學號4109005035泰山醫(yī)學院畢業(yè)設計（論文）題目基于面繪制技術的醫(yī)學影像三維重建2013年6月1日院（部）系放射學院所學專業(yè)生物醫(yī)學工程年級、班級2009級1班完成人姓名劉宸指導教師姓名專業(yè)技術職務侯慶鋒講師論文原創(chuàng)性保證書我保證所提交的論文都是自己獨立完成，如有抄襲、剽竊、雷同等現(xiàn)象，愿承擔相應后果，接受學校的處理。專業(yè)生物醫(yī)學工程班級1班簽名劉宸2013年6月1日摘要醫(yī)學圖像三維重建是目前醫(yī)學圖像可視化技術領域的研究熱點，在診斷醫(yī)學、手術規(guī)劃及模擬仿真等方面具有廣泛的應用。因此，醫(yī)學圖像三維重建的研究，具有重要的學術意義和應用價值。VTK是開放源碼的自由軟件系統(tǒng)，可應用于圖像處理、計算機圖形學和科學計算可視化，在國內外被廣泛用于各行各業(yè)。本文重點介紹了VTK的基本組成、系統(tǒng)架構、可視化流程。并且將VTK應用于醫(yī)學圖像可視化，使用面繪制的移動立方體法和體繪制的光線投影法，在MICROSOFTVISUALSTUDIO2010下使用C語言分別實現(xiàn)了醫(yī)學圖像三維重建，并給出了系統(tǒng)實例。實踐證明，使用VTK開發(fā)醫(yī)學圖像三維重建系統(tǒng)，重建效果好，開發(fā)時間少，代碼重用率高等特點。關鍵詞VTK；三維重建；動立方體法；光線投影法；醫(yī)學圖像可視化ABSTRACTMEDICALIMAGE3DRECONSTRUCTIONISONEOFTHEHOTSPOTINTHEFIELDOFMEDICALIMAGEVISUALIZATIONTECHNOLOGY,INTHEMEDICALDIAGNOSIS,SURGICALPLANNINGANDSIMULATION,ETCITHASBEENWIDELYAPPLICATEDTHEREFORE,THERESEARCHOFMEDICALIMAGE3DRECONSTRUCTION,HASIMPORTANTACADEMICSIGNIFICANCEANDAPPLICATIONVALUEVTK,WHICHISANOPENSOURCEFREESOFTWARESYSTEM,CANBEAPPLIEDTOIMAGEPROCESSING,COMPUTERGRAPHICSANDVISUALIZATIONINSCIENTIFICCOMPUTING,ANDITISWIDELYUSEDTHISSTUDYDESCRIBESTHEBASICCOMPOSITION,SYSTEMARCHITECTURE,ANDVISUALIZATIONPROCESSOFVTKFURTHERMORE,VTKWASAPPLIEDTOTHEVISUALIZATIONOFMEDICALIMAGESASURFACERENDERINGMARCHINGCUBESALGORITHMANDAVOLUMERENDERINGRAYCASTINGALGORITHMWERESTUDIEDALLTHEPROGRAMWEREIMPLEMENTEDUNDERVISUALSTUDIO2010,USINGVTKTODEVELOPMEDICALIMAGESRECONSTRUCTIONSYSTEMTHERESULTSILLUSTRATEDTHATCANACHIEVEGOODRECONSTRUCTIONRESULTS,LESSDEVELOPMENTTIMEANDHIGHREUSABLECODEKEYWORDSVTK3DRECONSTRUCTIONMARCHINGCUBESALGORITHMRAYCASTINGALGORITHMMEDICALVISUALIZATION目錄第一章緒論111課題的研究目的和意義112醫(yī)學圖像三維重建的發(fā)展以及趨勢113論文工作的主要內容2第二章三維醫(yī)學圖像重建基礎321系統(tǒng)設計思路和實現(xiàn)流程圖322VTK開發(fā)包組成和框架結構5第三章VTK應用研究731VTK的安裝732VTK基本構成1833用VTK進行三維重構的技術特點20第四章基于VTK的三維重建的實現(xiàn)2441三維重建的基本流程2442面繪制原理2543結論37第五章總結與展望38參考文獻39致謝40第一章緒論1課題的研究目的和意義近年來，計算機圖形圖像等技術不斷發(fā)展，并逐步滲入到醫(yī)學領域，開創(chuàng)了數(shù)字醫(yī)療的新時代?；谟嬎銠C數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實和計算機網絡等技術的醫(yī)學圖像處理與三維重建技術，已逐漸成為了一門具有特色的交叉學科。醫(yī)學圖像三維重建技術是根據(jù)成像設備上的二維圖像集合,利用計算機重建并合成病灶區(qū)或者人體器官的三維圖像,可選擇不同的重建算法使人體不同組織內部空間結構和物理屬性被顯示出來,方便醫(yī)生對病變部位內部結構的可視化觀察和分析。隨著醫(yī)學圖像三維重建技術的不斷發(fā)展,醫(yī)生可依據(jù)病人實際病情的具體診斷需要,重點三維顯示可能的病變區(qū)域細節(jié),可大大提高確診率。醫(yī)學圖像三維重建技術已成為現(xiàn)階段可視化領域的研究熱點。VTK是開放式的免費軟件，并且具有強大的三維圖形圖像處理功能，良好的體系結構、高度的靈活性及可移植性，目前在美國、西歐等各高校、研究所已經得到廣泛的應用1。在美國的耶魯大學里就有專門的教材用于高校教學2。2醫(yī)學圖像三維重建的發(fā)展以及趨勢伴隨著醫(yī)學影像技術自20世紀70年代以來的迅速發(fā)展,醫(yī)學可視化技術也邁開了發(fā)展的步伐。醫(yī)學影像技術日新月異的發(fā)展成熟,許多技術問題迎刃而解,大大推進了醫(yī)學可視化技術的發(fā)展成熟。到目前為止,醫(yī)學可視化技術即維重建技術是醫(yī)學領域研究的熱點。醫(yī)學體可視化技術的早期研究主要集中在歐、美和日本等發(fā)達國家,他們對此研究領域十分重視,不僅奠定了醫(yī)學體可視化的理論基礎,而且還開發(fā)了實際應用系統(tǒng)。在美國、德國、日本等國有許多著名研究機構和知名大學都開展這方面的研究,如美國的國家實驗室、NATIONALLABORATORY、研究中心、麻省理工大學、卡羅拉多大學、俄亥俄大學、紐約州立大學、德國的漢堡大學、日本的大學等3。在理論研究方面,他們不斷引入新的理論和方法來拓展醫(yī)學體可視化的研究內容,特別是與虛擬現(xiàn)實技術的結合,使醫(yī)學體可視化研究更具活力。近十年來，在美國、德國、日本、法國、英國等發(fā)達國家的著名大學、國家實驗室及大公司中，關于三維醫(yī)學圖像重建的研究工作及應用實驗十分活躍，其技術水平正在從后處理向實時跟蹤和交互控制發(fā)展，并且已將超級計算機、光纖高速網、高性能工作站及虛擬現(xiàn)實四者結合起來，體現(xiàn)在這一領域技術發(fā)展的重要方向。醫(yī)學圖像三維可視化技術未來將向兩個方向發(fā)展1繼續(xù)沿著它的開拓計劃可視化人體計劃（VHP）的方向前進。VHP是一個長期的規(guī)劃，其早期目標已經完成即獲得全套的數(shù)字化人體圖像數(shù)據(jù)庫，但它的應用范圍在不斷延伸。利用VHP，結合科學計算可視化技術的研究，人們就可以對繪制算法加以改進、提高，為虛擬現(xiàn)實提供技術準備，甚至可以建立起模擬人體用來進行航空航天、汽車工業(yè)等的測試。2結合圖像管理和處理系統(tǒng)PACS、遠程醫(yī)學的發(fā)展、從海量數(shù)據(jù)存儲的研究到利用壓縮數(shù)據(jù)獲得繪制信息的技術，從智能化圖像信息的管理到完善的圖像標準的建立。因為要使醫(yī)學圖像可視化在臨床上得到推廣和普及，勢必要求擺脫昂貴的硬件條件的限制，建立通用的標準，進行方便的存儲和傳輸，以期在微機環(huán)境以及現(xiàn)有的網絡通訊條件下，實現(xiàn)在線可視化或者實時繪制4。3論文工作的主要內容本文首先對醫(yī)學圖像處理和三維可視化技術進行了重點的研究與分析,在此基礎上,結合醫(yī)學圖像領域優(yōu)秀的開源工具VTKVISUAUZATIONTOOLKIT,在MICROSOFTVISUALSTUDIO2010平臺上設計實現(xiàn)了能夠對醫(yī)學圖像斷層序列的三維重建及其對三維重建體的交互操作的系統(tǒng)。具體研究內容如下第1章分析了當前醫(yī)學圖像三維重建技術的研究目的與研究領域,及其在臨床醫(yī)學中的應用前景?？偨Y了國內外的研究發(fā)展現(xiàn)狀,歸納了本文的主要研究內容和結構。第2章在分析研究可視化開發(fā)工具包VTK的結構和繪制模式的基礎上,給出了本文醫(yī)學圖像三維重建系統(tǒng)的實現(xiàn)流程，其中包括三維醫(yī)學圖像重建的系統(tǒng)設計思路和實現(xiàn)流程圖、VTK開發(fā)包組成和框架結構、光線投射體繪制算法。第3章介紹了醫(yī)學影像三維數(shù)據(jù)場的可視化及可視化工具VTK。包括數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)場的可視化流程、三維重建的兩類基本的算法以及VTK的特點和體系結構。第4章，應用VTK工具對醫(yī)學圖像三維重建及其動態(tài)顯示的實現(xiàn)過程進行了闡述，使用所開發(fā)的應用程序對CT切片進行了面繪制和體繪制的重建。第5章，對全文作了總結。第二章三維醫(yī)學圖像重建基礎1系統(tǒng)設計思路和實現(xiàn)流程圖醫(yī)學圖像三維可視化的主要任務是三維可視化顯示、操作及分析,即在繪制出存真實感的人體組織結構后,可以對其完成交互式操作,對人體組織結構進行形態(tài)或功能上的分析處理。醫(yī)學圖像三維可視化的基本實現(xiàn)流程如圖21所示圖21醫(yī)學圖像三維可視化流程第1步是醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)讀取,即通過圖像設備獲取CT或MRI等對真實物體掃描所得到的二維斷層DIC0M格式醫(yī)學圖像序列。第2步是數(shù)據(jù)預處理。由于醫(yī)學影像設備的復雜性,DICOM圖像的質量在影像輸出、傳輸和轉換過程中可能會有一定程度下降。比如引入噪聲等,因此在進行三維繪制前,需要對質量降低了的圖像進行預處理,改善圖像質量。一般會根據(jù)實際需要對醫(yī)學圖像迸行濾波和分割處理。醫(yī)學圖像獲取圖像預處理可視化映射繪制繪制后顯示及操作第3步是可視化映射。這是整個流程的核心步驟,在該過程中將經過處理的原始數(shù)據(jù)轉化為可供繪制的幾何圖素和屬性。包括顯示的形狀、顏色以及其他屬性的設置,以繪制出感興趣的物體的性質。第4步是繪制。將前面一步所產生的具有不同屬性的幾何模型轉換成顯示的圖像,通過采用不同的繪制算法,進行光照計算、明暗變換等計算,最終實現(xiàn)三維圖像繪制。最后一步就是對繪制出的三維醫(yī)學圖像進行顯示以及在此基礎上對其進行交互操作和分析。本文就是依照此三維可視化的基本流程,完成了一個面向對象的、可實現(xiàn)多種繪制算法及其進行交互操作的醫(yī)學圖像三維重建系統(tǒng)。重建系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖如圖22所示三維繪制算法圖22三維重建系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖體繪制算法透明度設置偽色彩設置光照設置面繪制算法平滑處理閾值處理三角片消減讀取醫(yī)學圖像預處理三維繪制顯示交互操作結束要完成上述醫(yī)學圖像三維建系統(tǒng),需要解決以下關鍵技術1醫(yī)學數(shù)據(jù)讀取,首先是DICOM格式醫(yī)學圖像的獲取問題。因為DICOM格式醫(yī)學圖像是專用的醫(yī)學圖像格式,一般的圖片瀏覽器工具不能讀取。因此,本文采用針對醫(yī)學圖像的可視化工具VTK來對這種格式的圖像進行顯示,并讀取相關信息。2醫(yī)學圖像的預處理。圖像在傳輸過程中或多或少會受到噪聲干擾,為了提高三維重建的效果,對它的預處理尤為關鍵。又鑒于醫(yī)學圖像的復雜性,對醫(yī)學圖像的預處理操作在方案選擇上需要非常嚴謹。應針對不同的人體組織器官和病灶結構,選取不同的方案選擇。3三維重建算法實現(xiàn)。這是構建三維重建系統(tǒng)的核心步驟,重建算法的繪制速度,內存占用率等因素直接影響并決定了系統(tǒng)的實時性等關鍵性能。4對三維重建模型的操作,以達到較好的人機交互。本文就是在對以上關鍵技術的逐步研究和解決后,實現(xiàn)了能夠完成不同算法的醫(yī)學圖像三維重建系統(tǒng)。2VTK開發(fā)包組成和框架結構VTK是美國GE公司以開源形式發(fā)布的面向對象的三維可視化開發(fā)工具包。它將圖像處理的可視化算法封裝成類,為醫(yī)學圖像三維重建技術的開發(fā)提供了強大的跨平臺如LINUX、WINDOWS等開發(fā)的底層算法支持。開發(fā)人員可以根據(jù)自己的開發(fā)需求將VTK嵌到特定的應用程序中進行開發(fā)?，F(xiàn)在,VTK在可視化研究領域最為流行,并且還在持續(xù)的發(fā)展進步5。VTK由核心層和解釋層組成。核心層是C類庫,封裝了圖像處理的底層算法和與之相關的數(shù)據(jù)結構解釋層支持使用JAVA、PYTHON等腳本語言實現(xiàn)快捷開發(fā),提高開發(fā)效率。為了有效地管理龐大的類庫,VTK中的類按照功能可劃分為COMMON、GRAPHICS、IMAGING、IO、RENDERING、FILTERING等,并均能夠生成與之對應的動態(tài)鏈接庫。各部分在類庫中的層次如圖23所示圖23VTK中類的劃分COMMON是公有基類部分,每個模塊的類從COMMON基類承下來。IMAGING是對圖像的處理的操作,用來處理各種數(shù)字圖像算法,如圖像增強、圖像的縮放、濾波等。IO實現(xiàn)各種COMMONGRAPHICSIMAGINGIOFILTERINGRENDERING格式圖像的讀寫操作,如VTKDLCOMIMAGEREADER類用來讀取DICOM格式的醫(yī)學圖像。FILTERING與數(shù)據(jù)轉換部分GRAPHICS則用于圖形處理。RENDERING是圖像繪制部分,實現(xiàn)窗口屮可視化數(shù)據(jù)的顯示。上述各個模塊的類都是對公有基類的繼承,根據(jù)要完成的相應功能對COMMON類進行特定的擴展,使得開發(fā)工作敏捷、快速。VTK庫的框架結構是一個面向對象的可視化系統(tǒng),它將可視化過程中常用的算法封裝起來,隱藏了具體的實現(xiàn)細節(jié)。類的框架結構如圖24所示圖24VTK類的框架結構VTKOBJECT是VTK的基類,它為整個可視化流程提供基本的方法。VTKSOURCE是VTKOBJECT的派生類和VTKFILTER的父類,它為整個可視化流程義具體的行為和接口。VTKFILTER是VTKSOURCE的派生類,經過FILTER的處理后,原始的數(shù)據(jù)能夠轉換成可以直接用某種算法模塊進行處理的形式。VTKMAPPER是VTKOBJECT的派生類,它將經過FILTER處理后的應用數(shù)據(jù)映射成幾何數(shù)據(jù),為說始數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)之間定義接口。VTKOBJECTVTKSOURCEVTKFILTERVTKMAPPERVTKACTORVTKRENDERER第三章VTK應用研究1VTK的安裝第一步下載并安裝VTK首先從VTK的官方網站HTTP/VTKORG的DOWNLOAD選項中下載VTK580ZIPVTK的源碼VTKDATA580ZIPVTK例子所需要的數(shù)據(jù)。WINDOWSINSTALLERVTK580WIN32EXE然后下載CMAKE下載地址在HTTP/WWWCMAKEORG/HTML/INDEXHTML選擇DOWNLOAD選項進行下載。下載的版本越新越好，另外，CMAKE版本的選擇是根據(jù)VTK版本來定的。下載好后進行安裝1、先執(zhí)行VTK580WIN32EXE安裝到你選定的目錄下，安裝時只要不斷點擊NEXT就可以完成相應的安裝。安裝后會產生VTK58文件夾里面還包括BIN等子文件夾。這時候將VTK580ZIP解壓到VTK58文件夾下解壓后會生成VTK（DVTK58VTK）將VTKDATA580ZIP也解壓VTK58主目錄下生成VTKDATE文件夾CVTK50VTKDATA。這樣就完成了VTK的安裝。具體步驟如下圖31所示圖31VTK的安裝2、安裝CMAKE運行CMAKE2811WIN32X86，不停地點擊下一步就行了。具體步驟如下圖所示圖32CMAKE的安裝3、裝載MICROSOFTVISUALSTUDIO2010具體步驟如下圖33所示圖33MICROSOFTVISUALSTUDIO2010的安裝第二步運行CMAKE首先，將源碼和編譯工作目錄兩個目錄添好SOURSECODE目錄是DVTK58VTK，BUILD目錄是DVTK58BIN。再按CONFIGURE按鈕，CMAKE軟件會讓你選擇需要使用的編譯器，這里我們選MICROSOFTVISUALSTUDIO2010，然后，CMAKE就會對系統(tǒng)進行掃描了，停下來之后，我們就可以修改CMAKE選項了。最后按GENERATE按鈕。下給大家看幾個已經配置好的CMAKE的截圖，如下圖34圖34已經配置好的CMAKE的截圖第三步用MICROSOFTVISUALSTUDIO2010編譯用MICROSOFTVISUALSTUDIO2010打開BIN目錄下的VTKSLN文件，因為文件很多，可能打開速度會有些慢。打開后，直接BUILD。編譯的用時和計算機性能，以及CMAKE中的一些選項有關，一般1個小時內可以完成。結果保存在DVTK58BINBIN（DVTKBINBIN）目錄下。第四步執(zhí)行成功后用MICROSOFTVISUALSTUDIO2010打開BIN目錄下的INSTALLVCXPROJ文件點擊BUILD對VTK進行安裝。成功后，然后就完成了所有的安裝。相應文件如下圖35所示圖35BUILD對VTK進行安裝完成后的文件所在位置2VTK基本構成21VTK層次結構VTK主要有兩大部分組成，利用C語言編寫的編譯后的核心層CCLASSLIBRARY和按照一定規(guī)則生成的支持腳本語言的解釋層TCL/TK,JAVAVTKINTERPRETEDLNTERFACE。當前VTK的解釋層支持TCL,JAVA,PYTHON等語言。如圖36所示，在VTK的編譯層中，有關圖形圖像處理相關的數(shù)據(jù)結構、算法、時間關鍵性的功能等被封裝成C對象，為VTK其它的類或其它程序所調用。在該層中，將公共的功能抽像成一系列基類，利用這些基類中定義的虛函數(shù)VIRTUALFUNCTIONS，確保VTK的移植性和該類庫的可擴展性。圖36VTK的層次結構在解釋型語言界面層。計算機語言有兩種類型，編譯型和解釋型。用編譯型語言所寫的程序通常能夠獲得比解釋型語言更高的性能，但這往往需要犧牲編寫程序的效率和跨平臺功能。編譯后的VTK動態(tài)連接庫，在與相應腳本語言綁定以后，形成這些解釋型語言的接口，成為解釋層部分。利用解釋層的接口，我們可以很方便的用TCL/TK,PYTHON/TK,JAVAAWT等解釋型語言進行快速開發(fā)或試驗VTK的新功能，極大的提高了效率。與編譯型的語言相比，解釋型的語言在靈活性、可擴展性有較大的優(yōu)勢。例如，利用腳本性的GUI原型的解釋語言TCL/TK,PYTHON/TK,或JAVAAWT,能夠非常容易、快速地開發(fā)專業(yè)的基于窗口的應用。但由于我們的醫(yī)學圖像處理系統(tǒng)是用MICROSOFTVISUALSTUDIO2010開發(fā)的，因而我們主要是對VTK的核心C類庫進行擴展，實現(xiàn)我們所需的功能。22VTK功能分類從VTK40版本開始，它新增加了常用的圖像處理算法，如圖像濾波、縮放、各種格式圖像的存取等。VTK從功能上來分，可以分為三部分計算機圖形顯示部分GRAPHICSMODEL、可視化處理部分THEVISUALIZATIONMODEL、圖像處理部分IMAGEPROCESSING。從VTK中的對象類型來分，可以分為兩種一種是數(shù)據(jù)對象DATAOBJECT，該類對象用來表示常用的圖形或圖像數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)對象中，以數(shù)組的方式保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集對象DATASETSOBJECT是一類特殊的數(shù)據(jù)對象，該類對象除保存數(shù)據(jù)外，還附帶數(shù)據(jù)對象的屬性，如幾何拓撲結構、法向量等等，例如表示一個點的對象則需保存該點的三維坐標，而表示三角形的對象則需有該三角形的每個頂點的坐標，每個頂點的法向量等等，圖37顯示了幾種典型的數(shù)據(jù)對象，該圖包含了四種對象，分別是圖像對象、基本圖元對象、結構化點集對象、非結構化點集對象等；另一種對象可稱作操作對象PROCESSINGOBJECT，TCL/TK（ORJAVA）INTERPRETEDINTERFACECCLASSLIBRARY（COMPILED）該類對象對數(shù)據(jù)對象進行處理后獲得所需數(shù)據(jù)，將圖形、圖像數(shù)據(jù)處理算法封裝后形成的類，一般都屬于操作對象。VTK包含上百個這樣的對象，使用VTK的關鍵就是怎樣正確的是使用各種操作對象，對數(shù)據(jù)對象進行處理，得到我們需要的結果，最后在窗口中把它繪制出來。VTK中的操作對象可分為三種類型，包括SOURCES、FILTER、MAPPER、SOURCES類型對象的輸出為數(shù)據(jù)對象，各種圖像的讀寫類，像VTKBMPREADER,VTKFILTREADER,VTKBMPWRITER等都在該部分內。FILTER對象以一種數(shù)據(jù)對象作為輸入，然后輸出相同或不同的數(shù)據(jù)對象。各種實現(xiàn)圖像處理算法，圖形數(shù)據(jù)處理的類都屬于該類型。MAPPER類對象則是圖形、圖像處理的最后一步，它將各種處理結果合在一起，控制其在窗口中的顯示或將處理結果數(shù)據(jù)存到硬盤上。圖37VTK幾種常用數(shù)據(jù)對象3用VTK進行三維重構的技術特點31VTK應用結構前面己經提到VTK是在三維函數(shù)庫OPENGL的基礎上，采用面向對象的設計方法發(fā)展起來的。它將我們在可視化開發(fā)過程中常用的算法封裝起來，屏蔽了具體的細節(jié)。VTK采用的是PIPELINE流水線機制，幾乎可以對任何類型的數(shù)據(jù)進行處理，并提供了許多相應的類對各種類型的數(shù)據(jù)進行轉換或處理。根據(jù)所要處理的原始數(shù)據(jù)類型的不同和所使用的算法以及所要達到的結果，我們可以設計和建立起自己的可視化流程，并由此選擇不同的數(shù)據(jù)處理和轉換的類，用數(shù)據(jù)通道將這些類連接起來，將原始數(shù)據(jù)類型轉換為所采用的算法模塊可以直接進行處理的數(shù)據(jù)類型，最終得到我們所需要的可視化的結果，而且所有的類和算法模塊都是可擴充的，用戶可以將自己開發(fā)的類或模塊轉換成系統(tǒng)可以接受的形式，并可替換或擴充原有的類。所以VTK是一個開放的系統(tǒng)，可以擴展到任何應用領域。用面向對象技術的對象模型圖表示VTK的框架結構。用VTK來產生圖形和進行可視化應用是非常方便的，它包括兩個基本部分。首先，建立一個數(shù)據(jù)流水線DATAPIPELINE來處理數(shù)據(jù)其次，建立適當?shù)哪繕藞D形來演示數(shù)據(jù)。建立流水線PIPELINE就是將SOURCES、FILTERS和MAPPERS連接起來。VTK一個很特別的地方是，對于任何進行可視化的數(shù)據(jù)，它都是通過角色在窗口中表現(xiàn)出來的，因此建立目標圖形應該做以下工作建立RENDERINGWINDOW繪制窗口；建立ACTOR交互操作者，VTKACTOR類用來表達繪制場景中的一個實體，也就是繪制場景中的演員。它通過SETMAPPER方法將幾何數(shù)據(jù)的屬性告訴演員；建立RENDERER演示者，通過VTKRENDER類將結果在窗口中顯示出來。32VTK繪制過程VTK的設計目標之一是將復雜的圖形、圖像處理和顯示過程分割成盡量簡單的對象，每個對象都必須定義明確，實現(xiàn)上述處理過程的部分功能。在圖形、圖像的顯示方面，共有許多種類控制他們的屬性和操作。一是窗口類，該種類型的類都是從VTKWINDOW繼承而來，要顯示計算機圖形或圖像到計算機屏幕上，必須首先打開一個計算機屏幕上的窗口，窗口類負責打開一個窗口，管理打開的窗口資源以及該窗口在屏幕上的位置，使用底層的圖形圖像顯示函數(shù)庫，將圖形、圖像顯示到該窗口，VTKRENDERWINDOW就是我們進行繪制時主要使用的窗口類，為了使用工業(yè)標準的圖形庫，我們還可以使用VTKRENDERWINDOW擴展類VTKOPENGLRENDERWINDOW，實現(xiàn)對OPENGL圖形庫的支持。另一種重要的類是繪制類RENDERING，基類為VTKRENDERER，該類包含所要顯示的數(shù)據(jù)對象，控制該圖形或圖像數(shù)據(jù)的空間坐標系，控制它們在窗口中的顯示區(qū)域，該類還可以設置相機坐標，控制顯示圖形圖像的平移、旋轉、縮放等操作，可以通過該類設置顯示背景、光照等參數(shù)，因而繪制類是控制圖形和圖像等顯示的最重要的一個類。一個繪制窗口類可以包含多個繪制類，這樣在一個窗口中就可以同時顯示幾個不同的場景，這樣的設計對于在一個窗口中比較可視化的效果是非常有效的。通常所用的繪制類為VTKOPENGLRENDERER，它繼承自VTKRENDERER，增加了對OPENGL圖形庫的支持。VTKOPENGLRENDERWINDOW和VTKOPENGLRENDERER在類庫中的繼承關系如下圖38所示圖38VTKOPENGLRENDERWINDOW和VTKOPENGLRENDERER在類庫中的繼承關系VTKRENDERWINDOW類管理繪制進程，它通過調用RENDER函數(shù)，促使VTKRENDERER類刷新窗口中顯示的內容，完成繪制過程。一般的繪制過程如下VTKRENDERWINDOWRENWINRENWINSETSIZE600300/設置顯示窗口在計算機屏幕上的位置。VTKRENDERERRENT/在這里需設置繪制類所包含的圖形、圖像數(shù)據(jù)及其屬性。REALSETVIEWPORT00000510/設置第一個繪制類所控制的圖形圖像的窗口坐標系。RENTSETBACKGROUND080402/設置背景。RENWINADDRENDERETRENT/將它包含到繪制窗口類中。VTKRENDERERRENT/在這里需設置繪制類所包含的圖形、圖像數(shù)據(jù)及其屬性。RENWINADDRENDERERRENT/將它包含到繪制窗口類中。RENWINRENDER/開始執(zhí)行繪制命令，完成繪制操作。上面所介紹的是普通的繪制過程，沒有涉及到圖形圖像數(shù)據(jù)的裝載、處理等內容。在VTK中，控制具體的圖形、圖像數(shù)據(jù)，還有它們屬性的類，主要是PROPS,MAPPERS,PROPERTIES三種類型的類。PROPS類型的類表示所要顯示的二維、三維實體，它包含該實體的可見性信息、方向、大小以及該實體的位置等。VTKPROP是所有這些類的基類，在VTKPROP中引用MAPPER類型和PROPERTY類型的對象，MAPPER類型的對象引用數(shù)據(jù)對象，并知道怎樣繪制該數(shù)據(jù)對象，PROPERTY類型的對象包含繪制時所需的參數(shù)，例如繪制時的前景和背景顏色、材質等。MAPPER類型和PROPERTY類型對象的基類分別為VTKMAPPER,VTKPROPERTY這幾種類型的類在繪制過程中的包含、引用關系。上面為簡要的引用、包含關系圖，實際在繪制時一般都是生成這些類的子類的對象的實例，在繪制過程中，如果沒有設置各種屬性，則采用這些屬性的缺省值。33VTK圖形處理在VTK中，處理圖形和可視化有兩種不同的方式1圖形模式用于2D,3D圖形，如一般的圖形處理。2可視化模式用于可視化過程的數(shù)據(jù)流模型，如CT數(shù)據(jù)輸入及處理。第四章基于VTK的三維重建的實現(xiàn)1三維重建的基本流程使用VTK處理圖像最重要的一點是要知道所處理的圖像數(shù)據(jù)的結構是什么，這樣才能夠選擇正確的方法進行處理。VTK將圖像數(shù)據(jù)分為這樣幾類結構點，直線網格，結構網格，非結構點，多邊型數(shù)據(jù)和無結構網格。并給每一種不同格式的數(shù)據(jù)分配了一套不同的濾波器FILTER進行處理，但其基本處理流程大同小異，如圖41所示圖41VTK基本軟件流程開始二維圖像獲取預處理三維數(shù)據(jù)結構光源視線等選擇三維重建顯示需要交互嗎結束其中，二維圖像獲取模塊用來產生數(shù)據(jù)，也叫數(shù)據(jù)層。預處理模塊由FILTER構成，是對原始數(shù)據(jù)進行處理的一系列濾波器。顯示模塊由MAPPER實現(xiàn)一個由數(shù)據(jù)到圖形的映射關系。當然，光是有映射關系是不行的，因為看不到一個真實的圖像，ACTOR體繪制時為VOLUME的作用就是將由MAPPER得到的映射關系進行實體化，使人們能夠看到它的繪制結果。ACTOR還可以通過調用屬性對象VTKPROPERTY來控制圖像的顯示屬性。從而使顯示出的圖像更加的逼真。下一步就是要將圖像顯示在電腦窗口上了，由RENDER和RENDERWINDOW來完成這項工作。它們提供了一個圖形引擎和電腦視窗系統(tǒng)之間的接口。通過調用它們的方法就可以將繪制出的圖形在一個窗口中顯示。而RENDERWINDOWINTERACTOR是用來實現(xiàn)使用者與圖像的互操作的，通過設置這個方法，可以通過鼠標操作使圖像旋轉以便從各個角度把圖像看清楚。2面繪制原理面繪制法將感興趣的部分以等值面的方式抽取出來便于利用真實感技術，通過靈活地進行旋轉和變換光照效果來生成高質量的三維圖像，并可以方便地對其進行觀察和分析。這種繪制方法速度快，適合于實時性要求高的情形，如交互操作、圖像引導手術等。它適用于繪制表面特征分明的組織和器官（例如由CT數(shù)據(jù)生成骨骼三維圖像），由于其形象清晰，可以在一定程度上替代實物模型。但是面繪制方法對表面分割精確程度要求高，所以對形狀特征不明顯、有亮度變化特征的軟組織，以及血管、細支氣管等精細組織或器官的三維顯示效果不佳。而且面繪制方法不能保留數(shù)據(jù)的完整性，其物體僅顯示為一個空殼，表面里面沒有東西。面繪制方法是對整個三維數(shù)據(jù)場進行逐個體素的處理，結果會生成一個數(shù)據(jù)量極大的三角面片數(shù)組。表面繪制算法有表面跟蹤法MC法（MARCHINGCUBE）、MT法（MATCHINGTETRAHEDRAL）和DC法（DIVIDINGCUBE）方法等。其中較為常用的是方法是“移動立方體算法”，它提出一種精確定義體素及其體素內等值面的生成方法，隨后又有很多人在它的基礎上進行研究，如今已經成為一種很成熟的三維重建方法。應用在大量的商業(yè)軟件中。面繪制算法介紹主要的面繪制算法有表面輪廓重建法、CUBERILLE方法、移動立方體法、剖分立方體法等。21MC方法6MARCHINGCUBES算法是WLORENSEN等人于1987年提出來的一種三維重建方法，其原理簡單，容易實現(xiàn)，因此得到了廣泛的應用，此算法在美國己經申請專利，它被認為是至今為止最流行的面顯示算法之一。MARCHINGCUBES算法是面顯示算法中的一種，因為它的本質是從一個三維的數(shù)據(jù)場中抽取出一個等值面，所以也被稱為“等值面提取ISOSURFACEEXTRACTION算法”。一個標準的醫(yī)學圖像的體數(shù)據(jù)集往往是由一系列的二維切片數(shù)據(jù)組成的，而每張切片都有空間上的分辨率。假設有一個體數(shù)據(jù)集，包含58張切片，每張切片的分辨率是512512，那么它可以被認為是一個連續(xù)函數(shù)FX,Y,Z在X，Y，Z三個方向上按一定的間隔分別采樣了512，512，58次所得到的。而所謂的等值面，實際上是指空間中的一張曲面，在該曲面上FX,Y,Z函數(shù)的值等于某一給定值。等值面提取算法的核心就是要從給定的采樣點中找出等值面來，這時最容易想到的方法就是首先由采樣點恢復出連續(xù)函數(shù)FX,Y,Z，然后由FX,Y,Z和某一給定的值（通常叫閾值）來得出等值面。這種方法一般被稱為顯式的等值面提取算法，其計算復雜度比較高，并且由于重構和重采樣所帶來的誤差比較大，所以精度也得不到保證。與此相反，MARCHINGCUHES算法采用了隱式的等值面提取方法，它不直接計算FX,Y,Z，而是直接從體數(shù)據(jù)中獲取等值面的信息。算法需要用戶提供一個閾值，也就是所希望提取出來的物質的密度值，比如要提取出骨骼，閾值就要相對大一些，然后根據(jù)體數(shù)據(jù)的信息就可以提取出等值面的三角網格表達。MARCHINGCUBES算法的過程可以描述如下1每次讀出兩張切片，形成一層。2兩張切片上下相對應的四個點構成一個立方體（CUBE），如圖42所示。3從左至右、從前到后的順序處理一層中的立方體（抽取每個立方體中的等值面），然后從下到上順序處理到N1層，則算法結束。故名MARCHINGCUBES。對于每一個立方體而言，它的8個頂點的灰度值可以直接從輸入數(shù)據(jù)中得到，要抽取的等值面的閾值也已經知道。如果一個頂點的灰度值大于閾值，則將它標記為黑色（MARKED），而小于閾值的頂點不標記（UNMARKED），如圖43所示圖42立方體示意圖圖43MARKED與UNMARKED很顯然，在MARKED和UNMARKED之間必然存在等值點，那么等值點的位置如何計算，它們該怎么連接以形成等值面呢因為一個立方體有8個頂點，每個頂點有MARKED，UNMARKED兩種狀態(tài)，所以等值面的分布總共可能有28256種。但是考慮到立方體有旋轉不變性，即旋轉不影響等值面的拓撲結構；對稱性不變性，即所有的MARKED變?yōu)閁NMARKED，UNMARKED變?yōu)镸ARKED，等值面的連接方式不會改變，如圖44所示圖44對稱示意圖考慮了旋轉對稱性和反對稱性兩種情況后，總結15種基本立方體，它們覆蓋了所有256種可能的情況，如圖45所示。根據(jù)這15種基本立方體，可以造出一個查找表。表的長度為256，記錄了所有情況下的等值面連接方式。所以此時只需分別比較一個立方體的8個頂點與閾值之間的大小關系，即可得出一個0255之間的索引值，然后直接查表就可得到此立方體在哪條邊上有等值點，并且還能得到等值點的連接方式等信息，這時候就可以將等值點連接起來以形成等值面。要想用真實感圖形學技術將等值面顯示出來，除了要知道每個等值點的坐標外，還必須知道每個等值點的法向量。在計算立方體某條邊上的等值點坐標與法向量時，有兩種方法一種是線性插值；另一種是中點選擇。1線性插值線性插值的公式如下PP1（ISOVALUEV1）（P1P2）/VXV1（21）NN1ISOVALUEV1N2N1/V2V1（22）其中，P代表等值點坐標；P1,P2代表兩個端點的坐標V1，V2代表兩個端點的灰度值ISOVALUE代表閾值；N代表等值點法向量；N1，N2代表兩個端點的法向量。2中點選擇圖45種基本立方體的拓撲PP1P2/2（23）NN1N2/2（24）其中，P、N、P1、P2、N1、N2所代表的意義同線性插值一樣。中點選擇所具有的優(yōu)點是引起的誤差低于1/2立方體邊長，這在醫(yī)學圖像的分辨率越來越高的情況下，所重建出來的圖像與線性插值得到的圖像并沒有明顯的視覺上的差異。如果先放大L0倍再進行運算，就可以完全采用整數(shù)運算，避免浮點運算?？梢允沟镁植勘砻娓教梗欣诤罄m(xù)的化簡過程。當立方體的一個面的一條對角線上的兩個頂點是有標記的（MARKED），而另外一條對角線上的兩個頂點是無標記的（UNMARKED），則會產生二義性面，即此時有兩種連接方式。如圖46。在前面所提到的15種基本立方體中，在連接方式的選擇上也不一致，即會出現(xiàn)二義性面。如果兩個包含二義性面的立方體相鄰，并且兩個面的連接方式選擇不一致時，在相鄰的面之間可能會出現(xiàn)空洞，如圖47所示圖46二義性面示意圖圖47由二義性面產生的空洞為了解決二義性面問題，提出了很多解決辦法，比如對立方體進行細分，即增大分辨率。還有漸近線法也是比較常用的一種方法，它通過計算得到等值面和體素邊接口的交線（雙曲線）的漸近線與體素的邊接口的相互位置關系，再判斷等值面的正確連接方式。雖然這種方法可以正確地修正二義性面，但是需要額外的計算，并且比較繁瑣。另外，從前面的介紹可以看出，MARCHINGCUBES算法是順序檢測每個立方體，是一種使用蠻力的方法。經有關人員研究表明，在抽取一個等值面的過程中有超過90的時間花在了對空立方體的檢測上。由此可見其計算效率較低。此外，由前面的15種基本立方體可以看到，一個立方體里最多可以有4個三角片?？紤]在醫(yī)學圖像中最常使用的中等規(guī)模的一個數(shù)據(jù)集，其數(shù)據(jù)規(guī)模為51251258，那么立方體的個數(shù)總計是5115115714883897，假設只有十分之一的立方體里包含有等值面，每個立方體平均按兩個三角片來計算的話，那么此數(shù)據(jù)集將平均產生300萬個三角片，這對于目前的計算機硬件來說是很難實時處理的。由此看來，對移動立方體的改進方向有兩個消除二義性面；提高計算效率，包括降低時間復雜度和空間復雜度。目前，已經有很多改進的移動立方體算法出現(xiàn)，如八叉樹算法和表面跟蹤算法等。22表面輪廓法表面輪廓重建算法是最早被用來進行面繪制的方法,它的基本思想是首先將每層圖像中感興趣區(qū)域的輪廓提取出來,然后以輪廓線上的采樣點為頂點生成多邊形,將每層的輪廓線連接起來,從而拼接出物體表面7輪廓拼接的關鍵在于如何確定對應輪廓上各點之間的對應關系因為三角形總能保證面上各頂點共面,處理起來比較簡單,所以利用三角形面片進行輪廓拼接是目前使用最廣泛的一種方法。23CUBERILLE算法CUBERILLE算法由HERMAN和LIU提出，適合于正交密集數(shù)據(jù)場的表示,主要適用于醫(yī)學圖像中序列斷層圖像的等值面抽取8。該方法將三維圖像中的每一像素著成是空間中的一個六面體單元,即體素。在體素內數(shù)據(jù)場具有相同的值,用邊界體素的六個面擬合等值面,即把邊界體素中相互重合的面去掉,只把不重合的面連接起來近似表示等值面。這種方法的特點是算法簡單易行,便于并行處理。24剖分立方體法對密集數(shù)據(jù)場處理時,特別是醫(yī)學圖像,包含等值的單元數(shù)很多,有時生成的每一個三角面片很小,使面片的投影接近于像素級別,因此往往是顯示精度而不是體紊大小限制了圖像精度一種提高效率的方法是直接在顯示圖像上渲染像素點,這就是剖分立方體法NVIDINGCUBES的基本思想9DIVIDINGCUBES算法逐個掃描每個體素,當體素的8個頂點越過等值面時,將該體素投影到顯示圖像上。如果投影面積大于一個像素的大小,則該體素被分割成更小的子體素,使子體素在顯示圖像上的投影為一像素大小,每一子體素在圖像空間中被繪制成一個表面點表面點由對應子體素的值、對象空間中的位T和梯度三部分表示,可使用傳統(tǒng)的圖形學消隱技術,將表面點繪制到圖像空間中。該算法繪制表面點而不是繪制等值面片,從而節(jié)省了運算時間。它的一個基本出發(fā)點是點的繪制一般要比多邊形的繪制快,點集的表示形式比多邊形的表示形式更適合物體的剖切、合并等幾何操作。面繪制算法比較本節(jié)將分析4種面繪制算法的特點,并應用這些算法實現(xiàn)醫(yī)學圖像的繪制。通過算法特點與繪制效果的結合,闡述4種面繪制算法的適用場合。面輪廓重建法較適用于斷層掃描數(shù)據(jù)且斷層間等值面變化較小或大致相似,同時精度要求較低的場合。但是該方法在處理多重輪腳、分叉、孔洞等情況時并不理想,算法中兩相鄰層輪廓線對應點的確定和連接常常是難以解決的問題。由于CUBERILLE算法對每個體素的處理都是獨立的,重建圖形經常會出現(xiàn)走樣,尤其在物體邊界處鋸齒形走樣比較明顯,而且顯示粗糙,難以顯示物體的細節(jié)。移動立方體法對感興趣的等值面可以產生清晰的圖像,而且可以利用現(xiàn)有的圖形硬件實現(xiàn)加速渲染,速度較快。分立方體法實質上是用離散點集來近似表示物體表面,結果為等值面的近似表示,對于數(shù)據(jù)場密度很高的醫(yī)學圖像來說,其視覺效果是可以接受的。剖分立方體法的缺點是繪制的圖形不夠精細,如果對圖形進行放大,看到的只是一些點云,而無法觀測圖形的細節(jié)。面繪制的實現(xiàn)1011INTMAININTARGC,CHARARGVIFARGCARENDERERVTKSMARTPOINTERNEWVTKSMARTPOINTERRENWINVTKSMARTPOINTERNEWRENWINADDRENDERERARENDERERVTKSMARTPOINTERIRENVTKSMARTPOINTERNEWIRENSETRENDERWINDOWRENWIN/THEFOLLOWINGREADERISUSEDTOREADASERIESOF2DSLICESIMAGES/THATCOMPOSETHEVOLUMETHESLICEDIMENSIONSARESET,ANDTHE/PIXELSPACINGTHEDATAENDIANNESSMUSTALSOBESPECIFIEDTHEREADER/USESTHEFILEPREFIXINCOMBINATIONWITHTHESLICENUMBERTOCONSTRUCT/FILENAMESUSINGTHEFORMATFILEPREFIXDINTHISCASETHEFILEPREFIX/ISTHEROOTNAMEOFTHEFILEQUARTERVTKSMARTPOINTERV16VTKSMARTPOINTERNEWV16SETDATADIMENSIONS64,64V16SETIMAGERANGE1,93V16SETDATABYTEORDERTOLITTLEENDIANV16SETFILEPREFIX“E01092025“V16SETDATASPACING32,32,15/ANISOSURFACE,ORCONTOURVALUEOF500ISKNOWNTOCORRESPONDTOTHE/SKINOFTHEPATIENTONCEGENERATED,AVTKPOLYDATANORMALSFILTERIS/ISUSEDTOCREATENORMALSFORSMOOTHSURFACESHADINGDURINGRENDERINGVTKSMARTPOINTERSKINEXTRACTORVTKSMARTPOINTERNEWSKINEXTRACTORSETINPUTCONNECTIONV16GETOUTPUTPORTSKINEXTRACTORSETVALUE0,500VTKSMARTPOINTERSKINNORMALSVTKSMARTPOINTERNEWSKINNORMALSSETINPUTCONNECTIONSKINEXTRACTORGETOUTPUTPORTSKINNORMALSSETFEATUREANGLE600VTKSMARTPOINTERSKINMAPPERVTKSMARTPOINTERNEWSKINMAPPERSETINPUTCONNECTIONSKINNORMALSGETOUTPUTPORTSKINMAPPERSCALARVISIBILITYOFFVTKSMARTPOINTERSKINVTKSMARTPOINTERNEWSKINSETMAPPERSKINMAPPER/ANOUTLINEPROVIDESCONTEXTAROUNDTHEDATA/VTKSMARTPOINTEROUTLINEDATAVTKSMARTPOINTERNEWOUTLINEDATASETINPUTCONNECTIONV16GETOUTPUTPORTVTKSMARTPOINTERMAPOUTLINEVTKSMARTPOINTERNEWMAPOUTLINESETINPUTCONNECTIONOUTLINEDATAGETOUTPUTPORTVTKSMARTPOINTEROUTLINEVTKSMARTPOINTERNEWOUTLINESETMAPPERMAPOUTLINEOUTLINEGETPROPERTYSETCOLOR0,0,0/ITISCONVENIENTTOCREATEANINITIALVIEWOFTHEDATATHEFOCALPOINT/ANDPOSITIONFORMAVECTORDIRECTIONLATERONRESETCAMERAMETHOD/THISVECTORISUSEDTOPOSITIONTHECAMERATOLOOKATTHEDATAIN/THISDIRECTIONVTKSMARTPOINTERACAMERAVTKSMARTPOINTERNEWACAMERASETVIEWUP0,0,1ACAMERASETPOSITION0,1,0ACAMERASETFOCALPOINT0,0,0ACAMERACOMPUTEVIEWPLANENORMALACAMERAAZIMUTH300ACAMERAELEVATION300/ACTORSAREADDEDTOTHERENDERERANINITIALCAMERAVIEWISCREATED/THEDOLLYMETHODMOVESTHECAMERATOWARDSTHEFOCALPOINT,/THEREBYENLARGINGTHEIMAGEARENDERERADDACTOROUTLINEARENDERERADDACTORSKINARENDERERSETACTIVECAMERAACAMERAARENDERERRESETCAMERAACAMERADOLLY15/SETABACKGROUNDCOLORFORTHERENDERERANDSETTHESIZEOFTHE/RENDERWINDOWEXPRESSEDINPIXELSARENDERERSETBACKGROUND2,3,4RENWINSETSIZE640,480/NOTETHATWHENCAMERAMOVEMENTOCCURSASITDOESINTHEDOLLY/METHOD,THECLIPPINGPLANESOFTENNEEDAD