医学图像三维重建的体绘制技术综述

医学图像三维重建的体绘制技术综述 摘要体绘制技术是目前医学图像三维重建的主要方法之一，是一种能够准确反 映出数据内部信息的可视化技术，是可视化研究领域的一个重要分支，是目前最 活跃的可视化技术之一。本文首先分析了医学图像三维重建的两大方法及其基本 思想，并将体绘制技术与面绘制技术进行了比较；然后分别描述了射线投射法、 足迹法、剪切-曲变法、基于硬件的3D纹理映射、频域体绘制法以及基于小波 的体绘制等典型算法；最后通过比较分析给出了各类算法的性能评价，并在此基 础上展望了体绘制技术研究的发展前景。 关键字体绘制；三维重建；可视化；性能评价 Abstract Volume rendering techniques is one of the main s of 3D reconstruction of medical images currently. Its also an important branch of visual technology which can reflect the inside ination of data. It is one of the most active visualization technology.This paper first introduces are the two s of 3D reconstruction of medical image and the basic thought of them,then volume rendering technology and surface rendering technology are compared.Secondly,the author introduces some kinds of algorithm for volume rendering Ray Casting ,Splatting,Shear-Warp,3D Texture-Mapping Hardware,Frequency Domin Volume Rendering,Wavelet .Based Volume Rendering.The differences of their perances are compared and discussed in the last. Then some results are presented and their perspective are given in the end. Key wordsVolume rendering techniques;3D reconstruction of medical images;visual technology;Perance uation 1-引言 自20世纪70年代以来，利用计算机X射线断层投影Computer Tomography, CT、核磁共振Magnetic Resonance Imaging, MRI、超声US、数字血管减 影成像技术DSA等医学成像技术可以得到的二维数字断层图像序列。但是仅 依靠这些二维图像很难直观地体现或确定物体的三维结构及其相互之间的关系。 由于物体的三维信息在医学诊断和治疗及其他临床领域所具有的特殊应用价值， 使得三维医学图像的可视化技术越来越引起人们的关注。通过计算机图像处理技 术可以对二维医学图像进行分析和处理，从而实现对人体器官、软组织和病变体 的分割提取、三维重建及显示，进而辅助医生对病变体及其他感兴趣的区域进行 定性甚至定量的分析，大大提高了医疗诊断的准确性和可靠性。 2. 医学图像的三维重建 医学图像的三维重建是研究利用各种医学成像设备获取的二维图像及彩色 冰冻切片图像来构建组织或器官的三维几何模型，并在计算机屏幕上“真实”地 绘制并显示出来。根据绘制过程中数据描述方法的不同，目前医学图像三维重建 的方法主要有两类 1. 通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，称为表面绘制方法, 又称间接绘制方法，即面绘制法； 2. 直接将体素投影到显示平面的方法，称为体绘制方法，即体绘制法。 经过十几年的发展，医学图像三维重建已经从辅助诊断发展成为辅助治疗的 重要手段。三维重建技术能充分利用CT、MRI等医学图像体数据，采用面绘 制或体绘制的成像算法，根据需要得到任意视角透视的三维投影图像，构造三维 模型，并对三维模型从不同方向投影显示，提取出相关器官的信息，能使医生对 感兴趣器官的大小、形状和空间位置获得定量描述。 基于表面的方法，即面绘制法是表示三维物体形状最基本的方法，它可以提 供三维物体形状的全面信息。它的基本思想是从体数据中抽取一系列相关表面， 并用多边形拟合近似后，再通过传统的图形学算法显示出来。表面绘制方法的处 理过程主要包括下面三部分体数据中待显示物体表面的分割；通过几何单元内 插形成物体表面；通过照明、浓淡处理、纹理映射等图形学算法来显示有真实感 的图像。经典的算法主要有立方块Cuberille方法，移动立方体法Marching Cubes, MarchingTetrahedral MT 和剖分立方体法Dividing Cubes等。 面绘制技术需要对体数据进行判别分类，即需要判别每一个体素是否在当前 绘制的面上，因此在处理复杂的、边界模糊的人体组织时，经常出现分类上的错 误，从而造成虚假的面显示或在显示面上产生空洞。 体绘制法是由Drebin和Levoy在80年代末提出的，该方法避免了面绘制技 术中构造几何多边形等表面的中间过程，采用直接对所有的体数据进行明暗处理 的方法，进而合成具有三维效果的图像。其优点是无须进行分割即可直接进行绘 制，有利于保留三维医学图像的细节信息，增强图像整体的绘制效果。但缺点是 需要对所有体素进行处理，加大了计算量，限制了图像的绘制速度。 随着计算机、工作站性能的提高，各种分布计算和并行绘制算法和硬件环境 的发展，以及医学体数据密度和分辨率的不断提高，面绘制的交互优势越来越不 明显，体绘制优异的三维表现能力正在吸引使用者越来越多的注意力。可以预见, 在不久的将来，体绘制技术将在越来越多的应用中取代面绘制技术，成为三维绘 制的主要技术。另外，许多科研工作者从不同的角度提出了体绘制的加速算法， 使体绘制的速度有了明显的提高，表现出很大的发展潜力。 3. 医学图像三维重建的体绘制技术 体绘制法是由Drebin和Levoy在80年代末提出的，该技术的中心思想是为 每一个体素指定一个不透明度Opacity,由光线穿过整个数据场，并考虑每一 个体素对光线的透射、发射和反射作用。这里体素就是将三维图像中的每一像素 看成是空间中的一个六面体小单元。光线的透射取决于体素的不透明度；光线的 发射取决于体素的物质度Objectness物质度愈大，其发射光愈强；光线的反 射则取决于体素所在的面与入射光的夹角关系。因此，体绘制的步骤原则上可分 为投射、消隐、渲染和合成等4个步骤。 体绘制方法是对三维空