VTK光线投射法的CT图像三维重建_梅康平

总第 223期 2008年第 5期 � � � � � � � � � � � � � 计算机与数字工程 Com pute r& D ig ita l Eng ineering � � � � � � � � � � � � � � Vo .l 36 No. 5� � 135� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 基于 VTK光线投射法的 CT图像三维重建* 梅康平 � 张红民 � 李晓峰 (长江大学计算机科学学院 � 荆州 � 434023) 摘 � 要 � 通过光线投射 ( Ray- casting)算法中等值面、最大密度映射和合成等三种体绘制方法实现 CT图像的三维重 建, 验证并比较这三种方法在人体模型三维重建的技术上的优缺点。结果表明 VTK用于 CT图像的三维可视化具有快速、 方便、高效的特点,三种方法各有侧重点,实际应用中不同的需要应选用不同的方法。 关键词 � VTK� 三维重建 � CT� 光线投射法 中图分类号 � TP391. 41 3D Reconstruction o f CT Im age Based on the Ray- C asting M ethod of VTK M eiK angping� Zhang Hongm in� L iX iao feng ( Co lleg e o f com puter sc ience, Yang tze Un iv ersity, Jing zhou� 434023) Abstract� CT im age ha s been reconstruc ted re spectiv e ly by the Iso surfaceFunction, M IPFunc tion (M ax im um Inten sity P ro� jection) and C om positeFunction in Ray- casting a lgo r ithm. The advan tag es and d isadvantage s o f these three functions in the 3D reconstruction w ere va lida ted and com pared. The result ind ica ted tha t theVTK approach o f 3D v isua lization ha s fa s,t convenience and high eff ic iency, and the usage o f them should be depended on the app lica tion. Keyw ords� VTK, 3D reconstruction, CT, ray- casting Class Number� TP391. 41 1� 引言 可视化工具包 VTK (V isualization Toolk it)是由 K itw are公司推出的一个支持多平台 ( Un ix, L inux 和W in32)的免费软件系统 [ 1]。它是三维重建领域 的一个重要工具。 在医学领域中, CT扫描和核磁共振 MR I会产 生一系列的二维数字断层图像 [ 2] , 三维重建就是 利用人类的视觉特性,通过计算机对这些断层图像 序列所形成的体数据进行处理, 构建器官、软组织 和病变体等的三维立体模型并直观的显示出 来 [ 3]。 本文通过对医学 CT图像数据的读取和分析, 经过分割和获取特征点得到三维重建所需要的信 息,最后分别利用三维重建光线投射算法的三种方 法得到三维图像,并就所得到的三维立体图像进行 了分析比较。 2� VTK绘制机制 VTK ( V isualization Too lk it)是一种基于 Open� GL的用于 3D图形学、图像处理及可视化的工具, 它容纳了图像和可视化领域内的上百种算法,采用 面向对象技术, 可以直接用 C++ , TCL, Java或 Py� thon编写代码, 可以在 W indow s和 Un ix等操作系 统下开发运行, 其内核独立于W indow s。 VTK采用的是流水线机制 ( P ipe line)。 任何 VTK程序必须至少有一条流水线。流水 线示例如图 1[ 4]所示。建立流水线就是将数据源、 滤波器和映射器连接起来。 VTK读入 CT数据并重建的常用步骤为: 1)读入 CT切片数据; 2)对于切片上的有兴趣的特征,创建一等值面; * 收稿日期: 2008年 1月 4日, 修回日期: 2008年 1月 22日 作者简介: 梅康平,男, 硕士研究生, 研究方向:数字图像处理、医学图像三维重建。张红民, 男,博士,副教授,研究方 向:图像复原与三维重建,智能控制与嵌入式系统。 3)重建并交互。 图 1� VTK P ipeline[ 4] � 图 2� CT数据重建 [ 4] 如图 2[ 4]所示,其难点在于抽取出有兴趣的特 征值构建等值面。 3� 光线投影法 现阶段,光线投射法是 VTK的体绘制的主要方 法之一,它是一种基于图像空间扫描的,生成高质量 图像的典型的体绘制算法, 基本思想是从屏幕上的 每一个像素点出发,沿设定的视点方向,发出一条射 线,这条射线穿过三维数据场 [ 3] ;沿这条射线选择若 干个等距采样点,由距离某一采样点最近的八个体 素的颜色值及不透明度值做三线性插值,求出该采 样点的不透明度值及颜色值 [ 5]。在求出该条射线上 所有采样点的颜色值和不透明度值以后,可以采用 由后到前或由前到后的两种不同的方法将每一采样 点的颜色及不透明度进行组合, 从而计算出屏幕上 该像素点处的颜色值。它能很好的反应物质边界的 变化,使用 Phong模型,引入镜面反射、漫反射和环 境反射能得到很好的光照效果, 在医学上可将各组 织器官的性质属性、形状特征及相互之间的层次关 系表现出来,从而丰富了图像的信息。 VTK为用户提供了三种用于光线投射法的函 数,分别是: 等值面绘制函数 ( IsosurfaceFunct ion)、 最大密度投影函数 (M IPFunct ion)和合成体绘制函 数 ( CompositeFunction) [ 9]。其中合成体绘制方法 是最常用的一种光线投射方法, 在 VTK中通过传 递函数将体数据值转换成颜色、不透明度等光学属 性,最后将这些属性合成到屏幕上的像素中形成三 维图像。 4� 三种体绘制函数的具体实现 VTK中,要将一套医学体数据进行体绘制, 要 通过绘制类设置 ( v tkRender)、绘制窗口设置 (W in� dow )、交互设置 ( Interactor)、数据读取 ( Reader)、 传递函数设置 ( T ransferFunct ion)、体属性设置 (V olumeProperty)、定义绘制方法、各种属性装载、 绘制 ( Render)九个步骤。如图 3所示。 图 3� 医学图像绘制 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 注: D ICOM图片来源 m r.i radiology. u iowa. edu / /VHDicom /。 在 CT 图片的设置中, 定义体数据的间距为 ( 3. 2, 3. 2, 1. 5) ;不透明度传递函数, 提取特征点 ( 0, 0. 0)、( 40, 0. 1, 300, 0. 9)、( 700, 1. 0)、( 1000, 2. 0)并开启底纹, 颜色传递函数取定义显示为 RGB方式,取与不透明度传递函数相同的特征点。 然后将不透明度参数与颜色传递参数导入到体属 性中。设置相机视角为 ( 0, 0, 1) ,位置为 ( 0, 2, 0)。 三种函数的效果如图 4所示。 图 4� 三种函数效果图 5� 比较与结论 从图 4绘制的结果来看,等值面体绘制的绘制 速度最快, 并且有助于提取感兴趣的那部分组织, 由于它是基于某个指定的值 ( 150) , 所以难免会将 处于这个值的噪声数据作为等值面的一部分而显 示出来 [ 7]。最大密度投影法最为简单, 通过计算 原始图像中密度最大的像素, 运用透视法将这些密 度最大的像素投影到一个平面上而形成的重建图 像, VTK中的最大密度投影方法不必明确地定义 体数据和颜色值间的转换关系,结果看上去就像 X 光片,能很清楚的观察到骨骼的结构, 同时还保留 了骨骼周围的组织结构, 但不能反映深度信息。相 比之下,合成法体绘制由于周围像素的重叠使得光 亮度的信息丢失了, 但合成法体绘制应用更普遍。 VTK的光线投射技术对于医学 CT图片的三 维重建是比较合适的。通过设定适当的值, 定义 vtkVo lumeProperty中颜色和浓淡等参数就可以通 过等值面体绘制法重建出某一特定的组织, 如皮 (下转第 144页 ) 136 � � � � � 梅康平等:基于 VTK光线投射法的 CT图像三维重建 � � � � � � � � � � � � 第 36卷 WWW Conference, H onulo lu, 2002, 5: 654~ 668 [ 2] Cynth iaM atuszek, J. Cabra ,l M. W itbrock, J. De� O live ira. An Introduction to the Syntax and Conten t o f Cyc [ C] . The 2006 AAA I Spr ing Symposium on Form a lizing and Com piling Backg round Know ledge and Its Applica tions to Know ledge Representation and Question Answ er ing, Stanford, CA, 2006, 3 [ 3] D. Ca ,i S. Yu, JR. W en, W Y. M a. V IPS: aV ision - based. Page Segm entation A lgo rithm [ R ]. M icrosoft T echn i� cal Report, MSR- TR- 2003- 79, 2003 [ 4] F. R icca, P. Tone lla. Ana lysis and testing ofW eb applications[ C ]. The International Conference on So ftw are En� g ineer ing, IEEE Com pute r Soc iety P ress, L os A lam ito s ( CA ), 2001: 25~ 34 [ 5] S. E lbaum, G. Rotherm e,l S. Karre. M. F isher. L eve rag ing user- session data to supportW eb applica tion tes� ting[ J]. IEEE T ransactions on Softw are Eng ineering, 2005, 31 ( 3) : 187~ 202 (上接第 136页 ) 肤、骨骼等, 结果类似于表面显示; 由于最大密度体 绘制 (M IP)不能提供深度信息,提供的是较为直观 的图像,所以该方法可用来显示血管的三维结构; 合成体绘制方法是最常用的一种光线投射方法, 在 VTK中通过传递函数将体数据值转换成颜色、不透 明度等光学属性,最后将这些属性合成到屏幕上的 像素中形成三维图像。 参 考 文 献 [ 1] 胡莎莉, 唐治德等.医学 CT图像三维可视化系统 的研究 [ J] .重庆大学学报, 2004, 27( 9): 76~ 79 [ 2] 魏娜, 王珏等. 基于 V isualization Too lk it的脑模型 三维重建方法研究 [ J].中国康复理论与实践, 2005, 11( 3) : 167~ 169 [ 3] 韩岐权. 医学图像三维重构及可视化技术研究 [ D ].长春理工大学, 2006 [ 4] V isua lization Too lk it[ EB /OL ]. www. kitw are. com [ 5] VTK Use r� s Guide[ EB /OL ]. www. k itw are. com [ 6] 张翔, 肖小玲等. 基于 VTK库的人脑三维可视化 面绘制 [ J]. 长江大学学报 (自然版 ), 2006, 3( 1) : 75~ 78 [ 7] 苏佳灿, 王保华等 . 基于图像处理和 M atlab的平 面有限元自动建模 [ J]. 中国临床康复, 2004, 8( 8): 1480~ 1481 [ 8] 李嘉, 胡怀中等. 可视化三位图形库 V isualization Too lk it3. 2的原理及应用 [ J]. 计算机应用与软件, 2004, 21 ( 2): 5~ 29 [ 9] 袁杲, 谢明元.医学图像处理与三维重建综合策略 [ EB /OL ] . www. cadcaecam. com / forum /thread. php? fid = 57, 2003 144 � � � � � 姜 � 伟等:一种自动验证 W eb应用预期页面的方法 � � � � � � � � � � � � 第 36卷