基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法
【专利摘要】本发明公开一种基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，步骤为：(1)读入体数据，根据两维传递函数空间所需的两个属性值对每个体素计算，并由此构造该传递函数空间；(2)为得到完整的感兴趣结构并消除分水岭算法的过分割问题，首先在步骤(1)构建的传递函数空间设置传递函数分类器组件并确定感兴趣结构的数目，然后自动地修正原始体数据的灰度值；(3)对修正的体数据，基于其灰度值采用分水岭算法得到分类结果，从而将重叠于两维传递函数空间中的感兴趣结构同时识别出来。本发明原理简单、便于理解，且易于在现有的两位传递函数空间和可视化系统中实现。
【专利说明】基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机图形学中的三维可视化领域，具体地，涉及一种识别体数据中感兴趣结构的新方法，即基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法。
【背景技术】
[0002]伴随着新的影像采集技术(例如:CT、MRI和PET等)在临床医学上的应用，产生了大量的医学体数据，为了更好的辅助医生处理和分析这些三维数据，需要有新的数据分析和可视化方法。直接体绘制(Direct Volume Rendering)是一种可以显示组织内部结构的三维可视化方法。因为其最终绘制结果的每个像素值是由该像素向体数据投射一条光线上的所有体素的光学属性值(颜色值和阻光度值)累积产生的，即不是只有结构表面上的体素对其有贡献而是整个体数据的体素对绘制结果都是有影响的。所以直接体绘制可以为医生提供更加丰富的组织内部的结构信息和周围组织的空间信息，从而为医生对疾病的诊断提供了更好的依据。因为直接体绘制方法在分析和可视化医学体数据的有效性和实用性，所以它是一种值得科研人员深入研究的可视化方法。
[0003]而传递函数(Transfer Function)可以指定体数据中体素的光学属性(例如，颜色值和阻光度值):颜色值可以直观的显示不同的感兴趣结构，阻光度值决定体数据中体素的透明度。所以传递函数决定了体绘制的最终绘制结果，其作为体绘制中的一个难点也是一个热点，得到越来越多世界各国的科研人员的研究。
[0004]由于两维传递函数空间不仅拥有直观的交互界面利于用户的理解，而且具有较好的识别体数据中感兴趣结构的能力，因此她是作为一种实用的传递函数空间应用于医学数据的分析和可视化中。现在常用的两维空间有=Kindlmann et.al提出的基于灰度-梯度幅值两维空间，Haidach et.al提出的基于统计量的两维空间，Scrcda et.al的LH空间等等。但由于医学数据中结构的复杂性，只有两个属性的两维传递函数空间有时无法很好识别出感兴趣结构。所以为增强传递函数空间的识别和分类能力，越来越大的新属性值(例如距离、尺度和形状描述子等)被引入到传递函数空间中构造高维传递函数空间。但随着空间维数的增加，如何直观的表示高维信息以利于用户交互是必须面对的一个难题，而对不同类型的医学数据如何选择属性值也是一个值得研究的问题。
[0005]虽然两维传递函数空间具有直观的交互界和较好的识别能力，但两维空间中每个像素的亮度值是由体数据中包含该属性对的体素的个数所决定，所以当不同的结构在传递函数空间有着相似的区域时，就无法直接通过设置传递函数将其识别出。例如图5(a)中一个模拟数据，包含2个在空间上相连的球状结构O1和O2，如果要利用两维传递函数将其分开，则它们必须在空间中对应两个‘拱形’结构，但由于这两个结构具有相同的属性信息，所以被投影到传递函数空间的同一位置(图5(b))，因此无法通过设置传递函数将其分开。通过发明人研究发现:位于结构内的体素其灰度值是相近的甚至相等的，而位于空间相连结构的边界处的灰度值是低于构成该边界的两种组织的灰度值，形成一种‘V’型的灰度分布(如图4所示)，这是体数据中相连结构的灰度值的一个局部特征。
【发明内容】
[0006]为提高传统的两维传递函数空间对感兴趣结构的识别能力，本发明提出一种基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，在不增加空间维数的前提下，可以取得高维传递函数的分类效果。依据感兴趣结构中体素的灰度值分布特性，采用基于灰度值的分水岭算法识别出重叠于两维传递函数空间的感兴趣结构，又因为分水岭算法对体素的灰度值过于敏感，容易过分割感兴趣结构，因此本发明根据用户设置的传递函数和确定的感兴趣结构的个数自动修正原始体数据的灰度值来消除这个问题。
[0007]为实现上述的目的，本发明采用的技术方案是:首先在两维传递函数空间设置传递函数并确定感兴趣结构的数目，然后自动修正原始体数据的灰度值，根据修正之后的灰度值利用分水岭算法对属于用户设置的传递函数的体素进行分类，从而可以自动地识别出重叠于两维传递函数空间的感兴趣结构。通过绘制识别出来的不同的感兴趣结构，可以消除不感兴趣结构对其的遮挡以及它们之间的相互遮挡。
[0008]本发明所述基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其步骤如下:
[0009](I)读入体数据:根据两维传递函数空间所需的两个属性值对每个体素计算，并由此构造该传递函数空间。
[0010]在本步骤中，根据两维传递函数空间所需的两个属性值对体数据中的每个体素计算其所需的两个属性值X和1，然后由此构成两维传递函数空间。而两维空间中的每个像素的亮度值lhistogM(x，y)是由体数据中同时具有这两个属性值的体素的个数Inum(x，y)取对数得到的:
【权利要求】
1.一种基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)读入体数据，根据两维传递函数空间所需的两个属性值对每个体素计算，并由此构造该传递函数空间； (2)为得到完整的感兴趣结构并消除分水岭算法的过分割问题，首先在步骤(1)构建的传递函数空间设置传递函数分类器组件并确定感兴趣结构的数目，然后自动地修正原始体数据的灰度值； (3)对经过步骤(2)修正的体数据，基于其灰度值采用分水岭算法得到分类结果，从而将重叠于两维传递函数空间中的感兴趣结构同时识别出来，即通过单独显示识别出的感兴趣结构来消除其他不感兴趣结构的遮挡，或者通过对识别出的不同结构的任意组合显示来消除这些结构之间的彼此遮挡。
2.根据权利要求1所述的基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于所述的步骤(1)中两维传递函数空间的每个像素的亮度值是由满足该属性值对的体素的个数的对数决定的。
3.根据权利要求1所述的基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于所述的步骤(2)中在设置传递函数的分类器组件时，为得到令人满意的感兴趣结构的绘制结果，用户在传递函数空间设置不同形状的分类组件，然后通过不断的调节该组件并观察由于传递函数的改变而绘制出的新结果，从而确定最终的传递函数。
4.根据权利要求3所述的基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于所述的步骤(2)中用户设置传递函数时，需要确定感兴趣结构的数目，为自动修正体数据的灰度值提供终止条件。
5.根据权利要求4所述的基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于所述的步骤(2)中自动修正原始体数据的灰度值时，依据用户设置的传递函数和确定的感兴趣结构数目，查找一个使这些感兴趣结构彼此分开的灰度值。
6.根据权利要求1-5所述的基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于所述的步骤(2)中自动修正原始体数据的灰度值时，遍历整个体数据，对不属于用户设置的传递函数的体素将其灰度值设置为O，否则灰度值不变，在后续处理中只考虑属于用户设置的传递函数范围内的体素。
7.根据权利要求6所述的基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于所述的步骤(2)中对于经过修正的体数据，遍历该体数据，对既属于用户设置的传递函数又不小于查找到的灰度值的体素将其设置为255，否则灰度值保持不变，目的是为了将这些彼此分开的感兴趣结构的体素作为局部极大值，使这些体素位于分水岭算法中的水源位置，从而消除分水岭算法的过分割现象。
8.根据权利要求6所述的基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于所述的步骤(3)中对修正以后的体数据的灰度值取反，然后利用分水岭算法将这些重叠于两维传递函数空间中的感兴趣结构同时识别出来。
9.根据权利要求6所述的基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于所述的步骤(3)中所采用的分水岭算法时，是利用体素的26邻域的连通性进行的。
10.根据权利要求1所述的基于两维传递函数的自动识别重叠结构的体绘制方法，其特征在于所述的步骤(3)中为消除其他不感兴趣的结构的遮挡只显示感兴趣的结构，将这些不感兴趣结构的阻光度设置为O;所述的步骤(3)中为消除感兴趣结构彼此之间的遮挡时，将遮挡的感兴趣 结构的阻光度设置为O，从而只显示被遮挡住的感兴趣结构。
【文档编号】G06T17/30GK103914880SQ201410097100
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2014年3月14日
【发明者】宋沂鹏, 杨杰 申请人:上海交通大学