基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法

2023-09-10 07:03:35 1

基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法
【專利摘要】本發明公開一種基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，步驟為：(1)讀入體數據，根據兩維傳遞函數空間所需的兩個屬性值對每個體素計算，並由此構造該傳遞函數空間；(2)為得到完整的感興趣結構並消除分水嶺算法的過分割問題，首先在步驟(1)構建的傳遞函數空間設置傳遞函數分類器組件並確定感興趣結構的數目，然後自動地修正原始體數據的灰度值；(3)對修正的體數據，基於其灰度值採用分水嶺算法得到分類結果，從而將重疊於兩維傳遞函數空間中的感興趣結構同時識別出來。本發明原理簡單、便於理解，且易於在現有的兩位傳遞函數空間和可視化系統中實現。
【專利說明】基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於計算機圖形學中的三維可視化領域，具體地，涉及一種識別體數據中感興趣結構的新方法，即基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法。
【背景技術】
[0002]伴隨著新的影像採集技術(例如:CT、MRI和PET等)在臨床醫學上的應用，產生了大量的醫學體數據，為了更好的輔助醫生處理和分析這些三維數據，需要有新的數據分析和可視化方法。直接體繪製(Direct Volume Rendering)是一種可以顯示組織內部結構的三維可視化方法。因為其最終繪製結果的每個像素值是由該像素向體數據投射一條光線上的所有體素的光學屬性值(顏色值和阻光度值)累積產生的，即不是只有結構表面上的體素對其有貢獻而是整個體數據的體素對繪製結果都是有影響的。所以直接體繪製可以為醫生提供更加豐富的組織內部的結構信息和周圍組織的空間信息，從而為醫生對疾病的診斷提供了更好的依據。因為直接體繪製方法在分析和可視化醫學體數據的有效性和實用性，所以它是一種值得科研人員深入研究的可視化方法。
[0003]而傳遞函數(Transfer Function)可以指定體數據中體素的光學屬性(例如，顏色值和阻光度值):顏色值可以直觀的顯示不同的感興趣結構，阻光度值決定體數據中體素的透明度。所以傳遞函數決定了體繪製的最終繪製結果，其作為體繪製中的一個難點也是一個熱點，得到越來越多世界各國的科研人員的研究。
[0004]由於兩維傳遞函數空間不僅擁有直觀的交互界面利於用戶的理解，而且具有較好的識別體數據中感興趣結構的能力，因此她是作為一種實用的傳遞函數空間應用於醫學數據的分析和可視化中。現在常用的兩維空間有=Kindlmann et.al提出的基於灰度-梯度幅值兩維空間，Haidach et.al提出的基於統計量的兩維空間，Scrcda et.al的LH空間等等。但由於醫學數據中結構的複雜性，只有兩個屬性的兩維傳遞函數空間有時無法很好識別出感興趣結構。所以為增強傳遞函數空間的識別和分類能力，越來越大的新屬性值(例如距離、尺度和形狀描述子等)被引入到傳遞函數空間中構造高維傳遞函數空間。但隨著空間維數的增加，如何直觀的表示高維信息以利於用戶交互是必須面對的一個難題，而對不同類型的醫學數據如何選擇屬性值也是一個值得研究的問題。
[0005]雖然兩維傳遞函數空間具有直觀的交互界和較好的識別能力，但兩維空間中每個像素的亮度值是由體數據中包含該屬性對的體素的個數所決定，所以當不同的結構在傳遞函數空間有著相似的區域時，就無法直接通過設置傳遞函數將其識別出。例如圖5(a)中一個模擬數據，包含2個在空間上相連的球狀結構O1和O2，如果要利用兩維傳遞函數將其分開，則它們必須在空間中對應兩個『拱形』結構，但由於這兩個結構具有相同的屬性信息，所以被投影到傳遞函數空間的同一位置(圖5(b))，因此無法通過設置傳遞函數將其分開。通過發明人研究發現:位於結構內的體素其灰度值是相近的甚至相等的，而位於空間相連結構的邊界處的灰度值是低於構成該邊界的兩種組織的灰度值，形成一種『V』型的灰度分布(如圖4所示)，這是體數據中相連結構的灰度值的一個局部特徵。
【發明內容】

[0006]為提高傳統的兩維傳遞函數空間對感興趣結構的識別能力，本發明提出一種基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，在不增加空間維數的前提下，可以取得高維傳遞函數的分類效果。依據感興趣結構中體素的灰度值分布特性，採用基於灰度值的分水嶺算法識別出重疊於兩維傳遞函數空間的感興趣結構，又因為分水嶺算法對體素的灰度值過於敏感，容易過分割感興趣結構，因此本發明根據用戶設置的傳遞函數和確定的感興趣結構的個數自動修正原始體數據的灰度值來消除這個問題。
[0007]為實現上述的目的，本發明採用的技術方案是:首先在兩維傳遞函數空間設置傳遞函數並確定感興趣結構的數目，然後自動修正原始體數據的灰度值，根據修正之後的灰度值利用分水嶺算法對屬於用戶設置的傳遞函數的體素進行分類，從而可以自動地識別出重疊於兩維傳遞函數空間的感興趣結構。通過繪製識別出來的不同的感興趣結構，可以消除不感興趣結構對其的遮擋以及它們之間的相互遮擋。
[0008]本發明所述基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其步驟如下:
[0009](I)讀入體數據:根據兩維傳遞函數空間所需的兩個屬性值對每個體素計算，並由此構造該傳遞函數空間。
[0010]在本步驟中，根據兩維傳遞函數空間所需的兩個屬性值對體數據中的每個體素計算其所需的兩個屬性值X和1，然後由此構成兩維傳遞函數空間。而兩維空間中的每個像素的亮度值lhistogM(x，y)是由體數據中同時具有這兩個屬性值的體素的個數Inum(x，y)取對數得到的:
【權利要求】
1.一種基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)讀入體數據，根據兩維傳遞函數空間所需的兩個屬性值對每個體素計算，並由此構造該傳遞函數空間； (2)為得到完整的感興趣結構並消除分水嶺算法的過分割問題，首先在步驟(1)構建的傳遞函數空間設置傳遞函數分類器組件並確定感興趣結構的數目，然後自動地修正原始體數據的灰度值； (3)對經過步驟(2)修正的體數據，基於其灰度值採用分水嶺算法得到分類結果，從而將重疊於兩維傳遞函數空間中的感興趣結構同時識別出來，即通過單獨顯示識別出的感興趣結構來消除其他不感興趣結構的遮擋，或者通過對識別出的不同結構的任意組合顯示來消除這些結構之間的彼此遮擋。
2.根據權利要求1所述的基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於所述的步驟(1)中兩維傳遞函數空間的每個像素的亮度值是由滿足該屬性值對的體素的個數的對數決定的。
3.根據權利要求1所述的基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於所述的步驟(2)中在設置傳遞函數的分類器組件時，為得到令人滿意的感興趣結構的繪製結果，用戶在傳遞函數空間設置不同形狀的分類組件，然後通過不斷的調節該組件並觀察由於傳遞函數的改變而繪製出的新結果，從而確定最終的傳遞函數。
4.根據權利要求3所述的基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於所述的步驟(2)中用戶設置傳遞函數時，需要確定感興趣結構的數目，為自動修正體數據的灰度值提供終止條件。
5.根據權利要求4所述的基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於所述的步驟(2)中自動修正原始體數據的灰度值時，依據用戶設置的傳遞函數和確定的感興趣結構數目，查找一個使這些感興趣結構彼此分開的灰度值。
6.根據權利要求1-5所述的基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於所述的步驟(2)中自動修正原始體數據的灰度值時，遍歷整個體數據，對不屬於用戶設置的傳遞函數的體素將其灰度值設置為O，否則灰度值不變，在後續處理中只考慮屬於用戶設置的傳遞函數範圍內的體素。
7.根據權利要求6所述的基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於所述的步驟(2)中對於經過修正的體數據，遍歷該體數據，對既屬於用戶設置的傳遞函數又不小於查找到的灰度值的體素將其設置為255，否則灰度值保持不變，目的是為了將這些彼此分開的感興趣結構的體素作為局部極大值，使這些體素位於分水嶺算法中的水源位置，從而消除分水嶺算法的過分割現象。
8.根據權利要求6所述的基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於所述的步驟(3)中對修正以後的體數據的灰度值取反，然後利用分水嶺算法將這些重疊於兩維傳遞函數空間中的感興趣結構同時識別出來。
9.根據權利要求6所述的基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於所述的步驟(3)中所採用的分水嶺算法時，是利用體素的26鄰域的連通性進行的。
10.根據權利要求1所述的基於兩維傳遞函數的自動識別重疊結構的體繪製方法，其特徵在於所述的步驟(3)中為消除其他不感興趣的結構的遮擋只顯示感興趣的結構，將這些不感興趣結構的阻光度設置為O;所述的步驟(3)中為消除感興趣結構彼此之間的遮擋時，將遮擋的感興趣 結構的阻光度設置為O，從而只顯示被遮擋住的感興趣結構。
【文檔編號】G06T17/30GK103914880SQ201410097100
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2014年3月14日
【發明者】宋沂鵬, 楊傑 申請人:上海交通大學