一種基于各向異性結(jié)構(gòu)張量的三維數(shù)據(jù)增強(qiáng)可視化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于各向異性結(jié)構(gòu)張量的三維體數(shù)據(jù)增強(qiáng)可視化方法，其步驟為：步驟（1）、結(jié)構(gòu)張量的計算；步驟（2）、三維體數(shù)據(jù)局部方向的計算；步驟（3）、自適應(yīng)四面體劃分；步驟（4）、能量函數(shù)的設(shè)計。該方法與現(xiàn)有方法相比，具有更高的效率。
【專利說明】一種基于各向異性結(jié)構(gòu)張量的三維數(shù)據(jù)增強(qiáng)可視化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維體數(shù)據(jù)的可視化的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于各向異性結(jié)構(gòu)張量的三維體數(shù)據(jù)增強(qiáng)可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維體數(shù)據(jù)的可視化在醫(yī)學(xué)研究、三維重建、仿真設(shè)計中有很廣泛地應(yīng)用。當(dāng)在有限分辨率的顯示設(shè)備上顯示體數(shù)據(jù)時，人們希望在放大焦點區(qū)域時也能觀察到全局?jǐn)?shù)據(jù)的信息。因此有研究者提出了 Focus+Context可視化方法,它能在放大Focus區(qū)域的同時能保留整體數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息。而為了增強(qiáng)Focus區(qū)域的細(xì)節(jié)信息，必需壓縮Context區(qū)域以留出更多空間。實際應(yīng)用中人們希望形變后的結(jié)果能給用戶一種操作真實三維物體的感覺。因此，形變結(jié)果應(yīng)該很好地保留體數(shù)據(jù)中物體的形狀和結(jié)構(gòu)信息。
[0003]在體數(shù)據(jù)的可視化研究中，一些研究者通過扭曲或者覆蓋Context區(qū)域來突顯Focus區(qū)域。Viola等(參見文獻(xiàn)[I] 1.Viola, A.Kanitsar, M.E.Grollerj Importance-Driven Volume Rendering，In:Proceedings Of The ConferenceOn Visualization, IEEE Computer Society, 2004，Pp.139 - 146.)提出一種重要性驅(qū)動的自動Focus+Context體數(shù)據(jù)繪制方法。該方法根據(jù)轉(zhuǎn)換方程將體數(shù)據(jù)的可見性作為體數(shù)據(jù)的重要性。并且在繪制時要求非關(guān)鍵區(qū)域不能遮擋重要區(qū)域。Wang等(參見文獻(xiàn)[2]Y.-S.Wang, C.Wang, T.-Y.Leej K.-L.Maj Feature-Preserving Volume Data Reduction AndFocus+Context Visualization, IEEE Transactions On Visualization And Computer Graphics, Vol.17，N0.2，Pp.171 - 181，2011.)用六面體風(fēng)格均勻劃分體數(shù)據(jù)，并用轉(zhuǎn)換方程計算各個單元六面體的重要值。然后構(gòu)建一個全局能量函數(shù)放大Focus區(qū)域，同時保留Context區(qū)域的內(nèi)容。
[0004]大部分現(xiàn)有的Focus+Context方法僅計算各個單元體的重要值，而沒有考慮到體數(shù)據(jù)中內(nèi)容的形狀信息。本發(fā)明在形變的過程中，將體數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)信息作為重要程度的一部分?；谶@個想法，該發(fā)明實現(xiàn)了一個新穎的Focus+Context可視化方法,該方法能以結(jié)構(gòu)敏感的方式實現(xiàn)對體數(shù)據(jù)各向同性或各向異性的放大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:實現(xiàn)了一個新穎的Focus+Context可視化方法,該方法能以結(jié)構(gòu)敏感的方式實現(xiàn)對體數(shù)據(jù)各向同性或各向異性的放大。首先，逐體素地計算三維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)張量，用結(jié)構(gòu)張量求得體數(shù)據(jù)的局部切方向，并將相鄰區(qū)域中具有相同切方向的體素聚類成一個子物體。然后，自適應(yīng)的將三維體數(shù)據(jù)劃分成四面體網(wǎng)格，這樣重要區(qū)域中的四面體網(wǎng)格更加稠密。這樣ROI (Region of Interest)區(qū)域的放大可視化的問題就轉(zhuǎn)換成一個不規(guī)則網(wǎng)格變換的問題。這個問題可以通過構(gòu)造一個最優(yōu)化的能量函數(shù)來解決，在這個能量函數(shù)中用一個帶方向的縮放因子來體現(xiàn)子物體的各向異性方向。本發(fā)明的主要創(chuàng)新點是:(I)用基于四面體的結(jié)構(gòu)張量各向異性地放大三維體數(shù)據(jù)。(2)定義一個全局的能量函數(shù)放大三維體數(shù)據(jù)中的ROI區(qū)域，同時保留三維體數(shù)據(jù)的拓?fù)湫畔⒑徒Y(jié)構(gòu)信
肩、O
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于各向異性結(jié)構(gòu)張量的三維體數(shù)據(jù)增強(qiáng)可視化方法，包括以下四個步驟:
[0007]步驟(I)、結(jié)構(gòu)張量的計算:給定三維體數(shù)據(jù)，首先在每個體素點計算結(jié)構(gòu)張量，并將其最大特征值對應(yīng)的特征向量設(shè)為該點的法線方向；
[0008]步驟(2)、三維體數(shù)據(jù)局部方向的計算:由步驟(I)中的法線構(gòu)建一個最優(yōu)化方程，該方程能寫成一個協(xié)方差矩陣的形式，對該協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，其最小特征值對應(yīng)的特征向量即為相應(yīng)點的局部切線方向向量，再將相鄰部分中有相同切線方向的體素聚類，并定義其為一個子物體；
[0009]步驟(3)、自適應(yīng)四面體劃分:首先用均勻劃分的四面體網(wǎng)格，再將每個四面體內(nèi)部每個體素點不透明度的累加和，再用該四面體的體積除，將其歸一化到[0，I]，記為該四面體的權(quán)重；網(wǎng)格中每個控制點的權(quán)重是其周圍四面體權(quán)重的平均值，每條邊的權(quán)重是其兩個端點權(quán)重的平均值，給定目標(biāo)網(wǎng)格中控制點的數(shù)量，用一個循環(huán)，每次去除一個控制點，具體做法為:每次從現(xiàn)有邊的集合中選取權(quán)重最小的邊，并將這條邊的兩個端點合并；
[0010]步驟(4)、能量函數(shù)的設(shè)計:將這些四面體當(dāng)作形變模型，為每個四面體設(shè)置了一個權(quán)重和縮放方向，這個縮放問題能夠用一個基于網(wǎng)格頂點的線性最優(yōu)化公式來體現(xiàn)，優(yōu)化這個公式能放大ROI區(qū)域，同時壓縮周圍的非關(guān)鍵區(qū)域，在得到變換后的網(wǎng)格頂點后，通過插值得到最后的變換結(jié)果，構(gòu)建的基于三維網(wǎng)格控制點的能量函數(shù)能用一個稀疏的線性系統(tǒng)來解決。
[0011]因此該發(fā)明的算法非常高效并且支持實時的交互操作。
[0012]本發(fā)明的原理在于:
[0013](I)通過結(jié)構(gòu)張量來計算梯度，得到的梯度不僅有一個方向，而且能有一個大小。利用這些梯度可以得出局部數(shù)據(jù)的切線方向。
[0014](2)合并相鄰區(qū)域中具有相似切線方向的體素點，并將其定義為一個子物體。
[0015](3)為了對三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行放大處理，先構(gòu)造一個均勻劃分的六面體網(wǎng)格，再進(jìn)一步將該六面體網(wǎng)格劃分為四面體網(wǎng)格。對非關(guān)鍵區(qū)域的頂點進(jìn)行合并，使得非關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格變得比較稀疏，而關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格盡可能不改變。
[0016](4)為了對三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，該發(fā)明構(gòu)造了自適應(yīng)的四面體網(wǎng)格。將三維體數(shù)據(jù)的放大問題轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格形變問題。再構(gòu)造出能量函數(shù)來求最優(yōu)化問題。得到形變四面體網(wǎng)格各個頂點位置后，再通過三線性插值即可構(gòu)造出形變后的三維數(shù)據(jù)。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有點在于:
[0018]1、本發(fā)明提出的基于結(jié)構(gòu)張量的各向異性放大方法，與現(xiàn)有的方法相比，不但能統(tǒng)一地放大ROI區(qū)域，還能各向異向地放大。對于管狀區(qū)域，可以沿著或垂直于切線方向進(jìn)行放大。對于具有明顯局部方向的區(qū)域，可以在不同的方向設(shè)置不同的縮放因子。
[0019]2、對比已有的方法，本發(fā)明將原始三維體數(shù)據(jù)劃分為四面體網(wǎng)格并且用雅可比矩陣來表示它的形變。與六面體網(wǎng)格相比，四面體網(wǎng)格操作起來更加靈活。如圖4所示，通過雅可比矩陣，可以清楚地知道局部特征是如何變化得，并且可以避免自交叉。
[0020]3、本發(fā)明提出的能量函數(shù)能轉(zhuǎn)化為一個線性問題，所以與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明具有更高的效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明基于各向異性結(jié)構(gòu)張量的三維體數(shù)據(jù)增強(qiáng)可視化方法的總體處理流程圖。
[0022]圖2為基于結(jié)構(gòu)張量的局部切方向示意圖；其中(a)初始體數(shù)據(jù)；(b)梯度方向；(C)切方向；
[0023]圖3為用切平面計算切方向過程示意圖。
[0024]圖4為自適應(yīng)四面體合并示意圖；其中(a)為初始四面體網(wǎng)格；(b)為合并選取頂點后產(chǎn)生的自適應(yīng)四面體網(wǎng)格；
[0025]圖5為均勻網(wǎng)格與自適應(yīng)四面體網(wǎng)格及其各自效果對比圖；其中(a)初始均勻網(wǎng)絡(luò)；(b) (a)變換后的結(jié)果；(c)基于網(wǎng)格(b)的體數(shù)據(jù)結(jié)果；(d) (c)中局部細(xì)節(jié)；(e)初始自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)；(f) (e)變換后的結(jié)果；(g)基于網(wǎng)絡(luò)(f)的體數(shù)據(jù)結(jié)果；(h) (g)中局部細(xì)節(jié)；
[0026]圖6為腳骨數(shù)據(jù)放大效果圖；其中(a)初始體數(shù)據(jù)、ROI區(qū)域及形變方向；(b)形
變結(jié)果；
[0027]圖7為盆景數(shù)據(jù)放大效果圖；其中(a)初始體數(shù)據(jù)；(b)形變結(jié)果。
【具體實施方式】
[0028]圖1給出了基于各向異性結(jié)構(gòu)張量的三維體數(shù)據(jù)增強(qiáng)可視化方法的總體處理流程圖，下面結(jié)合其他附圖及【具體實施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0029]1.局部特征提取
[0030]在體數(shù)據(jù)的可視化中，最常用的特征指定方法是根據(jù)轉(zhuǎn)換方程，用不同的顏色和不透明度區(qū)分不同灰度的數(shù)據(jù)。該發(fā)明也采用類似的方法，不同的是，該發(fā)明還考慮了局部張量場并且支持各向異性的ROI區(qū)域放大。體數(shù)據(jù)中不可見的體素對整個體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的影響較小，所以在提取結(jié)構(gòu)特征時可以不考慮這部分?jǐn)?shù)據(jù)。給定體數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換方程，首先去除掉不透明度小于0.1的體素點，這樣能明顯地減少計算量。隨后計算剩余點的結(jié)構(gòu)張量，并將體素點表示為:R1 = (Pi, nj ,其中Pi表示第i個體素點的位置，Iii表示該點處的結(jié)構(gòu)張量的最大特征對應(yīng)的特征向量?，F(xiàn)在需要估算體數(shù)據(jù)中管狀結(jié)構(gòu)的切線方向。受Li (參見文獻(xiàn)[3]G.Li, L.Liu, H.Zheng, N.J.Mitra, Analysis, Reconstruction And ManipulationUsing Arterial Snakes, ACM Transactions On Graphics, Vol.29, N0.5Pp.1 - 102010.)的啟發(fā)，該發(fā)明用切平面的方式來計算局部管狀結(jié)構(gòu)的切方向。如圖2、3所示。給定點i，要計算經(jīng)過點i，與i周圍管狀結(jié)構(gòu)垂直相交的平面Pi。先選取點i周圍一定范圍的點的集合
f，并列出最優(yōu)化方程
【權(quán)利要求】
1.一種基于各向異性結(jié)構(gòu)張量的三維體數(shù)據(jù)增強(qiáng)可視化方法，其特征在于包括以下四個步驟: 步驟(I)、結(jié)構(gòu)張量的計算:給定三維體數(shù)據(jù)，首先在每個體素點計算結(jié)構(gòu)張量，并將其最大特征值對應(yīng)的特征向量設(shè)為該點的法線方向； 步驟(2)、三維體數(shù)據(jù)局部方向的計算:由步驟(I)中的法線構(gòu)建一個最優(yōu)化方程，該方程能寫成一個協(xié)方差矩陣的形式，對該協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，其最小特征值對應(yīng)的特征向量即為相應(yīng)點的局部切線方向向量，再將相鄰部分中有相同切線方向的體素聚類，并定義其為一個子物體； 步驟(3)、自適應(yīng)四面體劃分:首先用均勻劃分的四面體網(wǎng)格，再將每個四面體內(nèi)部每個體素點不透明度的累加和，再用該四面體的體積除，將其歸一化到[O，I]，記為該四面體的權(quán)重；網(wǎng)格中每個控制點的權(quán)重是其周圍四面體權(quán)重的平均值，每條邊的權(quán)重是其兩個端點權(quán)重的平均值，給定目標(biāo)網(wǎng)格中控制點的數(shù)量，用一個循環(huán)，每次去除一個控制點，具體做法為:每次從現(xiàn)有邊的集合中選取權(quán)重最小的邊,并將這條邊的兩個端點合并； 步驟(4)、能量函數(shù)的設(shè)計:將這些四面體當(dāng)作形變模型，為每個四面體設(shè)置了一個權(quán)重和縮放方向，這個縮放問題能夠用一個基于網(wǎng)格頂點的線性最優(yōu)化公式來體現(xiàn)，優(yōu)化這個公式能放大ROI區(qū)域，同時壓縮周圍的非關(guān)鍵區(qū)域，在得到變換后的網(wǎng)格頂點后，通過插值得到最后的變換結(jié)果，構(gòu)建的基于三維網(wǎng)格控制點的能量函數(shù)能用一個稀疏的線性系統(tǒng)來解決。
【文檔編號】G06T19/20GK103700146SQ201310628828
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月1日
【發(fā)明者】李帥, 謝偉, 郝愛民 申請人:北京航空航天大學(xué)