專利名稱：基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人體心臟三維解剖模型可視化方法，具體涉及一種基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法。

背景技術(shù)：
心臟是集電生理學(xué)、血液動(dòng)力學(xué)及神經(jīng)和生物控制為一體的復(fù)雜綜合系統(tǒng)，基于單一角度(解剖/電生理/機(jī)械)的虛擬心臟模型往往不能有效反映宏觀上心臟各不同功能間的復(fù)雜相互作用，因而很難對(duì)心臟在正常和病理?xiàng)l件下的行為和特性做出精確的預(yù)測(cè)。因此，需要建立心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型，從而將之與電生理及機(jī)械模型整合，以達(dá)到對(duì)心臟結(jié)構(gòu)外觀和行為功能的精確模擬。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法。
本發(fā)明的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，它的具體過(guò)程為 步驟一獲得心臟三維體數(shù)據(jù)集空間，并根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算心臟三維體數(shù)據(jù)集空間在像平面的投射區(qū)域； 步驟二分別從投射區(qū)域的每個(gè)像素點(diǎn)出發(fā)沿著視線方向發(fā)射一條投射光線，在每條投射光線方向上按設(shè)定步長(zhǎng)選取采樣點(diǎn)，所述采樣點(diǎn)包括體元素和非體元素，并對(duì)所述體元素以三維坐標(biāo)(x，y，z)進(jìn)行表示； 步驟三在每條投射光線穿過(guò)心臟三維體數(shù)據(jù)集空間的過(guò)程中，計(jì)算心臟三維體數(shù)據(jù)集空間中的每條投射光線所穿過(guò)的每個(gè)體元素的梯度； 步驟四根據(jù)光照模型，獲得在光照下心臟三維體數(shù)據(jù)集空間中的每個(gè)體元素的亮度； 步驟五根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算每個(gè)體元素的不透明度值和顏色值； 步驟六在每條投射光線穿過(guò)心臟三維體數(shù)據(jù)集空間的過(guò)程中，對(duì)每條投射光線所穿過(guò)的每個(gè)非體元素進(jìn)行采樣插值計(jì)算，獲得所述每個(gè)非體元素的不透明度值和顏色值； 步驟七根據(jù)每條投射光線上的每個(gè)采樣點(diǎn)的顏色值和不透明度值，并根據(jù)由前向后合成函數(shù)對(duì)所述每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行合成，獲得像平面上對(duì)應(yīng)每條投射光線的像素點(diǎn)顏色值； 步驟八根據(jù)像平面上每個(gè)像素點(diǎn)顏色值繪制心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型圖像。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型的可視化；本發(fā)明成功利用了光線投射體繪制算法，并利用光照模型逼真的模擬了在真實(shí)世界中光線落在心臟上的狀態(tài)。



圖1是本發(fā)明的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法流程圖，圖2是本發(fā)明的利用原始的光線投射體繪制算法原理示意圖，其中，E表示眼睛，L表示投射區(qū)域，S表示三維體數(shù)據(jù)集空間，D表示采樣點(diǎn)，T表示投射光線，圖3是本發(fā)明的利用原始的光線投射體繪制算法原理流程圖，圖4是具體實(shí)施方式
七中三次線性插值原理示意圖，圖5是具體實(shí)施方式
八中由前向后合成方法原理示意圖，圖6是具體實(shí)施方式
八中心臟原始切片圖像示意圖，圖7是具體實(shí)施方式
八中與圖6相應(yīng)的圖像分割結(jié)果示意圖，圖8是具體實(shí)施方式
八中在第一個(gè)角度的基于原始的光線投射體繪制算法的心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果圖像示意圖，圖9是具體實(shí)施方式
八中在第二個(gè)角度的基于原始的光線投射體繪制算法的心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果圖像示意圖，圖10是具體實(shí)施方式
八中在第三個(gè)角度的基于原始的光線投射體繪制算法的心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果圖像示意圖，圖11是具體實(shí)施方式
八中在第四個(gè)角度的基于原始的光線投射體繪制算法的心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果圖像示意圖，圖12是具體實(shí)施方式
八中心臟組織內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)果圖像前向示意圖，圖13是具體實(shí)施方式
八中心臟組織內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)果圖像后向示意圖，圖14是具體實(shí)施方式
八中在第一個(gè)角度的對(duì)光線投射體繪制算法進(jìn)行加速改進(jìn)后繪制的心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果圖像示意圖，圖15是具體實(shí)施方式
八中在第二個(gè)角度的對(duì)光線投射體繪制算法進(jìn)行加速改進(jìn)后繪制的心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果圖像示意圖；
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一根據(jù)說(shuō)明書附圖1具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，它的具體過(guò)程為 步驟一獲得心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S，并根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S在像平面的投射區(qū)域L； 步驟二分別從投射區(qū)域L的每個(gè)像素點(diǎn)出發(fā)沿著視線方向發(fā)射一條投射光線T，在每條投射光線T方向上按設(shè)定步長(zhǎng)選取采樣點(diǎn)D，所述采樣點(diǎn)D包括體元素和非體元素，并對(duì)所述體元素以三維坐標(biāo)(x，y，z)進(jìn)行表示； 步驟三在每條投射光線T穿過(guò)心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S的過(guò)程中，計(jì)算心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的每條投射光線T所穿過(guò)的每個(gè)體元素的梯度； 步驟四根據(jù)光照模型，獲得在光照下心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的每個(gè)體元素的亮度； 步驟五根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算每個(gè)體元素的不透明度值和顏色值； 步驟六在每條投射光線T穿過(guò)心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S的過(guò)程中，對(duì)每條投射光線T所穿過(guò)的的每個(gè)非體元素進(jìn)行采樣插值計(jì)算，獲得所述每個(gè)非體元素的不透明度值和顏色值； 步驟七根據(jù)每條投射光線T上的每個(gè)采樣點(diǎn)D的顏色值和不透明度值，并根據(jù)由前向后合成函數(shù)對(duì)所述每個(gè)采樣點(diǎn)D進(jìn)行合成，獲得像平面上對(duì)應(yīng)每條投射光線T的像素點(diǎn)顏色值； 步驟八根據(jù)像平面上每個(gè)像素點(diǎn)顏色值繪制心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型圖像。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一的進(jìn)一步說(shuō)明，具體實(shí)施方式
一中在步驟五中，根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算每個(gè)體元素的不透明度值和顏色值的方法為 步驟五一一以心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的每個(gè)體元素的亮度屬性和梯度屬性作為參數(shù)，構(gòu)造不透明度傳遞函數(shù)，獲得對(duì)應(yīng)心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的每個(gè)體元素的不透明度值，梯度屬性包括梯度值和梯度方向； 步驟五一二構(gòu)造顏色傳遞函數(shù)，并依據(jù)心臟三體數(shù)據(jù)集空間中的體元素的灰度強(qiáng)度獲得所述體元素的顏色值。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
二的進(jìn)一步說(shuō)明，具體實(shí)施方式
二中在步驟五一一中，以心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的每個(gè)體元素的亮度屬性和梯度屬性作為參數(shù)，構(gòu)造不透明度傳遞函數(shù)，獲得心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的每個(gè)體元素的不透明度值的方法為構(gòu)造不透明度傳遞函數(shù)
其中，fv表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中每一組織內(nèi)大于或等于相應(yīng)組織梯度閾值的體元素的光強(qiáng)度，所述組織包括心室和心房，如果將梯度值歸一化為
，則梯度閾值為0.8，r表示第i個(gè)體元素與光強(qiáng)度為fv的體元素的距離最大值，

表示光強(qiáng)度為Ii的體元素i的梯度值，αi(r，fv)是第i個(gè)體元素的不透明度值，當(dāng)Ii＝fv時(shí)，αi(r，fv)＝1。
本實(shí)施方式是基于原始的光線投射體繪制算法而實(shí)現(xiàn)的。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一的進(jìn)一步說(shuō)明，具體實(shí)施方式
一中在步驟五中，根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算每個(gè)體元素的不透明度值和顏色值的方法為 步驟五二一將心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S按照心臟組織類別進(jìn)行分類，同時(shí)將每類心臟組織中的體元素分為組織內(nèi)部體元素和組織邊界體元素； 步驟五二二將心臟三體數(shù)據(jù)集空間中的一類心臟組織的組織內(nèi)部體元素的灰度強(qiáng)度設(shè)定為一指定值，所述指定值大于與所述心臟組織相應(yīng)的灰度值范圍，并使心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的同類心臟組織的組織邊界體元素的灰度強(qiáng)度保持不變； 步驟五二三構(gòu)造顏色傳遞函數(shù)，依據(jù)每個(gè)組織邊界體元素的灰度強(qiáng)度計(jì)算每個(gè)組織邊界體元素的顏色值，同時(shí)依據(jù)每類心臟組織的組織內(nèi)部體元素的特定值計(jì)算每類心臟組織的每個(gè)組織內(nèi)部體元素的顏色值； 步驟五二四在每條投射光線T穿過(guò)心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S的過(guò)程中，將每類心臟組織的每個(gè)組織內(nèi)部體元素的不透明度值設(shè)置為0，同時(shí)以每個(gè)組織邊界體元素的亮度屬性和梯度屬性作為參數(shù)，構(gòu)造不透明度傳遞函數(shù)，獲得心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的每個(gè)組織邊界體元素的不透明度值，梯度屬性包括梯度值和梯度方向。
本實(shí)施方式對(duì)原始光線投射體繪制算法進(jìn)行了加速改進(jìn)，極大地降低了計(jì)算量。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一、二、三或四的進(jìn)一步說(shuō)明，具體實(shí)施方式
一、二、三或四中在步驟三中，計(jì)算心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的每條投射光線T所穿過(guò)的每個(gè)體元素的梯度的方法為中心差分法，利用中心差分法獲得每個(gè)體元素的梯度 Dx＝[f(x-1，y，z)-f(x+1，y，z)]/2 Dy＝[f(x，y-1，z)-f(x，y+1，z)]/2 Dz＝[f(x，y，z-1)-f(x，y，z+1)]/2 Dx，y，z＝[Dx，Dy，Dz] 其中，Dx表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中在(x，y，z)坐標(biāo)處的體元素在x方向的梯度，Dy表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中在(x，y，z)坐標(biāo)處的體元素在y方向的梯度，Dz表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中在(x，y，z)坐標(biāo)處的體元素在z方向的梯度，f(x，y，z)表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中在(x，y，z)坐標(biāo)處的體元素的光強(qiáng)度。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一、二、三、四或五的進(jìn)一步說(shuō)明，具體實(shí)施方式
一、二、三、四或五中在步驟四中，根據(jù)Phone光照模型，獲得在光照下心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S中的每個(gè)體元素的亮度的方法為 步驟四一獲得每個(gè)體元素的環(huán)境反射亮度值IH＝KcIc，其中Kc為環(huán)境反射系數(shù)，Ic為環(huán)境光強(qiáng)度； 步驟四二獲得每個(gè)體元素的漫反射亮度值

其中，Kd為漫反射系數(shù)，Icd為當(dāng)光線垂直入射時(shí)反射光強(qiáng)度，

為入射方向上的單位向量，

為反射點(diǎn)表面的法線方向的單位向量； 步驟四三獲得每個(gè)體元素的鏡面反射亮度值

其中，Ijs為鏡面反射光強(qiáng)度，Ks是物體表面的鏡面反射系數(shù)，

表示視線方向和反射方向之間的夾角的余弦，m表示會(huì)聚指數(shù)； 步驟四四根據(jù)每個(gè)體元素的環(huán)境反射亮度值IH、每個(gè)體元素的漫反射亮度值IM和每個(gè)體元素的鏡面反射亮度值IJ獲得每個(gè)體元素在光照下的亮度I＝IH+IM+IJ。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一、二、三、四、五或六的進(jìn)一步說(shuō)明，具體實(shí)施方式
一、二、三、四、五或六中在步驟六中，對(duì)每條投射光線T所穿過(guò)的每個(gè)非體元素進(jìn)行采樣差值計(jì)算，獲得所述每個(gè)非體元素的不透明度值和顏色值的方法為以投射光線T上每一個(gè)非體元素為中心，獲得包含所述非體元素在內(nèi)的立方體的8個(gè)頂點(diǎn)的體元素的坐標(biāo)，并根據(jù)所述8個(gè)體元素的顏色值，使用三次線性插值法根據(jù)公式 Vp＝V0(1-x)(1-y)(1-z)+V1(1-x)y(1-z)+V2(1-x)(1-y)z+V3(1-x)yz+V4x(1-y)(1-z)+V5xy(1-z)+V6x(1-y)z+V7xyz 獲得每個(gè)非體元素的不透明度值和顏色值，其中，Vp表示非體元素的不透明度值或顏色值，VN表示體元素的不透明度值或顏色值，N＝0、1、2、3、4、5、6、7。
本實(shí)施方式中的三次線性差值原理，如圖4所示。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一、二、三、四、五、六或七的進(jìn)一步說(shuō)明，具體實(shí)施方式
一、二、三、四、五、六或七中在步驟七中，根據(jù)每條投射光線T上的每個(gè)采樣點(diǎn)D的顏色值和不透明度值，并根據(jù)由前向后合成函數(shù)對(duì)所述每個(gè)采樣點(diǎn)D進(jìn)行合成，獲得像平面上對(duì)應(yīng)每條投射光線T的像素點(diǎn)顏色值的方法為通過(guò)由前向后合成函數(shù) αout＝αin+αnow(1-αin) Coutαout＝Cinαin+Cnowαnow(1-αin) ，獲得每條投射光線T經(jīng)過(guò)第i個(gè)采樣點(diǎn)D后的顏色值Cout＝Ci和經(jīng)過(guò)第i個(gè)采樣點(diǎn)D后的不透明度值αout＝αi，并獲得每條投射光線T在像平面上的像素點(diǎn)顏色值C， 其中，αnow表示每條投射光線T上第i個(gè)采樣點(diǎn)D的不透明度值，Cnow表示第i個(gè)采樣點(diǎn)D的顏色值，αin表示進(jìn)入第i個(gè)采樣點(diǎn)D時(shí)的不透明度值，Cin表示進(jìn)入第i個(gè)采樣點(diǎn)D時(shí)的顏色值，C0表示初始顏色值，Ci表示第i個(gè)體元素的顏色值，αi表示第i個(gè)體元素的不透明度值，βi表示第i個(gè)體元素的透明度值，且有βi＝1-αi。
本實(shí)施方式中的由前向后合成方法的原理，如圖5所示。
針對(duì)本實(shí)施方式，進(jìn)行實(shí)例分析 本實(shí)施方式中，利用半自動(dòng)化的手段從胸腔切片中提取出心臟部分作為心臟三維體數(shù)據(jù)集空間S，切片圖像如圖6所示，并進(jìn)一步按照心臟組織類別將其分為心室、心房等不同區(qū)域，切片圖像分割結(jié)果如圖7所示。
本實(shí)施方式中，計(jì)算投射到二維圖像平面的每一行起始像素和終止像素位置的坐標(biāo) 1)計(jì)算世界坐標(biāo)系，物體坐標(biāo)系以及圖像坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣； 2)計(jì)算繪制圖像的長(zhǎng)寬大??； 3)將體數(shù)據(jù)的包圍盒投射到圖像平面，計(jì)算出投影后所占的空間范圍及圖像大小； 4)對(duì)投影到二維圖像平面的每一行像素，計(jì)算每一行的起始像素和終止像素位置的坐標(biāo)。
本實(shí)施方式中，計(jì)算對(duì)應(yīng)于投射到二維圖像平面每個(gè)像素點(diǎn)的射線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)坐標(biāo)，并計(jì)算出單位采樣間距 1)分別得到圖像平面坐標(biāo)系中近平面和遠(yuǎn)平面的兩個(gè)中心點(diǎn)； 2)計(jì)算并標(biāo)準(zhǔn)化中心射線的方向向量； 3)遍歷二維投影空間范圍內(nèi)的每一個(gè)像素點(diǎn)，計(jì)算圖像空間中射線起始點(diǎn)和終止點(diǎn)坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換為物體空間中的坐標(biāo)； 4)計(jì)算射線方向并歸一化射線，得到射線的單位向量； 5)計(jì)算物體空間坐標(biāo)系下的采樣距離，使得每個(gè)采樣間距相等。
本實(shí)施方式中，利用原始的光線投射體繪制算法的原理，如圖2所示，相應(yīng)的利用原始的光線投射體繪制算法的原理流程，如圖3所示。
本實(shí)施方式中，基于原始的光線投射體繪制算法獲得了四個(gè)角度的心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果圖像，如圖8、圖9、圖10和圖11所示。
本實(shí)施方式中，獲得了心臟組織內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)果圖像前向示意圖，如圖12所示，以及心臟組織內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)果圖像后向示意圖，如圖13所示。
本實(shí)施方式中，在第一個(gè)角度的利用加速改進(jìn)后的光線投射體繪制算法繪制的心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果圖像，如圖14所示，在第二個(gè)角度的利用加速改進(jìn)后的光線投射體繪制算法繪制的心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果圖像，如圖15所示。
本發(fā)明成功地利用了光線投射體繪制算法，以光強(qiáng)度、梯度屬性作為參數(shù)，構(gòu)造出適合心臟數(shù)據(jù)的不透明度傳遞函數(shù)，對(duì)心臟體元素賦不透明度值，對(duì)心臟內(nèi)部不同組織進(jìn)行分類，顯示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留心臟內(nèi)部細(xì)節(jié)信息。采用Phone光照模型，逼真的模擬在真實(shí)世界中光線落在心臟上而產(chǎn)生的陰影、光線的發(fā)散和吸收等狀態(tài)，同時(shí)構(gòu)造顏色傳遞函數(shù)，將心臟體元素的灰度強(qiáng)度映射為顏色，從而達(dá)到繪制具有較強(qiáng)真實(shí)感物體的目的，提高心臟三維解剖模型的繪制質(zhì)量。對(duì)繪制方法進(jìn)行加速改進(jìn)，增強(qiáng)心臟解剖模型繪制的實(shí)時(shí)性。
權(quán)利要求
1.基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，其特征在于它的具體過(guò)程為
步驟一獲得心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)，并根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)在像平面的投射區(qū)域(L)；
步驟二分別從投射區(qū)域(L)的每個(gè)像素點(diǎn)出發(fā)，沿著視線方向發(fā)射一條投射光線(T)，在每條投射光線(T)方向上按設(shè)定步長(zhǎng)選取采樣點(diǎn)(D)，所述采樣點(diǎn)(D)包括體元素和非體元素，并對(duì)所述體元素以三維坐標(biāo)(x，y，z)進(jìn)行表示；
步驟三在每條投射光線(T)穿過(guò)心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)的過(guò)程中，計(jì)算心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中的每條投射光線(T)所穿過(guò)的每個(gè)體元素的梯度；
步驟四根據(jù)光照模型，獲得在光照下心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中的每個(gè)體元素的亮度；
步驟五根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算每個(gè)體元素的不透明度值和顏色值；
步驟六在每條投射光線(T)穿過(guò)心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)的過(guò)程中，對(duì)每條投射光線(T)所穿過(guò)的每個(gè)非體元素進(jìn)行采樣插值計(jì)算，獲得所述每個(gè)非體元素的不透明度值和顏色值；
步驟七根據(jù)每條投射光線(T)上的每個(gè)采樣點(diǎn)(D)的顏色值和不透明度值，并根據(jù)由前向后合成函數(shù)對(duì)所述每個(gè)采樣點(diǎn)(D)進(jìn)行合成，獲得像平面上對(duì)應(yīng)每條投射光線(T)的像素點(diǎn)顏色值；
步驟八根據(jù)像平面上每個(gè)像素點(diǎn)顏色值繪制心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，其特征在于在步驟五中，根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算每個(gè)體元素的不透明度值和顏色值的方法為
步驟五一一以心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中的每個(gè)體元素的亮度屬性和梯度屬性作為參數(shù)，構(gòu)造不透明度傳遞函數(shù)，獲得對(duì)應(yīng)體元素的不透明度值，所述梯度屬性包括梯度值和梯度方向；
步驟五一二構(gòu)造顏色傳遞函數(shù)，并依據(jù)心臟三體數(shù)據(jù)集空間中的體元素的灰度強(qiáng)度獲得所述體元素的顏色值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，其特征在于在步驟五一一中，以心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中的每個(gè)體元素的亮度屬性和梯度屬性作為參數(shù)，構(gòu)造不透明度傳遞函數(shù)，獲得心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中的每個(gè)體元素的不透明度值的方法為構(gòu)造不透明度傳遞函數(shù)
其中，fv表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中每一組織內(nèi)大于或等于相應(yīng)組織梯度閾值的體元素的光強(qiáng)度，所述組織包括心室和心房，如果將梯度值歸一化為
，則梯度閾值為0.8，r表示第i個(gè)體元素與光強(qiáng)度為fv的體元素的距離最大值，
表示光強(qiáng)度為Ii的體元素i的梯度值，αi(r，fv)是第i個(gè)體元素的不透明度值，當(dāng)Ii＝fv時(shí)，αi(r，fv)＝1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，其特征在于在步驟五中，根據(jù)光線投射體繪制算法，計(jì)算每個(gè)體元素的不透明度值和顏色值的方法為
步驟五二一將心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)按照心臟組織類別進(jìn)行分類，同時(shí)將每類心臟組織中的體元素分為組織內(nèi)部體元素和組織邊界體元素；
步驟五二二將心臟三體數(shù)據(jù)集空間中的一類心臟組織的組織內(nèi)部體元素的灰度強(qiáng)度設(shè)定為一指定值，所述指定值大于與所述心臟組織相應(yīng)的灰度值范圍，并使心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中的同類心臟組織的組織邊界體元素的灰度強(qiáng)度保持不變；
步驟五二三構(gòu)造顏色傳遞函數(shù)，依據(jù)每個(gè)組織邊界體元素的灰度強(qiáng)度計(jì)算每個(gè)組織邊界體元素的顏色值，同時(shí)依據(jù)每類心臟組織的組織內(nèi)部體元素的特定值計(jì)算每類心臟組織的每個(gè)組織內(nèi)部體元素的顏色值；
步驟五二四在每條投射光線(T)穿過(guò)心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)的過(guò)程中，將每類心臟組織的每個(gè)組織內(nèi)部體元素的不透明度值設(shè)置為0，同時(shí)以每個(gè)組織邊界體元素的亮度屬性和梯度屬性作為參數(shù)，構(gòu)造不透明度傳遞函數(shù)，獲得心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中的每個(gè)組織邊界體元素的不透明度值，梯度屬性包括梯度值和梯度方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，其特征在于在步驟三中，計(jì)算心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中的每條投射光線(T)所穿過(guò)的每個(gè)體元素的梯度的方法為中心差分法，利用中心差分法獲得每個(gè)體元素的梯度
Dx＝[f(x-1，y，z)-f(x+1，y，z)]/2
Dy＝[f(x，y-1，z)-f(x，y+1，z)]/2
Dz＝[f(x，y，z-1)-f(x，y，z+1)]/2
Dx，y，z＝[Dx，Dy，Dz]
其中，Dx表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中在(x，y，z)坐標(biāo)處的體元素在x方向的梯度，Dy表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中在(x，y，z)坐標(biāo)處的體元素在y方向的梯度，Dz表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中在(x，y，z)坐標(biāo)處的體元素在z方向的梯度，f(x，y，z)表示心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中在(x，y，z)坐標(biāo)處的體元素的光強(qiáng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，其特征在于在步驟四中，根據(jù)Phone光照模型，獲得在光照下心臟三維體數(shù)據(jù)集空間(S)中的每個(gè)體元素的亮度的方法為
步驟四一獲得每個(gè)體元素的環(huán)境反射亮度值IH＝KcIc，其中Kc為環(huán)境反射系數(shù)，Ic為環(huán)境光強(qiáng)度；
步驟四二獲得每個(gè)體元素的漫反射亮度值
其中，Kd為漫反射系數(shù)，Icd為當(dāng)光線垂直入射時(shí)反射光強(qiáng)度，
為入射方向上的單位向量，
為反射點(diǎn)表面的法線方向的單位向量；
步驟四三獲得每個(gè)體元素的鏡面反射亮度值
其中，Ijs為鏡面反射光強(qiáng)度，Ks是物體表面的鏡面反射系數(shù)，
表示視線方向和反射方向之間的夾角的余弦，m表示會(huì)聚指數(shù)；
步驟四四根據(jù)每個(gè)體元素的環(huán)境反射亮度值IH、每個(gè)體元素的漫反射亮度值IM和每個(gè)體元素的鏡面反射亮度值IJ獲得每個(gè)體元素在光照下的亮度I＝IH+IM+IJ。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，其特征在于在步驟六中，對(duì)每條投射光線(T)所穿過(guò)的每個(gè)非體元素進(jìn)行采樣插值計(jì)算，獲得所述每個(gè)非體元素的不透明度值和顏色值的方法為以投射光線(T)上每一個(gè)非體元素為中心，獲得包含所述非體元素在內(nèi)的立方體的8個(gè)頂點(diǎn)的體元素的坐標(biāo)，并根據(jù)所述8個(gè)體元素的顏色值，使用三次線性插值法根據(jù)公式
Vp＝V0(1-x)(1-y)(1-z)+V1(1-x)y(1-z)+V2(1-x)(1-y)z+V3(1-x)yz
+V4x(1-y)(1-z)+V5xy(1-z)+V6x(1-y)z+V7xyz
獲得每個(gè)非體元素的不透明度值和顏色值，其中，Vp表示非體元素的不透明度值或顏色值，VN表示體元素的不透明度值或顏色值，N＝0、1、2、3、4、5、6、7。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，其特征在于在步驟七中，根據(jù)每條投射光線(T)上的每個(gè)采樣點(diǎn)(D)的顏色值和不透明度值，并根據(jù)由前向后合成函數(shù)對(duì)所述每個(gè)采樣點(diǎn)(D)進(jìn)行合成，獲得像平面上對(duì)應(yīng)每條投射光線(T)的像素點(diǎn)顏色值的方法為通過(guò)由前向后合成函數(shù)
αout＝αin+αnow(1-αin)
Coutαout＝Cinαin+Cnowαnow(1-αin)
，獲得每條投射光線(T)經(jīng)過(guò)第i個(gè)采樣點(diǎn)(D)后的顏色值Cout＝Ci和經(jīng)過(guò)第i個(gè)采樣點(diǎn)(D)后的不透明度值αout＝αi，并獲得每條投射光線(T)在像平面上的像素點(diǎn)顏色值C，
其中，αnow表示每條投射光線(T)上第i個(gè)采樣點(diǎn)(D)的不透明度值，Cnow表示第i個(gè)采樣點(diǎn)(D)的顏色值，αin表示進(jìn)入第i個(gè)采樣點(diǎn)(D)時(shí)的不透明度值，Cin表示進(jìn)入第i個(gè)采樣點(diǎn)(D)時(shí)的顏色值，C0表示初始顏色值，Ci表示第i個(gè)體元素的顏色值，αi表示第i個(gè)體元素的不透明度值，βi表示第i個(gè)體元素的透明度值，且有βi＝1-αi。
全文摘要
基于光線投射體繪制算法的人體心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化方法，它涉及人體心臟三維解剖模型可視化方法。它解決了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)心臟解剖組織結(jié)構(gòu)模型可視化的問(wèn)題，本發(fā)明為一，獲得心臟三維體數(shù)據(jù)集；二，選取采樣點(diǎn)；三，計(jì)算心臟三維體數(shù)據(jù)集空間中的每個(gè)體元素的梯度；四，獲得在光照下心臟三維體數(shù)據(jù)集空間中的每個(gè)體元素的亮度；五，計(jì)算每個(gè)體元素的不透明度值和顏色值；六，獲得每個(gè)非體元素的不透明度值和顏色值；七，獲得像平面上對(duì)應(yīng)每條投射光線的像素點(diǎn)顏色值；八，根據(jù)像平面上每個(gè)像素點(diǎn)顏色值繪制心臟三維解剖組織結(jié)構(gòu)模型圖像。本發(fā)明為達(dá)到對(duì)心臟結(jié)構(gòu)外觀和行為功能的精確模擬奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101794460SQ20101012030
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者王寬全, 楊飛, 左旺孟, 袁永峰, 張宏志 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)