數據可視化（1）：數據曲線與圖表醫(yī)學圖像可視化專家講座第1頁南極上空臭氧層

HURRICANEFRAN數據可視化（2）：引入形態(tài)表示醫(yī)學圖像可視化專家講座第2頁1.1生物醫(yī)學三維可視化

用計算機處理醫(yī)學圖象過程是先對人體相關部位掃描，將連續(xù)、實際人體解剖結構數字化，然后再對這些離散化體數據進行加工和處理。還要用適當顯示技術將處理結果顯示出來，增強人們對相關解剖與病理觀察和了解。醫(yī)學圖象顯示技術主要包含色彩利用和形態(tài)真實再現。醫(yī)學圖像可視化專家講座第3頁

形態(tài)表示包括3D圖象重建技術。圖象重建就是要從獲取采樣數據恢復物體三維結構，即物體原型。從本質上說，重建是一個逆問題。醫(yī)學圖像可視化專家講座第4頁

醫(yī)學圖象顯示問題還不但是個重建問題，因為許多功效成像技術，使我們不但能夠看到潛藏在內部物體結構，而且能夠看到那些就是使用介入手術也無法看到人體功效信息。醫(yī)學圖像可視化專家講座第5頁

圖象顯示方式有各種多樣，從大方面能夠分為三類：(1)反射式顯示(2)透射式顯示(3)斷層（剖面）顯示醫(yī)學圖像可視化專家講座第6頁

反射式顯示：從體數據感興趣區(qū)提取被觀察物體表面，施以一定光照模型，選擇某一視角從物體外部觀察物體表面形態(tài)顯示方式。經典如表面繪制技術（SurfaceRendering）。醫(yī)學圖像可視化專家講座第7頁

透射式顯示：類似于X射線成像原理，將反應醫(yī)學圖象特征圖象強度看作對光線不一樣吸收特征，光線穿透物體最大吸收或累加吸收效果組成物體結構圖象。經典技術有最大強度投影（MaximumIntensityProjection，MIP）及體繪制技術（VolumeRendering）。醫(yī)學圖像可視化專家講座第8頁

斷層（剖面）顯示：不經3D重建，直接顯示過空間某一點三個正交剖面形態(tài)結構。有時為了幫助了解，同時給出切除部分結構3D投影圖。醫(yī)學圖像可視化專家講座第9頁1.2表面繪制技術

（SurfaceRendering）

我們這里說“繪制”一詞，英文是“Rendering”。還經常被譯做“描繪”、“渲染”、“重建”或“顯示”等。它比較嚴格定義應該是：實際3D物體2D攝影寫真式表示。屬于3D物體在2D平面真實感投影，二者有嚴格定量關系及視覺真實感。醫(yī)學圖像可視化專家講座第10頁1.2.1基于體素表面重建

這是一個直接從體數據提取物體表面方法。代表性是Lorensen等人提出移動立方體法（MarchingCube）。下面以人腦圖象為例加以說明。在剔除大腦皮層、顱骨和其它非腦成份之后，僅剩下大腦部分。因為我們感興趣是腦表面形態(tài)而不考慮其內部細節(jié)，所以，要把位于大腦表面上像素與大腦內部分開，這個過程稱做輪廓提?。–ontouring）。醫(yī)學圖像可視化專家講座第11頁對一個單元及給定該單元點標量值組累計算全部可能拓撲狀態(tài)。拓撲狀態(tài)數取決于單元頂點個數及一個頂點可能對于輪廓值內/外關系數。假如頂點灰度值大于輪廓線灰度值（閾值），則認為該頂點在輪廓之內。不然認為在輪廓之外。比如，假如一個單元有四個頂點，每個頂點能夠在輪廓內部或外部。所以，輪廓經過該單元共有24=16種方式。構型表（CaseTables）1.輪廓提取醫(yī)學圖像可視化專家講座第12頁

物體表面實際上是一個閉合灰度等值面，其灰度值稱做閾值。在該等值面內部，全部像素灰度值都大于這個閾值，在等值面外部，全部像素灰度值都小于這個閾值（或相反），從而將物體與背景分開。顯然，等值面上體素內部灰度是不均勻，即體素一部分灰度大于這個閾值，另一部分灰度小于這個閾值。醫(yī)學圖像可視化專家講座第13頁

構型表索引值可對每個頂點做二進制數字編碼。對用矩形網格表示2D數據，用4位索引值表示16種狀態(tài)。選定某一適當狀態(tài)后，能夠用內插法計算輪廓線與單元邊緣交點。該算法處理完一個單元后，然后移動或前進到另一個單元。當全部單元都走過后，輪廓就完成了。步進算法可總結以下：選擇一個單元；計算該單元每個頂點內/外狀態(tài)；生成每個頂點二進制狀態(tài)編碼索引值；用該索引值查構型表得到所需拓撲狀態(tài)；用內插計算構型表中每邊輪廓位置。醫(yī)學圖像可視化專家講座第14頁

因為此過程是對每個單元單獨處理，不一樣單元邊界處可能重復使用一些頂點或邊緣，能夠經過程序消除重復運算。注意，沿每條邊內插應按相同方向進行。不然話，數值舍入可能會使產生符合點不準確符合，不能正確地合并。醫(yī)學圖像可視化專家講座第15頁3D步進立方體法15種基本構型醫(yī)學圖像可視化專家講座第16頁與步進正方形相同，3D時為步進立方體法。每個體素有8個頂點。依據這8個頂點與灰度閾值關系一共有28=256種構型。

2D圖像輪廓是由直線段連接而成，3D圖像輪廓則復雜多。3D圖像輪廓是由許許多多小三角形面片鑲嵌而成?？紤]到各構型對稱和互補性，上頁圖給出簡化后15種基本構型。對于3D圖像遍歷，依據各體素構型情況產生三角形面片鑲嵌表面輪廓方法稱作移動立方體法。實際應用中要用到全部256種構型，因為僅靠15種基本構型組合往往會在表面輪廓上產生空洞。醫(yī)學圖像可視化專家講座第17頁

為了方便起見，實用遍歷法是對每個體素用查表法。將體素8個頂點與灰度閾值比較所產生邏輯值依序組成一個8位二進制編碼索引值，全部256種構型信息組成一個“構型—三角剖分”查找表。它包含256個索引項，每個索引項包含索引號以及指向該種三角剖分中一個指針。經過查表能夠直接得到輪廓段拓撲信息、哪一個邊與體素相交、應該使用那些頂點內插產生交點等。對于每個體素，依據它索引號在“構型—三角剖分”查找表中確定其三角剖分形式。還要對相鄰正方形一致邊合并。最終產生由小三角形面片鑲嵌成表面輪廓。醫(yī)學圖像可視化專家講座第18頁仔細觀察步進正方形5號和10號狀態(tài)，步進立方體3，6，7，10，12和13號狀態(tài)，都是一個單元能夠用多于一個方式來提取輪廓。在2D或3D中，當對角頂點是同一狀態(tài)（1或0），而鄰邊上點為不一樣狀態(tài)時，就會發(fā)生二義性。任選步進立方體狀態(tài)會造成等值面中孔洞輪廓二義性問題醫(yī)學圖像可視化專家講座第19頁2.等值面明暗顯示

要想真實地顯示物體表面情況，須采取等值面明暗顯示。三角片生成僅僅完成了等值面結構，要真正顯示出物體在一定光照條件形態(tài)，還必須處理物體在特定光照模型下表面法向量計算。醫(yī)學圖像可視化專家講座第20頁光照模型所采取光照模型為其中,I:三角片光強,Ia:環(huán)境光強,Is:光源光強,θ:三角片指向物體外部法向量與光線夾角,顯然，三角片光強與光源方向和強度均相關。三角片表面法向量計算是真實、準確顯示物體表面關鍵問題。

醫(yī)學圖像可視化專家講座第21頁

表面法向量計算基于灰度梯度法向量預計方法是一個很有效方法。首先，用灰度差分計算體素頂點(i,

j,

k)上灰度梯度

，其中S(i,

j,

k)是體素頂點灰度值。醫(yī)學圖像可視化專家講座第22頁

對g進行歸一化，得到(gx/|g|,gy/|g|,gz/|g|)作為(i,j,k)上單位法向量。然后，對體素八個頂點上法向量進行線性插值就可得到位于體素棱邊上三角片各個頂點上法向量。設計算得到某個三角片三個頂點上單位法向量分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),和(x3,y3,z3),這個三角片幾何重心為（cx,cy,cz)，則該三角片法向量起始于(cx,cy,cz)，終止于(x1+x2+x3)/3+cx,(y1+y2+y3)/3+cy,(z1+z2+z3)/3+cz）。代入光照模型公式，就可計算出小三角片表面光強(灰度)。將其投影在某個特定二維平面上進行顯示，從而顯示出物體富有光感整個表面形態(tài)。醫(yī)學圖像可視化專家講座第23頁投影中消隱問題投影是實現三維到二維轉換有效伎倆，消隱是其中一個不可忽略問題。采取策略為遍歷體素集合，相對視點采取從后至前次序，后顯示到屏幕上三角片將覆蓋先顯示三角片，這么就到達消除隱藏面目標，這就是著名畫家算法思想。右圖是用移動立方體法重建腳骨圖象。醫(yī)學圖像可視化專家講座第24頁1.2.2劃分立方體法

伴隨CT、MR等成像技術不停地進步和發(fā)展，斷層數據層片間距越來越小，層片內部空間分辨越來越高，

MarchingCube算法在體素上產生小三角面片數目激增。而屏幕顯示空間分辨有限，直接生成小三角面片比顯示器幕上像素還小，這時就無需再計算小三角面片了，于是產生了劃分立方體法（DividingCubes）?；舅枷胧墙涍^生成與顯示像素對應點元直接形成顯示圖像?；邳c元繪制要比基于小三角面片繪制在存放和計算方面都含有較大優(yōu)越性?？疾榕c等值面相交體素，假如該體素在顯示平面投影面積大于一個像素大小，就要將該體素細分為n1xn2xn3個子體素，使子體素在顯示平面投影面積等于一個像素大小。每個子體素繪制為一個表面點。子體素頂點處灰度經過線性插值取得。對于與等值面相交子體素，簡單地在其中心生成一個點，再用線性插值方法計算出法向量，進行亮度明暗計算得到光照效果。醫(yī)學圖像可視化專家講座第25頁劃分立方體醫(yī)學圖像可視化專家講座第26頁劃分立方體算法：1.輸入三維體數據，設定等值面灰度閾值；2.首次讀入連續(xù)4層數據；3.兩個連續(xù)層面8個數據鄰點組成一個立方體（體素），在體素每個頂點處計算灰度梯度向量分量，數值等于該頂點沿每個坐標軸前后鄰點灰度差。4.對體素分類：假如每個頂點灰度值均高于灰度閾值，體素是內部體素；反之，假如每個頂點灰度值均低于灰度閾值，體素是外部體素；不然，等值面經過該體素。5.細分立方體：將包含等值面體素細分為n1xn2xn3個子體素，使得每個子體素在顯示平面上是一個像素大小。即每個子體素相當一個表面點，子體素8個頂點灰度值由原體素頂點灰度值線性插值取得。6.如第5步，檢測還有那些子體素與等值面相交。7.對每個與等值面相交子體素計算8個頂點灰度梯度向量。確定子體素中心點，法向量為8個頂點灰度梯度向量平均值。8.計算每個表面點光強：法向量沿視方向投影標量積。9.移出最上層數據，讀入下一層數據，重復步驟3-9，直至遍歷全部體數據。醫(yī)學圖像可視化專家講座第27頁1.2.3基于切片表面重建由切片輪廓重建物體方法稱作基于切片表面重建。該方法主要步驟是：第1步：平面輪廓提取。平面輪廓提取普通基于物體與背景間灰度或其它屬性差異進行分割和提取。高質量輪廓提取往往需要生物醫(yī)學領域知識引導。第2步：片間輪廓對應。片間輪廓對應含有較大任意性。普通可經過對不一樣層面上輪廓重合部分定量比較，或應用一些能夠描述輪廓形狀橢圓擬合、柱體生長等方法判斷。第3步：輪廓拼接。確定了對應輪廓之后，還需要確定對應輪廓上對應點。第4步：曲面擬合。小三角形面片結構只能是物體表面粗略表示，較為準確方法可用曲面擬合。即用經過小三角形頂點曲面代替三角形平面。慣用有三次B樣條插值。更為精細有非均勻有理B樣條（NURBS）醫(yī)學圖像可視化專家講座第28頁1.3體繪制技術表面繪制是繪制不透明物體。即假設物體在其表面反射、散射，而沒有光線射入它們內部。即使繪制不透明物體很有用，但很多應用中，繪制透明物體也很主要。透明度在體繪制中有主要應用。半透明繪制：該方法使物體透明，使我們能夠看到表面所圍區(qū)域內部。比如使皮膚半透明，能夠看到內部器官。醫(yī)學圖像可視化專家講座第29頁

1.3.1透明度與α值

透明度（Transparency）及阻光度（Opacity）是兩個互補概念，稱為α值。半透明α值是0.5；α=1代表完全不透明物體，α=0代表完全透明物體。α是整個原色（EntireActor）一個主要性質，能夠單獨說明，也能夠與三種原色等同地表示。按照光線跟蹤過程，視線從相機投射到世界坐標，依次與每一個原色板相交。若原色板是不透明，要繪制顏色就是光線方程到此部得到顏色；對于半透明原色板，必須用光照方程求解穿過這個原色板得到結果，而且繼續(xù)投射，看它是否還與其它原色板相交。最終得到顏色是所相交全部原色板作用合成。醫(yī)學圖像可視化專家講座第30頁考慮光線穿過三個透明度均為0.5、顏色分別為紅、綠、蘭多邊形平面，假如紅色多邊形在前，背景為黑色，得到RGBA色為（0.4，0.2，0.1，0.875）。α值合成醫(yī)學圖像可視化專家講座第31頁1.3.2紋理映射紋理映射（TextureMapping）是無需對細節(jié)建模而給圖像添加細節(jié)一個技術。紋理映射能夠看作是將一幅圖像粘貼到一個物體表面技術。使用紋理映射需要兩種信息：紋理映射圖及紋理坐標。紋理影射圖是我們要粘貼圖像，紋理坐標要求圖像粘貼位置。更普通地說，紋理映射是在對物體繪制時對其顏色、強度與/或透明度查表技術。紋理圖及坐標大多數情況下是二維，但三維紋理圖及坐標正變得普遍起來。醫(yī)學圖像可視化專家講座第32頁1.3.3體繪制體積繪制技術有兩種：最大強度投影法（MaximumIntensityProjection，MIP）及三維體繪制技術（3DRenderingTechnique）。MIP是沿觀察者視線方向，選擇每條與數據體積相交直線上全部象素中最大強度值作為圖象投影平面強度值。該方法適于做CT或MR血管造影圖象。缺點是圖象象素強度失去三維空間信息。因為全部投影象素都是選取最大強度值，因而整個圖象平均背景強度隨之加大，這在很多情況下（比如腎或肝中血管）會影響對一些結構觀察效果。有時，高強度象素（比如CT圖象中骨結構或鈣化點）會對使用造影劑血管圖象產生偽跡。醫(yī)學圖像可視化專家講座第33頁用光線投射技術生成最大強度投影神經元圖像最大強度投影或MIP是可視化體積數據最慣用方法之一。該技術含有很好抗噪聲特征，能夠產生對處理數據直觀了解圖像。這種方法缺點是不可能從一幅靜止圖像看出沿光線什么地方得到最大值。比如圖中所表示神經元圖像，極難從這幅靜止圖像完全了解神經元結構，因為我們不能確定該神經元一些分支是在其它分支前面還是后面。醫(yī)學圖像可視化專家講座第34頁與MIP不一樣，體繪制技術是對每條視線上每個像素強度計算加權和，將結果作為投影像素灰度值。下列圖以一個詳細例子說明體繪制技術成像原理。圖中中間部位帶有數值小方塊表示視線通路上各像素強度值。圖上部是該直線上像素強度直方圖及阻光度曲線。強度值低于5阻光度為0%，強度值大于9設為100%。一些中間值6,7和8阻光度分別設為25%,50%和75%，圖下部是計算加權和公式與幾個計算步驟。體繪制圖像顯示結果由像素強度與設定阻光度（權重）二者共同決定。醫(yī)學圖像可視化專家講座第35頁

肺動脈MIP與體繪制圖像比較。左圖：MIP圖像，右圖：體繪制圖像

MIP實際包含了全部血管，但不夠清楚，不能看出單個結構及相互之間空間位置關系。體繪制圖像則清楚多。醫(yī)學圖像可視化專家講座第36頁1.3.4按圖像次序體繪制

圖像次序繪制又常稱做光線投射或光線跟蹤?；舅枷胧?，發(fā)出一條光線經過像素進到場景中，然后用某一特定為計算像素值函數計算沿光線所碰到數據。確定圖像平面中每個像素值。醫(yī)學圖像可視化專家講座第37頁光線投射過程如圖所表示。此例使用一個標準正投影柵格投影。全部光線相互平行，并與視平面垂直。沿每條光線數據值是按一個光線函數處理，并將其轉換為灰級像素值。按圖像次序體繪制醫(yī)學圖像可視化專家講座第38頁幾個基本光線函數類型。下列圖表示光線經過8位灰度體積數據時數據值剖面，灰度數據值范圍為0-255。剖面X軸表示到視平面距離，Y軸代表數據值。光線投射剖面醫(yī)學圖像可視化專家講座第39頁右圖顯示是使用四個不一樣簡單光線函數轉化為灰級值顯示結果。前兩個光線函數，最大值及平均值，是對標量值本身基本操作。第三個光線函數計算沿光線首次碰到等于標量值為30處距離，第四個函數使用α合成技術，將沿光線值看作按單位距離累積阻光度樣本值。

四種不一樣光線函數繪制結果醫(yī)學圖像可視化專家講座第40頁因為體積用3D結構點數據集表示，標量值又是在規(guī)則柵格點上定義。所以光線穿越體積就有不一樣計算方法。比如，在光線通路上按均勻間隔采樣。這會碰到許多非格點（任意位置）數據怎樣確定問題。普通是用插值方法。另一個方法是不經過采樣計算沿光線通路數據，對經過體積時所碰到每個體素（或最近臨體素）計算。體繪制兩種基本光線穿越方法醫(yī)學圖像可視化專家講座第41頁離散光線分類醫(yī)學圖像可視化專家講座第42頁三種不一樣時長光線投射法得到圖像醫(yī)學圖像可視化專家講座第43頁1.3.5按對象次序體繪制按對象次序體繪制方法是對體數據集逐層、逐行、逐一地計算每一個數據點對圖像平面中像素貢獻，并加以合成，形成最終圖像。使用α合成法時，體數據能夠按照距圖像平面由前到后次序投影，也能夠按照由后向前次序投影。若用圖形硬件進行合成，從后向前次序為好，因為無須幀緩沖器中α位平面就能夠完成α混合。假如使用軟件合成法，從前向后次序更普遍，因為部分圖像結果更具視覺意義。在一個像素靠近完全不透明時，能夠免去附加處理?；诘揭暺矫婢嚯x體素排序也并不一定非做不可，因為一些體繪制操作，如MIP或平均法，能夠按任何次序進行，都能得到正確結果。醫(yī)學圖像可視化專家講座第44頁下列圖是一個簡單對象次序體繪制示例，從后向前將體積內體素做正透視投影。穿越體素是從離視平面最遠處體素開始，并連續(xù)地逐步移向較近體素，直到全部體素都被訪問。整個過程由一個三重嵌套循環(huán)完成，即從外層到內層，先遍歷體積中平面，再處理一個平面中一行，最終是一行中體素。醫(yī)學圖像可視化專家講座第45頁

高斯核投影到視平面產生濺射足跡一個稱做濺射（Splatting）體繪制技術經過將一個體素能量分配到許多像素方式說明這個問題。濺射是由Westover提出按對象次序體繪制技術，如其名字所意味，每次它都將一個體素能量在圖像平面投影成一個色斑，或痕跡。每個數據樣本周圍存在一個有限范圍核。痕跡是該樣本到圖像平面投影貢獻，并經過沿視方向對核積分計算，并將結果存在一個2D痕跡表中。醫(yī)學圖像可視化專家講座第46頁二、醫(yī)學圖像可視化方法應用

——虛擬內窺鏡醫(yī)學圖像可視化專家講座第47頁

2.1虛擬內窺鏡

虛擬內窺鏡技術（VirtualEndoscopy）是虛擬現實技術在當代醫(yī)學中應用。它利用醫(yī)學影像作為原始數據，融合圖像處理、計算機圖形學、科學計算可視化、虛擬現實技術，模擬傳統(tǒng)光學內窺鏡一個技術。它克服了傳統(tǒng)光學內窺鏡需把內窺鏡插入人體內缺點，是一個完全無接觸式檢驗方法。虛擬內窺鏡研究意在為醫(yī)生提供診療依據，還可應用于輔助診療、手術規(guī)劃、而且實現手術準確定位和醫(yī)務人員培訓等。醫(yī)學圖像可視化專家講座第48頁2.2虛擬內窺鏡應用

當前，VE應用主要集中在那些含有空腔結構器官上如氣管、支氣管、食管、胃、結腸、血管、內耳、心臟等等。至今，VE仍處于早期臨床試驗階段。虛擬內窺鏡作為一個全新醫(yī)學檢驗、診療方法，節(jié)約了使用鎮(zhèn)靜劑、插入探測器、住院治療和術后觀察等辦法，降低了檢驗復雜性、危險性和成本。從理論上講，種人體內部結構都能夠使用這種技術來進行模擬檢驗。即使當前應用僅局限于教學、培訓和設計治療方案等少數領域且處于初級研究階段，但伴隨計算機和醫(yī)學成像技術飛速發(fā)展，虛擬內窺鏡研究不但有主要理論意義，而且有著遼闊應用前景。醫(yī)學圖像可視化專家講座第49頁醫(yī)學圖像可視化專家講座第50頁A虛擬結腸內窺鏡圖像B光學結腸內窺鏡圖像結腸對應CT圖像醫(yī)學圖像可視化專家講座第51頁2.3虛擬內窺鏡中體數據可視化虛擬內窺鏡系統(tǒng)主要技術組成——處理過程虛擬內窺鏡系統(tǒng)處理過程 數據采集、圖像組織分割、三維重建、路徑規(guī)劃、實時繪制

醫(yī)學圖像可視化專家講座第52頁2.3.1數據采集由CT或MRI等設備采集2D醫(yī)學切片圖像，經3D重建后圖像質量主要取決于數據采集方式和分辨率，分辨率又由切層厚度和矩陣大小決定。氣管、支氣管、胃、腸系統(tǒng)檢驗首選螺旋CT，能夠縮短采集時間，從而降低因為病人呼吸和移動造成偽影，還能夠在不增加曝光時間情況下提供重合圖像資料。3D重建要求層間數據集含有連貫性，操作者能夠改變圖像重合程度，以取得很好3D圖像效果。原始圖像分辨率越高，重建3D圖像效果越好。螺旋CT虛擬內窺鏡最正確掃描參數當前還無定論，但最小電子束流準直可取得最大X線分辨率，最慢檢驗床推進速度和重建片層最大程度重合可深入提升圖像清楚度。另外，增加千伏電壓數和毫安數能夠增加信噪比，但同時也會增加患者輻射劑量，所以需要綜合外科手術對清楚度要求，選擇最適當掃描參數。在神經系統(tǒng)內窺鏡研究中普通選擇MRI。因為頭部較固定，能夠較長時間采集數據，得到高分辨率圖像。在過去十幾年中MR技術有了很大發(fā)展，成像序列方法、磁場強度和梯度線圈工藝得到了改進，使得MRI能夠在短時間內采集到高清楚度圖像。當前還處于試驗階段高磁場MRI所產生圖像含有驚人高清楚度，為虛擬內窺鏡發(fā)展和應用奠定了基礎。醫(yī)學圖像可視化專家講座第53頁2.3.2圖像組織分割因為實際醫(yī)學圖像數據集CT、MRI等提供斷層切片圖像除了包含特定組織外，還包含了其它信息，必須將特定組織、器官分割出來才能實現3D重建。分割是指區(qū)分相鄰組織結構特征過程。當前主要使用手工、半自動、自動分割三種方法。因為醫(yī)學圖像復雜性，完全自動并準確地實現組織分割是非常困難，而手工分割工作量太大，所以使用醫(yī)學知識并結合快速準確技術半自動地實現組織分割是比較現實，也是當前慣用方法。發(fā)展自動分割技術是發(fā)展虛擬內窺鏡技術關鍵。醫(yī)學圖像可視化專家講座第54頁組織分割前圖像組織分割后圖像醫(yī)學圖像可視化專家講座第55頁2.3.3三維重建三維重建是將2D切片數據集重新結構成3D實體過程。虛擬內窺鏡系統(tǒng)3D重建有表面重建和體重建兩種方法.表面重建是由切片數據集提供數據中抽取出等值面，由點、線、結構出對象幾何表面，然后再由傳統(tǒng)圖形學技術實現表面繪制。經過抽取等值面結構表面模型，會丟失三維數據場中細節(jié)信息，有些分界面也有可能被擴大，也就是說保真性較差。所以，即使經過表面模型能夠有效繪制三維體表面，但缺乏內部信息表示。醫(yī)學圖像可視化專家講座第56頁

體積重建實際上不經過結構中間對象，直接由3D數據本身重現實體。3D數據中一個數據作為一個表示實體基本單元－體素，每一個體素都有顏色、不透明度、梯度等對應屬性。首先依據數據點值對每一體素賦以不透明度（α）和顏色值（R、G、B）；再依據各體素點所在點梯度以及光照模型計算出各數據點光照強度；然后依據體光照模型，將投射到圖像平面中同一個象素點各體素半透明度和顏色值從前向后或者從后向前組合在一起，形成最終結果圖像。依據不一樣繪制次序，體繪制方法當前主要分為兩類：以圖像空間為序體繪制算法（光線投射法）以對象空間為序體繪制算法（單元投影法）。醫(yī)學圖像可視化專家講座第57頁2.3.4路徑規(guī)劃在采取體重建繪制結果圖像過程中包括巨大數據量，考慮到實時性要求，普通是首先進行路徑規(guī)劃，抽取出對應空腔結構組織器官中心路徑，然后按照這條關鍵路徑進行漫游。醫(yī)學圖像可視化專家講座第58頁結腸對應中心路徑圖支氣管對應中心路徑醫(yī)學圖像可視化專家講座第59頁2.3.5實時繪制按照3D重建結果，模擬虛擬攝像機在人體組織器官內部移動產生效果，依據對應視點位置、視線方向實時顯示出對應景象，這是實時繪制主要任務。醫(yī)學圖像可視化專家講座第60頁

因為在體繪制技術上不一樣伎倆：基于面繪制（SF）和直接體繪制技術(DVR),虛擬內窺鏡技術在實現上也有區(qū)分：基于面繪制和基于體繪制虛擬內窺鏡技術

2.4虛擬內窺鏡技術醫(yī)學圖像可視化專家講座第61頁2.4.1基于面繪制虛擬內窺鏡技術普通基于面繪制虛擬內窺鏡過程如圖1－10所表示。首先從CT、MRI等設備獲取2D切片數據。在建立幾何模型之前，要進行一系列圖像預處理。預處理過程包含濾波、插值、分割等。濾波用于平滑或增強圖像信息內容；插值是因為CT或MRI等設備提供都是斷層數據，而體繪制需要在三個方向上密度相同均勻體數據；分割是在圖像數據中抽取特定組織，切除不感興趣數據。抽取出對應對象表面，將其多邊形化，建立對應幾何模型，再添加顏色、光照、紋理映射等，就能夠用面繪制方法繪制。用戶依據繪制結果決定繪制結果是否理想，不然需要重新進行組織分割和建立對應幾何模型。在進行漫游時主要有兩種方式：（1）實時交互模擬器方式，實時地模擬醫(yī)學內窺鏡在人體組織內部移動。這種方式要求使用有足夠高計算能力和顯示速度高性能計算機。（2）預先確定一條漫游路徑，以動畫錄像方式顯示。醫(yī)學圖像可視化專家講座第62頁基于面繪制虛擬內窺鏡流程圖醫(yī)學圖像可視化專家講座第63頁2.4.2基于體繪制虛擬內窺鏡技術另一個是在實現虛擬內窺鏡方式是直接體繪制，其普通流程。這種方式與前一個方式最大不一樣在于不需產生中間模型在確定視點位置和視線方向后，采取透視投影直接體繪制。直接體繪制含有高度保真性，能夠顯示出對象所包含豐富內在信息。醫(yī)學圖像可視化專家講座第64頁基于體繪制虛擬內窺鏡流程圖醫(yī)學圖像可視化專家講座第65頁兩種繪制技術在虛擬內窺鏡應用中比較（1）繪制速度：面繪制能夠快速靈活地進行旋轉和變換光照效果，它適合用于繪制表面特征分明組織和器官。體繪制數據量和計算量大，所以速度慢。（2）圖像質量：面繪制對表面分割精度要求高，所以，對形狀特征不顯著，有亮度改變軟組織以及血管、細支氣管等精細組織或器官三維顯示效果不佳。而且面繪制不能保留數據完整性。體繪制與面繪制最大不一樣是：其不需要產生一個中間模型、而是直接對三維數據場進行體繪制，潛在能力是保留了體數據豐富三維信息。醫(yī)學圖像可視化專家講座第66頁2.5虛擬內窺鏡研究現實狀況和難點虛擬內窺鏡系統(tǒng)既然是虛擬現實系統(tǒng)，那么必定要考慮滿足3I（Immersion、Imagination、Interaction）特征，即沉醉感、真實感、交互性。實時交互和真實感虛擬場景，能給操作者提供一個身臨其境沉醉感。在很多相關研究中，比較有代表性有以下幾個：虛擬內窺鏡醫(yī)學應用系統(tǒng)（VirtualEndoscopyMedicalApplication）美國GEResearch&DevelopmentCenter開發(fā)了一套醫(yī)學虛擬內窺鏡系統(tǒng)。（VEMA），如圖1－12。該系統(tǒng)采取先進分割、重建、顯示和自動路徑規(guī)劃算法，使用器官CT或MRI切片圖像，生成器官3D內表面模型，模擬視頻內窺鏡功效。VEMA支持多視圖技術如細節(jié)放大、同時顯示器官內外3D視圖、組合2D和3D表面視，在人體空腔管道中交互移動或自動航行，而且提供了交互式解剖結構測量工具。VEMA可應用于人體許多區(qū)域：虛擬結腸鏡、支氣管、血管鏡檢驗等。其采取目標器官CT和MRI圖像同周圍組織對比度很好，主要用于醫(yī)療人員培訓和教學。醫(yī)學圖像可視化專家講座第67頁虛擬內窺鏡醫(yī)用系統(tǒng)效果圖醫(yī)學圖像可視化專家講座第68頁虛擬結腸內窺鏡（VirtualColonoscopy）[16,17]：ImatronInc采取虛擬人（VHD）數據，模擬橡皮管、病人結腸CT圖像數據,使用3D體積可視化技術，對人體結腸內表面進行虛擬成像和檢驗。初步實現了兩種結腸內航行方式：預定路徑結腸內航行和人工定向結腸內航行。醫(yī)學圖像可視化專家講座第69頁虛擬耳窺鏡（VirtualOtoscopy）:美國BostonSurgicalPlanningLab.建立了一個虛擬耳窺鏡系