專利名稱：用于借助光線投影有效地編輯三維體積的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于借助光線投影(Ray Casting)有效地改變?nèi)S體積的一種方法和
一種裝置。
背景技術(shù)：
本發(fā)明屬于體繪制(Volume Rendering)、即三維身體或?qū)ο蟮拿枥L(Darstellung)或可視化的領(lǐng)域。三維對(duì)象的建模、重建或可視化在醫(yī)學(xué)(例如CT、PET、MR、超聲波)、物理(例如大分子的電子結(jié)構(gòu))或地理(地層的特性和位置)領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用范圍。典型地，借助電磁波或聲波照射待檢查的對(duì)象，以檢查其特性。探測(cè)散射的射線并且從探測(cè)的值中確定身體的特征。通常地，結(jié)果是物理參數(shù)(例如密度、組織成分的分量、彈性、速度)，對(duì)于身體確定該參數(shù)的值。在此，通常使用虛擬的柵格，在其柵格點(diǎn)上確定參數(shù) 的值。這些柵格點(diǎn)或在這些位置上的參數(shù)的值通常表示為體素。通常將這些體素以所謂的灰度值的形式呈現(xiàn)。借助體繪制，在二維顯示面(例如監(jiān)視器)上從體素中產(chǎn)生檢查的對(duì)象或身體的三維描繪。在此，從體素中產(chǎn)生所謂的像素(通常具有從體素中通過(guò)插值獲得的對(duì)象點(diǎn)的中間級(jí))，從像素中合成二維圖像顯示的圖像。為了在二維顯示器上可視化三維，通常進(jìn)行所謂的阿爾法合成(Alpha-Compositing)或者阿爾法分解(Alpha-Zerlegung)。在這些標(biāo)準(zhǔn)方法中，體素或從體素形成的體積點(diǎn)被賦予顏色以及透明度值，更精確來(lái)說(shuō)是用于不透明度的值或阻光度(通常用英語(yǔ)Opacity表示，其表示身體的不同層的透明性或遮蓋力(Deckkraft))0更具體地，一個(gè)對(duì)象點(diǎn)通常對(duì)應(yīng)于以對(duì)顏色分量紅、綠和藍(lán)編碼的(所謂的RGB值)三元組形式的三個(gè)顏色、和對(duì)不透明性進(jìn)行參數(shù)化的所謂的阿爾法值。這些參數(shù)綜合形成顏色值RGBA，其與其它的對(duì)象點(diǎn)的顏色值(通常借助所謂的阿爾法混合(AlphaBlending)為了可視化部分透明的對(duì)象)組合或混合為用于像素的顏色值。為了賦予合適的顏色值，通常利用照明模型工作。該照明模型在為了可視化而對(duì)對(duì)象建模的或模擬的照明情況下考慮燈光效果(通常是對(duì)象的表面上的燈光的反射；在此可以是檢查的對(duì)象的外表面或內(nèi)部層的表面)。文獻(xiàn)中有一系列被應(yīng)用的照明模型。常用的例如有Phong模型或Blinn-Phong模型。用于體繪制的最常用的方法中的一種是所謂的Ray-Casting (光線投影)或者說(shuō)模擬用于描繪或可視化身體的光照。在Ray-Casting中，將從虛擬觀察者的眼睛出發(fā)的虛擬光線，發(fā)送通過(guò)檢查的身體或檢查的對(duì)象。沿著光線，從體素確定對(duì)于采樣點(diǎn)(Abtastpunkt)的RGBA值，并且借助阿爾法合成或阿爾法混合合成為用于二維圖像的像素。在此，通常借助上面提到的照明模型中的一個(gè)在稱為“陰影法(Shading)”的方法的范圍內(nèi)考慮照明效果。為了更好研究利用體繪制描繪的對(duì)象的特征，通常需要合適地調(diào)整對(duì)象的描繪。具體來(lái)說(shuō)，可以修改或影響在顯示器上顯示的對(duì)象的描繪，例如通過(guò)對(duì)對(duì)象的部分著色、去除或放大。對(duì)于這樣的操作在英語(yǔ)的專業(yè)文獻(xiàn)中還使用體編輯和分割的概念。體編輯涉及諸如裁剪(Clipping)、裁切(Cropping)和沖孔(Punching)的干預(yù)。分割允許對(duì)對(duì)象結(jié)構(gòu)、例如顯示的身體部位的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。在分割過(guò)程中例如對(duì)對(duì)象組成部分著色或去除。直接體編輯(Direct Volume Editing)的概念涉及借助于諸如筆刷(brushes)、鑿(chisels)、鉆(drills)或刀(knifes)等虛擬工具交互編輯或影響對(duì)象描繪。例如用戶可以借助于鼠標(biāo)或其它觸覺(jué)或按其它工作原理的輸入裝置通過(guò)著色或切除對(duì)象部分來(lái)交互地修改在監(jiān)視器上顯示的對(duì)象的圖像。在這樣處理所顯示的對(duì)象時(shí)，修改對(duì)象圖像的所計(jì)算的像素經(jīng)常是不夠的，而是必須進(jìn)行像素的重新計(jì)算。S卩，在諸多這樣的操作(著色、裁剪，…)中必須在每個(gè)修改的情況下重新進(jìn)行體繪制。然后對(duì)對(duì)于體繪制所使用的體數(shù)據(jù)進(jìn)行該操作。為此的一種方法由BUrger等人在[I]中提出。該方法使得可以通過(guò)直接編輯復(fù)制的體積來(lái)操作描繪。存在對(duì)借助光線投影來(lái)操作對(duì)象的描繪的靈活的低開(kāi)銷的方法的需求，其中，與 公知的方法相比應(yīng)該主要降低存儲(chǔ)、計(jì)算和帶寬要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，允許借助光線投影來(lái)有效地修改三維體積(對(duì)象)的描繪。按照本發(fā)明提出，對(duì)于借助光線投影對(duì)三維體積或?qū)ο蟮拿枥L的修改(著色、裁剪等)引入?yún)^(qū)域并且在所涉及的區(qū)域和相關(guān)的修改之間進(jìn)行對(duì)應(yīng)。在將體積劃分為區(qū)域或單元時(shí)這些區(qū)域或單元優(yōu)選地相應(yīng)于體積的如下空間點(diǎn)在這些空間點(diǎn)給出表征了對(duì)象的參數(shù)的值。所述參數(shù)例如是諸如借助測(cè)量所確定或重建的密度值。有意義的是，然后對(duì)于每個(gè)空間點(diǎn)精確確定一個(gè)區(qū)域，即，在該優(yōu)選的解決方案中對(duì)于每個(gè)這樣的空間點(diǎn)或?qū)τ诿總€(gè)體素精確地定義一個(gè)區(qū)域。例如，可以借助參數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)描繪的待進(jìn)行的修改的輸入。例如，在此通過(guò)待修改的體積和對(duì)于體積待執(zhí)行的描繪修改來(lái)定義該修改。該描繪修改例如可以借助傳輸函數(shù)、RGBA值或阻光度值或其組合來(lái)編碼。待修改的體積可以由體積片段組合而成。通過(guò)參數(shù)，諸如邊緣點(diǎn)和半徑，然后可以確定單個(gè)的片段和由此確定體積。在確定修改之后，確定由修改所涉及的區(qū)域。在此，標(biāo)準(zhǔn)可以是在區(qū)域和待修改的體積之間的非空的交集。如果一個(gè)區(qū)域由修改所涉及，則修改被歸類為對(duì)于該區(qū)域是相關(guān)的。按照本發(fā)明進(jìn)行在涉及的區(qū)域和相關(guān)的修改之間的對(duì)應(yīng)。在此，優(yōu)選地至少對(duì)于所涉及的區(qū)域分別給出一個(gè)信息，該信息對(duì)于各個(gè)區(qū)域確定一批相關(guān)修改。該對(duì)應(yīng)可以借助列表來(lái)實(shí)現(xiàn)。該列表例如向區(qū)域分配標(biāo)識(shí)了相關(guān)的改變的指數(shù)。在此，還可以僅一個(gè)修改是相關(guān)的或者沒(méi)有修改是相關(guān)的。按照一種構(gòu)造，對(duì)每個(gè)區(qū)域給出最大指數(shù)和最小指數(shù)，其被這樣選擇，使得所有相關(guān)指數(shù)位于通過(guò)這兩個(gè)指數(shù)作為邊界給出的指數(shù)區(qū)間。即，通過(guò)指數(shù)的循環(huán)采集所有相關(guān)修改。最后，借助模擬的光線進(jìn)行光線投影，其中對(duì)于沿著光線的采樣點(diǎn)僅當(dāng)采樣點(diǎn)位于所涉及的區(qū)域中時(shí)才進(jìn)行修改。為此目的，可以對(duì)于一個(gè)采樣點(diǎn)首先確定該采樣點(diǎn)所位于其中的區(qū)域。對(duì)于采樣點(diǎn)的光線投影值的計(jì)算，對(duì)修改的考慮限于對(duì)于所述區(qū)域作為相關(guān)而對(duì)應(yīng)的修改。
通過(guò)本發(fā)明，光線投影的執(zhí)行在描繪的體積的修改過(guò)程中在著色或去除層的過(guò)程中更有效。對(duì)于采樣值的計(jì)算僅須檢查并且必要時(shí)考慮有限集合的修改，其中該集合還可以包括一個(gè)元素或沒(méi)有元素。由此可以實(shí)現(xiàn)極大的開(kāi)銷降低。按照一種擴(kuò)展，進(jìn)行多個(gè)修改并且對(duì)于所涉及的區(qū)域分別分配所有相關(guān)修改。在此，如果進(jìn)行后面的第二修改(通過(guò)所述第二修改，第一修改在區(qū)域的描繪中不再可見(jiàn))，則第一修改被歸類為對(duì)于一個(gè)區(qū)域不再相關(guān)。對(duì)于不再相關(guān)的修改，解除在修改和區(qū)域之間的對(duì)應(yīng)。該工作方式例如考慮了如下情況，在該情況中，后面的修改完全覆蓋區(qū)域，使得較早的在描繪中不再起作用。本發(fā)明還包括一種用于執(zhí)行按照本發(fā)明的光線投影的裝置。


以下借助附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施方式。附圖中，圖I示出了光線投影方法的原理圖2示出了借助參數(shù)輸入待修改的區(qū)域
圖3示出了通過(guò)參數(shù)輸入的劃線圖4示出了借助參數(shù)定義的片段圖5示出了細(xì)分為區(qū)域的體積和在按照本發(fā)明的繪制框架內(nèi)對(duì)其的描繪圖6示出了用于按照本發(fā)明的方法的流程7示出了用于執(zhí)行按照本發(fā)明的方法的硬件結(jié)構(gòu)
具體實(shí)施例方式以下假定，對(duì)于體積或由該體積包圍的待描繪的對(duì)象獲得一種表示(Reprasentation )。該表示由表征該對(duì)象的值組成,所述值與體積的空間點(diǎn)(體素)對(duì)應(yīng)。在醫(yī)學(xué)成像中所述值首先以所謂的灰度值形式呈現(xiàn)，其表示在各自的空間點(diǎn)上的密度的度量。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中灰度值相應(yīng)于通過(guò)測(cè)量獲得的檢查的組織的密度值。典型地，這些測(cè)量利用X射線、核自旋斷層造影、超聲波等進(jìn)行。然后借助光線投影來(lái)進(jìn)行對(duì)對(duì)象的描繪。圖I示出了如目前使用的光線投影方法的原理。從虛擬的眼睛11發(fā)送光線通過(guò)虛擬的圖像平面12的每個(gè)像素。該光線的點(diǎn)在體積或?qū)ο驩的內(nèi)部在離散的位置(第一位置13)上被采樣。然后多個(gè)采樣值被組合成一個(gè)最終的像素顏色。對(duì)于對(duì)象O的組合的出發(fā)點(diǎn)借助通過(guò)所謂的傳輸函數(shù)獲得的RGBA值。然后，可以通過(guò)觀察者或用戶來(lái)改變隨后在監(jiān)視器上所顯示的對(duì)象。修改用于更好描繪對(duì)象的特征。為此目的，例如可以對(duì)于對(duì)象的區(qū)域進(jìn)行著色、透光的修改或細(xì)化。為此目的原則上必須給出兩個(gè)信息A.待修改的范圍B.修改的種類待修改的范圍優(yōu)選地借助通過(guò)部分地直接(例如借助計(jì)算機(jī)鼠標(biāo))輸入的參數(shù)來(lái)定義。在圖2和3中示出了可能的工作方式。用戶或使用者為了輸入而利用輸入裝置(例如計(jì)算機(jī)鼠標(biāo))在顯示的圖像上描述劃線。該劃線被記錄，即，輸入裝置的位置被檢測(cè)。替換地，用戶在劃線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)點(diǎn)擊并且該點(diǎn)擊被采集。該劃線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)被賦予對(duì)應(yīng)地在監(jiān)視器上示出的對(duì)象的表面上的點(diǎn)。即，通過(guò)一條劃線定義兩個(gè)通常位于對(duì)象的表面上的點(diǎn)Pl和P2。只要保持輸入模式(其相應(yīng)于鼠標(biāo)鍵的按下)，則可以依次進(jìn)行多個(gè)劃線，以便修改對(duì)象的相應(yīng)區(qū)域，其中兩個(gè)相互緊跟著的點(diǎn)分別定義一個(gè)線段。在此，優(yōu)選地將輸入的信息立即借助繪制轉(zhuǎn)換到對(duì)象的相應(yīng)修改的描繪。在監(jiān)視器上(通過(guò)對(duì)對(duì)象的相應(yīng)的繪制)同時(shí)調(diào)整圖像描繪具有如下優(yōu)點(diǎn)用戶在輸入時(shí)可以直接獲得可視的反饋并且可以將其用于進(jìn)一步的輸入。為了完整確定地待修改的范圍，使用距離標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)相應(yīng)的輸入，或者定義單個(gè)點(diǎn)、(具有邊沿點(diǎn)Pl和P2的)線段，或者定義多個(gè)線段。對(duì)于按照所述表示給出了其RGBA值的點(diǎn)，計(jì)算到相應(yīng)的點(diǎn)集(點(diǎn)、片段或多個(gè)片段)的最小距離。在圖2中對(duì)于通過(guò)Pl和P2定義的線段(點(diǎn)P，P=Pl+u* (P2-P1), u屬于[O, I])示出了這點(diǎn)。對(duì)于點(diǎn)Pl_最小距離(I1是至Ij片段上的點(diǎn)P的距離。在此，可以從以下條件確定具有最小距離的點(diǎn)P :通過(guò)P和PImba引導(dǎo)的直線垂直于通過(guò)Pl和P2定義的線片段。利用矢量的內(nèi)積可以將該條件表達(dá)為(PIkm-P)*(P2-P1)=0。方程P=Pl+u*(P2-Pl)代入到該關(guān)系并且對(duì)u求解于是得到Umin= (PIegba-P) *(P2-P1)/(P2-P1)**2。然后，通過(guò)點(diǎn)PIioa和P的距離給出距離(I1，其中通過(guò)Umin確定P(P=PI+umin* (P2-P1))。對(duì)于點(diǎn)P2KeBA和P3KeBA，最小的距離d2和d3是到片段的終點(diǎn)Pl及P2的距離。對(duì)于多個(gè)片段，通過(guò)到各個(gè)片段的最小距離中的最小值確定最小距離。結(jié)果是在這些片段的區(qū)域內(nèi)對(duì)對(duì)象的描繪的修改。這點(diǎn)在圖3中對(duì)于兩種情況示出。上面示出了一個(gè)由六個(gè)線段產(chǎn)生的對(duì)一個(gè)區(qū)域的著色，下面示出了一個(gè)由兩個(gè)線段組成的著色。在此，使用不同的最大距離(dl (MAX)以及d2 (MAX))，這導(dǎo)致著色區(qū)域的不同寬度。可以按照現(xiàn)存的要求調(diào)整該寬度。還可以考慮的是，獨(dú)立于寬度地修改區(qū)域的深度。例如，可以通過(guò)距離標(biāo)準(zhǔn)定義光線投影算法的、對(duì)于其進(jìn)行RGBA值調(diào)整的光線。對(duì)于其進(jìn)行調(diào)整的光線(從表面出發(fā))的長(zhǎng)度可以按照其它標(biāo)準(zhǔn)得到。該標(biāo)準(zhǔn)可以是距離標(biāo)準(zhǔn)。但是有意義的還可以是，進(jìn)行調(diào)整，直到發(fā)生組織改變，即，沿著光線調(diào)整對(duì)于一個(gè)組織類型的RGBA值。這點(diǎn)對(duì)于在輸入的位置上去除組織層是有幫助的。用于在點(diǎn)Pkm上改變或修改RGBA值的標(biāo)準(zhǔn)是，最小距離小于最大距離d (MAX)。對(duì)描繪的修改可以利用RGBA值來(lái)編碼。視RGBA值的改變的不同，對(duì)一個(gè)(例如由多個(gè)子片段組成的)區(qū)域進(jìn)行著色、變透明或去除。在著色的情況下例如可以預(yù)先給出RBG值，利用該RGB值例如通過(guò)相加、相減、相乘或代入修改各個(gè)RGBA值。另一種可能性在于，對(duì)于該區(qū)域預(yù)先給出特殊的傳遞函數(shù)。在此必須進(jìn)行整個(gè)范圍的統(tǒng)一的修改。例如可以使用“模糊筆刷(Fuzzy-Pinsel)”。S卩，在范圍邊緣的地方產(chǎn)生流暢過(guò)渡的效果。這樣的效果可以通過(guò)如下來(lái)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)范圍內(nèi)部執(zhí)行的修改不均勻地進(jìn)行。圖4示出了片段41，其是借助筆刷劃線修改的范圍的部分。該片段借助兩個(gè)點(diǎn)Pl和P2定義，所述點(diǎn)規(guī)定了中心線42，該中心線確定了片段長(zhǎng)度。通過(guò)半徑43，定義了作為點(diǎn)的片段的整個(gè)伸展，其到中心線42的垂直距離小于或等于半徑43。在繪制中，通過(guò)該片段來(lái)模擬光線。示例性畫(huà)出了光線44。沿著該光線44，在光線投影的框架內(nèi)計(jì)算RGBA值并且組合為一個(gè)像素。畫(huà)出了對(duì)于該計(jì)算的位置45。對(duì)于該位置的RGBA值的計(jì)算通過(guò)筆刷劃線來(lái)修改。該修改取決于對(duì)于筆刷劃線預(yù)先給出的參數(shù)(例如RGBA值、傳輸函數(shù))。該修改此外還可以取決于位置45，例如在“模糊筆刷”的情況下。在該范圍內(nèi)部的點(diǎn)通?？梢晕ㄒ坏乩萌齻€(gè)參數(shù)來(lái)確定，例如到中心線42的垂直距離46、中心線42上的垂直投影的位置47和合適地定義的角度48。修改(例如RGBA-值、傳輸函數(shù))現(xiàn)在可以是這些參數(shù)(垂直距離56、位置47和角度48)的函數(shù)，例如用于產(chǎn)生在范圍邊緣區(qū)域中的柔和過(guò)渡。因?yàn)槲恢?5位于修改的范圍內(nèi)部，所以在光線投影的情況下進(jìn)行修改。通常在模擬光線的情況下對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)檢查，是否并且必要時(shí)要進(jìn)行哪個(gè)修改。該過(guò)程與極大開(kāi)銷相關(guān)。通過(guò)按照本發(fā)明的過(guò)程，在此使得該方法更有效。將待描繪的體積劃分為(通常三維的)區(qū)域。在此，優(yōu)選地對(duì)每個(gè)為表示對(duì)象而使用的空間點(diǎn)或體素精確定義一個(gè)區(qū)域。通過(guò)修改而被涉及的所述區(qū)域在輸入或確定修改的過(guò)程中被標(biāo)記或表示。在多個(gè)修改的情況下這些標(biāo)記按照一種擴(kuò)展精確地指對(duì)于區(qū)域來(lái)說(shuō)是相關(guān)的修改。在此，如果一個(gè)區(qū)域的至少一個(gè)部分與修改的范圍重疊，則修改對(duì)于該區(qū)域是相關(guān)的。以下為簡(jiǎn)化起見(jiàn)假定，修改分別具有指數(shù)并且標(biāo)記通過(guò)指數(shù)列表給出，其中給一個(gè)區(qū)域分別分配一個(gè)最小(第一)和最大(最后)指數(shù)。在通過(guò)這兩個(gè)指數(shù)定義的指數(shù)范圍中的修改被認(rèn)為是對(duì)于相應(yīng)的區(qū)域是相關(guān) 的。僅具有一個(gè)相關(guān)修改的區(qū)域具有相應(yīng)的指數(shù)并且沒(méi)有相關(guān)修改的區(qū)域被分配指數(shù)零。該過(guò)程在以下結(jié)合圖5以二維示出，這是相對(duì)于按照三維的通常情況的簡(jiǎn)化。圖5給出一個(gè)柵格，其定義了區(qū)域或單元。在此是32X23=736個(gè)單元，其中，引入水平和垂直的指數(shù)用于標(biāo)識(shí)單元(水平O. . . 31，垂直O(jiān). . . 22)。示例性地示出了單元54，為其分配了指數(shù)元組(0，2)。此外還示出了第一范圍或第一筆刷劃線55 (以下也稱為范圍)。該范圍55由單個(gè)片段(在具體情況中是6個(gè))組成。單個(gè)片段分別通過(guò)兩個(gè)點(diǎn)和一個(gè)半徑來(lái)定義。示例性對(duì)于一個(gè)片段的點(diǎn)具有附圖標(biāo)記551和552。半徑具有附圖標(biāo)記56。該第一范圍55分配了范圍指數(shù)I (劃線I)。示出了后面進(jìn)行的第二劃線57，其由兩個(gè)片段組成并且相應(yīng)于一個(gè)具有范圍指數(shù)2的范圍。示例性地又給出兩個(gè)點(diǎn)571和572和一個(gè)半徑58。對(duì)于單個(gè)區(qū)域此時(shí)區(qū)分5種不同情況，對(duì)于所述情況分別示例性說(shuō)明一個(gè)區(qū)域。各自的區(qū)域這樣選擇，使得其在圖中表示的光線53透過(guò)相應(yīng)的區(qū)域。首先存在與劃線I和2都沒(méi)有交集的區(qū)域，如區(qū)域60 (指數(shù)元組(16，20))。這些區(qū)域在圖中為白色。這樣的區(qū)域分別得到指數(shù)O作為最大和最小范圍指數(shù)。此外，存在(部分灰色表示的)僅與劃線I具有交集的區(qū)域。這樣的區(qū)域得到對(duì)于劃線I的指數(shù)I作為最小和最大范圍指數(shù)。作為例子，具有指數(shù)元組(11，4)的區(qū)域或單元具有附圖標(biāo)記61。然后，還存在僅與第二劃線具有交集的區(qū)域。這樣的區(qū)域例如用附圖標(biāo)記62來(lái)表示(指數(shù)元組(19，14))。對(duì)于這些區(qū)域，范圍指數(shù)的最小值和最大值等于2，即，僅要考慮劃線2。第四類是如下區(qū)域，所述區(qū)域既與第一劃線又與第二劃線具有交集，其中第二劃線完整覆蓋所述區(qū)域。在該實(shí)施例中假定，分別最后的或最近的劃線完全確定范圍的修改。即，最早的劃線對(duì)于描繪不再起作用。在圖5的情況下此時(shí)第二劃線對(duì)于區(qū)域是相關(guān)的，其雖然與第一劃線具有交集，但是完全通過(guò)第二劃線覆蓋。這樣的區(qū)域通過(guò)附圖標(biāo)記63 (指數(shù)元組(18，12))表示。為該區(qū)域同樣分配指數(shù)2作為最小值和最大值，即，在此在繪制的情況下考慮通過(guò)劃線2完成的修改。在此在進(jìn)行第二劃線2時(shí)進(jìn)行指數(shù)更新。因?yàn)樵谑┘觿澗€2之前對(duì)于區(qū)域63的指數(shù)列表通過(guò)最小值和最大值I給出，因?yàn)榕c第一劃線的交集是非空的。在施加第二劃線時(shí)考慮，通過(guò)完整覆蓋，劃線I是不相關(guān)的并且其在對(duì)于相應(yīng)的區(qū)域的指數(shù)列表中不再被考慮。在此插入，通過(guò)更后面的劃線完整覆蓋不一定意味著，更早的劃線是不相關(guān)的。這例如可以在“描繪筆刷”的情況下，即，在在邊緣處模糊和減弱的劃線輪廓的情況下就是這樣。在使用這樣的描繪劃線的情況下考慮，在邊緣重疊的情況下考慮兩個(gè)或多個(gè)劃線，即，例如更早的劃線還透過(guò)更后面的劃線的邊緣閃現(xiàn)(durchschimmert)。但是對(duì)于結(jié)合圖5的解釋沒(méi)有假定該更復(fù)雜的情況。最后，在圖5中還存在區(qū)域的第五類(例如區(qū)域64，指數(shù)元組(16，10))對(duì)于所述區(qū)域，兩個(gè)劃線是相關(guān)的。在該情況下，與兩個(gè)劃線的交集是非空的并且同時(shí)第二劃線不完全覆蓋所述區(qū)域。在這種情況下，對(duì)于計(jì)算考慮用于范圍對(duì)應(yīng)的指數(shù)最小值I和指數(shù)最大值2，即，兩個(gè)劃線(范圍)。以下結(jié)合區(qū)域60至64 (分別一條劃線53通過(guò)這些區(qū)域)來(lái)描述，對(duì)于在按照本發(fā)明的方法中在相應(yīng)區(qū)域中的采樣點(diǎn)的繪制相對(duì)于通常的繪制如果改變。對(duì)于區(qū)域60中的采樣點(diǎn)將對(duì)于相應(yīng)區(qū)域的采樣點(diǎn)(即區(qū)域60)被標(biāo)識(shí)并且通過(guò)指數(shù)表找到所屬的作為O的指數(shù)。當(dāng)區(qū)域與體素對(duì)應(yīng)時(shí)，相關(guān)區(qū)域的標(biāo)識(shí)在繪制中是特別簡(jiǎn)單的。因?yàn)閷?duì)于采樣點(diǎn) 的RGBA值的計(jì)算使用相關(guān)體素值。一般地可以借助在區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)體素之間的對(duì)應(yīng)來(lái)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。找到的指數(shù)O說(shuō)明，可以不考慮修改地進(jìn)行繪制。在區(qū)域62中的采樣點(diǎn)的情況下，指數(shù)最小值和最大值分別是2，從而對(duì)于相應(yīng)的采樣值考慮與劃線2相關(guān)的修改(例如傳輸函數(shù))。在區(qū)域63的情況下具有相同結(jié)果，S卩，重新考慮區(qū)域2。在區(qū)域64中的采樣值的情況下通過(guò)指數(shù)表確定，劃線I和2是相關(guān)的。然后，首先確定劃線的范圍中的采樣點(diǎn)是否是2。如果是，則對(duì)劃線2進(jìn)行相應(yīng)修改。否則檢查，在采樣點(diǎn)是否落在劃線I的范圍中并且在這種情況下進(jìn)行相應(yīng)修改。這可以擴(kuò)展到多個(gè)劃線，即，在一串劃線相應(yīng)于如其進(jìn)行的(同時(shí)的順序)順序的情況下，從最高的指數(shù)開(kāi)始到最低的分別查詢，采樣點(diǎn)是否落在范圍中并在這種情況下進(jìn)行相應(yīng)的修改并且然后結(jié)束查詢。最后還存在區(qū)域61的情況。對(duì)于區(qū)域61，最小值和最大值分別等于I。區(qū)域61部分地通過(guò)劃線I的范圍覆蓋。在此檢查，采樣點(diǎn)是否落在劃線I的范圍中并且在這種情況下進(jìn)行修改。以這種方式可以非常有效地進(jìn)行對(duì)劃線或修改的考慮。特別地，在多個(gè)劃線的情況下可以極大降低處理開(kāi)銷，因?yàn)橥ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單查詢可以確定，采樣點(diǎn)是否改變并且必要時(shí)要考慮哪些修改。圖6綜合地示出了本發(fā)明的原理。在步驟I中將體積劃分為區(qū)域。第二步驟2包括輸入待執(zhí)行的修改(例如手動(dòng)地借助輸入裝置)。在隨后的步驟3中確定由修改所涉及的區(qū)域。如果一個(gè)區(qū)域由該修改所涉及，則將該修改精確地認(rèn)為是對(duì)于該區(qū)域是相關(guān)的(步驟4)。在此基礎(chǔ)上，建立相關(guān)的修改和涉及的區(qū)域的對(duì)應(yīng)(步驟5)。在光線投影中使用該對(duì)應(yīng)，方法是，僅對(duì)于涉及的區(qū)域進(jìn)行重新計(jì)算(步驟6)，由此極大降低計(jì)算開(kāi)銷?？梢岳斫獾氖?，本發(fā)明可以以不同的硬件、軟件、固件、特殊用途處理器或它們的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地可以在具有OpenGUopen graphics language開(kāi)放圖形語(yǔ)言)和OpenGLShading (開(kāi)放圖形語(yǔ)言陰影)語(yǔ)言的GPU (圖形處理單元)上實(shí)現(xiàn)。在一種實(shí)施方式中，本發(fā)明可以在軟件中作為應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。該應(yīng)用程序可以上傳到具有任意合適的結(jié)構(gòu)的機(jī)器上并且可以在該機(jī)器上執(zhí)行。參考圖7，按照本發(fā)明的一種實(shí)施方式，用于基于GPU的光線投影算法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)401除了別的之外，可以具有中央處理單元(CPU)402、存儲(chǔ)器403、輸入/輸出(E/A)接口404。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)401 —般地通過(guò)E/A接口 404與顯示裝置405和不同的輸入裝置406、例如鼠標(biāo)或鍵盤(pán)耦合。附加電路可以包括諸如高速緩存、電源、時(shí)鐘電路和通信母線等電路。存儲(chǔ)器403可以是讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁帶驅(qū)動(dòng)器等或其組合。本發(fā)明可以作為在存儲(chǔ)器403中存儲(chǔ)的并且由CPU 402執(zhí)行的例程407被執(zhí)行，用以處理信號(hào)源408的信號(hào)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)401還包括圖形處理單元(GPU)409，用于處理圖形指令，例如，用于處理具有圖像數(shù)據(jù)的信號(hào)源408。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)401本身是普通的多用途計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行本發(fā)明的程序407時(shí)，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)變成特殊用途計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)平臺(tái)401還包括操作系統(tǒng)和微命令代碼。在此描述的不同的方法和功能或者可以是微命令代碼的部分或者是由操作系統(tǒng)運(yùn)行的應(yīng)用程序的部分(或它們的組合)。此外不同的其它外圍設(shè)備、例如附加的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置和打印裝置可以連接到該計(jì)算機(jī)平臺(tái)。此外可以理解的是，因?yàn)樵诟綀D中示出的各個(gè)系統(tǒng)組件和方法步驟中的一些可以在軟件中執(zhí)行，因此取決于編程本發(fā)明的方式，在系統(tǒng)組件之間的(或者在處理步驟之間的)實(shí)際的連接可能不同。通過(guò)在此提供的本發(fā)明給出的教導(dǎo)，相關(guān)技術(shù)人員能夠考慮本發(fā)明的類似實(shí)施方式或配置?！け景l(fā)明不限于所述實(shí)施例。特別是可以想到的是，該方法可以應(yīng)用于與醫(yī)學(xué)技術(shù)完全不同的領(lǐng)域中的虛擬顯示。例如在經(jīng)濟(jì)和商業(yè)以及計(jì)算機(jī)游戲領(lǐng)域中的產(chǎn)品的可視化。[I]K. Biirgerj J. Kriigerj R. Westermannj “Direct Volume Editing，，，IEEETransactions on Visualization and Computer Graphics (Proceedings of IEEEVisualization 2008)
權(quán)利要求
1.ー種借助光線投影來(lái)有效地修改三維體積的描繪的方法，包括 -將所述體積劃分為區(qū)域， -輸入對(duì)描繪待執(zhí)行的改變， -確定由修改所涉及的區(qū)域， -如果ー個(gè)區(qū)域由修改所涉及，則該修改被歸類為對(duì)于該區(qū)域是相關(guān)的，并且 -進(jìn)行在所涉及的區(qū)域和相關(guān)修改之間的對(duì)應(yīng)， -借助模擬的光線進(jìn)行光線投影， 其中，對(duì)于沿著光線的采樣點(diǎn)僅當(dāng)所述采樣點(diǎn)位于所涉及的區(qū)域中時(shí)才進(jìn)行修改。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，如果各自的區(qū)域與待修改的體積具有非空的交集，則所述區(qū)域被歸類為所涉及的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在干， -進(jìn)行多個(gè)修改，并且 -對(duì)于所涉及的區(qū)域分別分配所有相關(guān)修改， -如果進(jìn)行后面的第二修改，通過(guò)所述第二修改第一修改在ー個(gè)區(qū)域的描繪中不再可見(jiàn)，則第一修改被歸類為對(duì)于該區(qū)域不再相關(guān)，并且-解除在第一修改和所述區(qū)域之間的對(duì)應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在干， -能夠借助列表來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)，所述列表為區(qū)域分配指數(shù)，所述指數(shù)標(biāo)識(shí)了相關(guān)的修改，并且 -對(duì)于每個(gè)區(qū)域給出最大指數(shù)和最小指數(shù)，這樣選擇這些指數(shù)，使得相關(guān)修改的所有指數(shù)位于通過(guò)這兩個(gè)指數(shù)作為邊界給出的指數(shù)區(qū)間中。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在干， -對(duì)于修改，定義待修改的體積， -如果進(jìn)行后面的第二修改，而該第二修改的體積完全包含ー個(gè)區(qū)域，則第一修改不再被歸類為對(duì)于該區(qū)域是相關(guān)的，并且 -解除在第一修改和所述區(qū)域之間的對(duì)應(yīng)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述指數(shù)對(duì)于所涉及的區(qū)域分別給出ー個(gè)信息，所述信息對(duì)于各自的區(qū)域確定ー批相關(guān)的修改。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，特定于區(qū)域的信息被存儲(chǔ)在列表中。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在干， -在體積的空間點(diǎn)上給出ー個(gè)表征了對(duì)象的參數(shù)的值，并且 -對(duì)于每個(gè)空間點(diǎn)精確地確定ー個(gè)區(qū)域。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)待修改的體積和對(duì)于該體積要執(zhí)行的描繪修改來(lái)定義修改。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，能夠借助參數(shù)來(lái)輸入待修改的體積。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述描繪修改涉及顏色值和/或阻光度值。
12.一種用于執(zhí)行按照權(quán)利要求I至11中任一項(xiàng)所述的方法的裝置，其被構(gòu)造為用于執(zhí)行以下功能 -將所述體積劃分為區(qū)域， -輸入對(duì)描繪的待執(zhí)行的修改， -確定由該修改所涉及的區(qū)域， -如果ー個(gè)區(qū)域由該修改所涉及，則該修改被歸類為對(duì)于該區(qū)域是相關(guān)的，并且 -進(jìn)行在涉及的區(qū)域和相關(guān)修改之間的對(duì)應(yīng)，和 -借助模擬的光線進(jìn)行光線投影，其中，對(duì)于沿著光線的采樣點(diǎn)僅當(dāng)該采樣點(diǎn)位于所涉及的區(qū)域中時(shí)才進(jìn)行修改。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括功能模塊，其中每個(gè)功能對(duì)應(yīng)于一個(gè)功能模塊。
14.一種用于執(zhí)行按照權(quán)利要求I至12中任一項(xiàng)所述的方法的計(jì)算機(jī)程序。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種借助光線投影來(lái)有效地修改三維體積的描繪的方法，包括將體積劃分為區(qū)域，輸入對(duì)描繪待執(zhí)行的改變，確定由修改所涉及的區(qū)域，如果一個(gè)區(qū)域由修改所涉及，則修改被歸類為對(duì)于該區(qū)域是相關(guān)的，并且進(jìn)行在涉及的區(qū)域和相關(guān)修改之間的對(duì)應(yīng)，并且借助模擬的光線進(jìn)行光線投影，其中對(duì)于沿著光線的采樣點(diǎn)僅當(dāng)采樣點(diǎn)位于涉及的區(qū)域中時(shí)才進(jìn)行修改。本發(fā)明允許在借助著色或去除影響的體積描繪進(jìn)行繪制的情況下的極大的資源節(jié)省。
文檔編號(hào)G06T15/08GK102855656SQ20121017982
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者K.恩格爾 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司