基于K均值聚类的体绘制传递函数设计方法研究

提出一种基于K均值聚类算法的体绘制多维传递函数设计方法。在利用灰度—梯度直方图分析体数据内部结构信息的基础上,应用K均值聚类算法对整个体数据进行聚类分类,对属于不同聚类中的体素值进行伪彩色映射,实现体数据与彩色编码的转换关系。实验表明,利用该方法所设计的体绘制传递函数能够揭示体数据的内部结构关系,重建的三维图像逼真、质量高。     

基于无组织结构数据集的三维表面重建算法

三维表面重建技术具有广泛的应用前景,通用高效的重建算法是迫切需要研究的课题之一。由于三维点集分布不均匀,目前通用的基于无组织结构数据集的重建算法欠缺稳定性,应用范围受到了限制。文中提出了分布不均匀补偿的近邻点确定算法,提高了算法的稳定性和可靠性,扩展了基于无组织结构数据集表面重建算法的应用范围。实验表明通过分布不均匀补偿的离散数据集三维表面重建算法具有很好的重建效果。     

自适应步长的Alpha‑shape表面重建算法

三维物体表面重建在现代临床医学、场景建模和林业测量等方面有着重要应用价值。为了更好地理解三维物体表面形状,本文先介绍了三维空间离散点集的Alpha形状的相关概念。在分析表面重建的Alpha?shape算法的基础上,本文提出一种自适应步长的Alpha?shape算法。通过kd?tree和k近邻平均距离来动态更新α值,使得算法在处理点集密度较大的区域时也能以较少的遍历次数进行表面重建,从而改善了重建效果并提高了算法运行效率。大量随机数据和现实三维采样数据的实验结果表明,本文提出的改进算法与原始算法相比,能大幅度地提高运行效率。     

彩色体三维显示系统上基于GPU的实时均匀体素化算法

为了使基于旋转屏的彩色体三维显示设备在显示动态场景时实时且高分辨率、高质量地实现圆柱体空间彩色体素化,提出了一种基于GPU的算法.首先在长方体空间内完成对三维场景的实时彩色体素化,将生成的数据保存于多张纹理工作表中;然后采取多对多映射的方法对这些工作表进行重采样,得到该场景在圆柱体空间内均匀的彩色体素化结果.实验结果表明,该算法在GPU内完成,达到了实时性要求,并在基于LED旋转屏的体三维显示设备上获得了令人满意的三维虚拟场景再现效果.     

切片级管线表面三维重建

在比较表面重建中的面绘制法和体绘制法以及面绘制中的切片级和体素级两种表面重建方法、分析表面重建流程的基础上,提出了一种计算型值点集的方法,它在计算弯道部分的管线时较为简便。该方法通过二次曲面求管线表面轮廓方程进而求得管线的型值点集。之后用三角网格对型值点集进行拼接来获得管线的表面模型,最后利用图形学的方法对管线表面模型进行绘制,达到管线表面三维重建的目的。文末利用Java3D给出了一个具体的实现。     

应用激光雷达与相机信息融合的障碍物识别

针对探测器在地外星体表面软着陆过程中的障碍物识别问题,提出了一种融合三维点云数据与灰度图像数据进行精确障碍物识别的方法。首先利用坐标转换将灰度图像与三维点云归一化到同一坐标系下,实现传感器数据的融合。然后采用改进K均值聚类算法对预处理后灰度图像进行图像分割,生成光学障碍图。最后利用开源库PCL(Point Cloud Library)对激光雷达生成的三维激光点云数据进行处理,采用随机采样一致性算法提取着陆区地形水平面,对去除水平面后的点云数据进行点云分割,分离出突起物、凹坑等障碍物,并通过激光雷达与相机转换坐标系,投影到像平面,生成最终障碍图。     

基于GPU的实时光线投射算法

介绍了一种基于GPU（可编程图形处理单元）的快速实时光线投射算法。为满足大规模体数据集的绘制要求,利用当前GPU的新特性,直接将体数据作为纹理载入显存,采用预积分分类方法在GPU中对体数据进行重采样和分类,避免了计算机主内存与GPU纹理内存之间数据交换的瓶颈问题;利用硬件支持的三维纹理和片元着色器,实时计算每个体素的梯度,实现高质量的光照,保证高质量的图像绘制效果。实验结果表明该方法在医学三维数据场可视化中,能够实时、高效地生成高质量的交互式体可视化图像。     

提高CT图像手骨模型重建精度的方法

为提高在体骨骼模型的3D重建精度,对CT扫描方式和利用CT图像重建骨骼模型的方法进行研究,提出一种基于灰度特征搜索匹配点的图像层间插值算法.该算法根据插值点相邻层邻近点的灰度值特征选择参考点;以参考点为依据在另一相邻层图像某区域内搜索与参考点灰度相近并且距离较小的匹配点;利用参考点和匹配点灰度值以及距离关系计算插值点灰度值.对人体9块手骨进行模型重建,将原始CT图像重建模型和插值优化后的重建模型分别与解剖模型进行比较的结果表明,优化前与优化后平均正偏差均值由0.30 mm减小到0.11 mm,平均负偏差均值由0.27 mm减小到0.09 mm.     

基于GPU光线投射的多平面交互彩色体数据切割方法

基于代理多边形的3D纹理映射体绘制成像速度快,能够直接利用OpenGL剪切平面功能实现多平面实时切割,但成像质量不高.本文通过分析彩色数据场的不透明度转换函数,研究基于GPU的光线投射算法,用于数字人彩色体数据的快速高质量可视化.为了避免转换函数设计困难和不足,提出一种基GPU的多平面快速切割算法,能够实时清晰观察彩色体数据内部组织.实验结果表明:基于GPU的光线投射算成像质量高、速度快,该多平面交互切割方法能够清晰观察组织结构.     

基于VTK的三维点云曲面重建研究

针对三维点云数据重建效率低、不能实时交互等问题,利用鲁棒性强的Power Crust算法和三维可视化类库Visualization Toolkit (VTK)的良好并行机制与强大的图像处理能力,实现了三维点云数据曲面快速重建.该算法使用Power Crust对三维点云进行曲面重建,接着对得到的网格进行线性调整、简化和平滑,最后引入VTK进行渲染、绘制、显示,并实时交互.实验结果表明,该算法可以加快散乱点云数据的重建速度,较好地保持了点云数据的拓扑结构,提高了曲面重建的精确性和鲁棒性,且交互性强,适合实时处理.     

使用VHD的可视人体成像方法研究

利用彩色数据进行体绘制，可以创建真实感图像，并具有揭示体内真实细节的能力。虽然彩色数据是可用的，但它并不包含依赖于视点的光线反射信息和光线在体素中的传播属性。本文提出了基于VHP彩色数据的体绘制算法框架，着重讨论了如何利用Phone光照模型进行着色，以及在HSI色彩空间中计算阻光度值。实验结果表明，本文算法成像质量高，可以表现人体的细微结构和纹理信息。     

彩色三维体数据场的直接体绘制方法

提出基于光线投射和三维纹理映射的彩色体数据成像算法，研究如何从每个体素的R，G，B三元组映射成不透明度值，即不透明度转换函数。首先把原始的RGB色彩空间转换成LUV色彩空间；然后以亮度分量的中心差分来近似估计法向量，并应用Phong光照模型进行着色，根据亮度分量及其梯度等信息计算不透明度值；最后合成、累积颜色。对美国数字人男子照相彩色体数据分别采用两种算法进行实验。结果表明：基于光线投射的彩色体数据算法成像质量较高，可以表现体表毛细血管等细微结构，但速度较慢；基于三维纹理映射的彩色体数据成像算法速度较快，但成像质量适中。     

基于图形处理器加速光线投射算法的多功能体绘制技术

为克服传统算法中体绘制交互速度不流畅、重建耗时长、绘制效果单一的不足,实现了基于图形处理器(GPU)的光线投射算法用于医学层析图像实时体绘制,并能快速切换不同组织器官的绘制效果。首先,读入医学层析图像到计算机内存,构造体素;然后,设置相应体素属性(如插值方式、着色处理、光照参数)等,设计显示不同组织器官的颜色及不透明度传输函数;最后,GPU加载体素据并进行光线投射算法的计算。实验结果表明,在绘制速度上,GPU加速光线投射算法实现的多功能体绘制技术的绘制速度能达到每秒40帧以上,完全满足临床应用需求。在绘制质量上,用户交互中由于重采样而产生的锯齿现象明显低于CPU端实现的光线投射算法,GPU端与CPU端绘制时间的加速比在9倍左右。     

Real-time area-based haptic rendering and the augmented tactile display device for a palpation simulator

Although people usually contact a surface with some area rather than a point, most haptic devices allow a user to interact with a virtual object at one point at a time and likewise most haptic rendering algorithms deal with such situations only. In a palpation procedure, medical doctors push and rub the organ's surface, and are provided the sensation of distributed pressure and contact force (reflecting force) for discerning doubtable areas of the organ. In this paper, we suggest real-time area-based haptic rendering to describe distributed pressure and contact force simultaneously, and present a haptic interface system to generate surface properties in accordance with the haptic rendering algorithm. We represent the haptic model using the shape-retaining chain link (S-chain) framework for a fast and stable computation of the contact force and distributed pressure from a volumetric virtual object. In addition, we developed a compact pin-array-type tactile display unit and attached it to the PHANToM^TM haptic device to complement each other. For the evaluation, experiments were conducted with non-homogenous volumetric cubic objects consisting of approximately 500 000 volume elements. The experimental results show that compared to the point contact, the area contact provides the user with more precise perception of the shape and softness of the object's composition, and that our proposed system satisfies the real-time and realism constraints to be useful for a virtual reality application.     

基于Ray-Casting算法对医学图像进行三维体绘制重建

对医学图像三维体绘制的基本流程、光学模型及原理进行了分析,并深入研究了光线投射Ray-Casting算法的模型及原理,就其颜色赋值、重采样、图像合成等关键技术进行了深入讨论和研究,最后在MITK平台实现了医学图像的体绘制。该算法对体绘制的三维模型能够进行光照属性、表面属性和环境参数的交互操作;同时可进行法平面切割和动态平面切割显示;此外,还可以进行旋转、缩放、平移等交互操作。     

使用GPU编程的光线投射体绘制算法

将传统的光线投射体绘制算法在具有可编程管线的图形处理器(GPU)上重新实现.首先将体数据作为三维纹理保存在显存中,然后通过编写顶点程序和片段程序将光线进入点/离开点计算和光线遍历的计算移入GPU中执行,最后根据不同的采样点颜色混合公式实现不同的绘制效果.文中算法仅需绘制一个四边形即可完成三维重建.实验结果表明:在进行光照效果的重建时,该算法能够达到实时交互的绘制要求,并能实现半透明等复杂绘制效果.     

Interactive visualization of 3D medical data

Techniques for rendering 3-D medical data are described. They consist of (1) surface-based techniques, which apply a surface detector to the sample array, then fit geometric primitives to the detected surfaces, and finally render the resulting geometric representation; (2) binary voxel techniques, which begin by thresholding the volume data to produce a three-dimensional binary array; the cuberille algorithm then renders this array by treating 1's as opaque cubes having six polygonal faces; and (3) volume-rendering techniques, a variant of the binary voxel techniques in which a color and a partial opacity are assigned to each voxel; images are formed from the resulting colored, semitransparent volume by blending together voxels projecting to the same pixel on the picture plane. Specialized display devices (stereo viewers, varifocal mirrors, cine sequences, real-time image-generation systems, and head-mounted displays) are described. Topics for future research are identified     

脑血管体绘制的快速表意式增强

利用3维可视化技术重构脑血管模型,获取脑血管及其相关组织的立体结构,对于辅助诊断脑血管疾病具有重要意义.鉴于脑血管位置的特殊性、形态的复杂性及灰度信息的多变性,要求重构技术能够清晰还原其空间结构.基于CUDA(computed unified device architecture)的光线投射体绘制,引入深度和轮廓宽度等因子,采用基于曲率的轮廓增强、基于深度的边界增强以及基于立体显示和颜色融合的深度线索提示等表意式技术,实时重构高质量3维血管模型,生动展现脑血管的3维结构信息,如深度、梯度、观察方向等.实验结果表明,本文方法的有效性,在精确显示脑血管结构的同时能够增强体绘制效果.     

基于PC的DSA三维重建系统设计

本文使用VC++6.0和OpenGL库,在PC的操作系统Windows2000上,设计了数字减影血管造影(DigitalSubtrac-tionAngiography,DSA)三维重建系统,实现了对DSA图像进行三维重建的功能,该系统可以通过读入一系列二维DSA图像,重建DSA体数据场,并通过体绘制技术显示出血管的三维模型。     

基于改进光线投影算法的医学图像三维重建

针对经典光线投影算法在医学图像三维重建中渲染速度慢的问题进行了研究,提出一种改进的光线投影算法。首先在每条经过三维数据场的射线上,根据观察者视点与图像远近的不同,使用曲面法线切点处的偏导数与视点和切点之间的距离的比例关系来调整采样频率,改变经典算法对所有射线上的采样频率都“一视同仁”的做法,实现当物体距离视点较近时,采样频率较高,模型表示较为细致,反之则采样频率较低,模型表示也较粗糙;其次在图像合成算子的计算上,设定对未到达屏幕的射线不参与不透明度和颜色值的合成计算。临床数据实验证明,改进算法不仅能够有效提高图像渲染速度,而且还避免了伪影的产生,明显改善了图像的质量。