计出合适的传递函数，可以得到令人满意的体绘制结果图像。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于电场理论的传递函数的直接体绘制方法，包括如下步骤：

(1)读取三维体数据，并根据体数据的灰度值计算出每个体素的电荷体密度、电场力幅值和梯度幅值，然后计算出电荷体密度-电场力幅值两维传递函数空间；

将每个体素理解为带有与其灰度值相同电量的正电荷，由于从宏观上来看，分布在物体内部的电荷可以认为是连续分布的，所以这种电荷分布的疏密程度可用电荷体密度来量度。根据电场理论计算位于点的体素的电荷体密度的公式为