專利名稱：對借助體繪制顯示的對象的描繪的交互地修改的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于影響可借助體繪制顯示的三維對象的描繪的方法和裝置。
技術(shù)背景
本發(fā)明屬于體繪制領域、即三維身體或?qū)ο蟮拿枥L或可視化的領域。三維對象 的建模、重建或可視化在醫(yī)療(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)領域中具有廣泛應用范圍。典型地，借助電磁波 或聲波照射待檢查的對象，以檢查其特性。探測散射的射線并且從探測的值中確定身體 的特征。通常地，結(jié)果在于物理參數(shù)(例如密度、組織成分的分量、彈性、速度)，對于 身體確定這些參數(shù)的值。在此，通常使用虛擬的柵格，在其柵格點上確定參數(shù)的值。這 些柵格點或在這些位置上的參數(shù)的值通常表示為體素。這些體素通常以所謂的灰度值的 形式呈現(xiàn)。
借助體繪制，在二維顯示面(例如顯示屏)上從體素中產(chǎn)生檢查的對象或身體的 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插值獲得的對象點 的中間級)，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 進行所謂的阿爾法合成(Alpha-Compositing)或者阿爾法分解(Alpha-Zerlegung)。在這 些標準方法中，體素或從體素形成的體積點被賦予顏色以及透明度值，更精確來說是用 于不透明度的值或阻光度(通常用英語Opacity表示，其表示身體的不同層的透明性或遮 蓋力(deckkraft))。更具體地，一個對象點通常對應于以對顏色分量紅、綠和藍編碼(所 謂的RGB值)的三元組形式的三個顏色、和對不透明性進行參數(shù)化的所謂的阿爾法值。 這些參數(shù)綜合形成顏色值RGBA，其與其它的對象點的顏色值(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 對對象建模的或模擬的照明情況下考慮燈光效果(通常是對象的表面上的燈光的反射； 在此可以是檢查的對象的外表面或內(nèi)部層的表面)。
文獻中有一系列被應用的照明模型。常用的例如有:Phong或Blinn-Hiong模型。
用于體繪制的最常用的方法中的一種是所謂的光線投影算法(Ray-Casting)或者 說模擬用于描繪或可視化身體的光照。在光線投影算法中，將從虛擬觀察者的眼睛出發(fā) 的虛擬光線，發(fā)送通過檢查的身體或檢查的對象。沿著光線，從體素確定對于采樣點的 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象的特征，通常需要合適地調(diào)整對象的描 繪。具體來說，可以修改或影響在顯示器上顯示的對象的描繪，例如通過對對象的部分 著色、去除或放大。對于這樣的操作在英語的專業(yè)文獻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。分割允許對對象結(jié)構(gòu)、例如顯示的身體部位的解剖結(jié)構(gòu)進行分類。在分割過程中例如對對象 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 (brashes)、鑿(chisels)、鉆(drills)或刀(knifes)等虛擬工具交互編輯或影響對象描繪。 例如用戶可以借助于鼠標或其它觸覺或按其它工作原理的輸入裝置通過著色或切除對象 部分來交互地修改在顯示屏上顯示的對象的圖像。
在這樣處理所顯示的對象時，修改對象圖像的所計算的像素經(jīng)常是不夠的，而 是必須進行像素的重新計算。即，在諸多這樣的操作(著色、裁剪，…)中必須在每個 修改的情況下重新進行體繪制。然后對對于體繪制所使用的體數(shù)據(jù)進行該操作。為此的 一種方法由Bikger等人在[1]中提出。該方法使得可以通過直接編輯復制的體積來操作 描繪。
存在對借助體繪制來操作對象的描繪的靈活的低開銷的方法的需求，其中，與 公知的方法相比應該主要降低存儲、計算和帶寬要求。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種借助體繪制來調(diào)整或修改對象的描繪的 靈活的低開銷的方法。
按照本發(fā)明，影響三維的借助體繪制(例如光線投影算法)可顯示的對象的(通 常由像素組成的可在顯示屏上顯示的)描繪。該影響例如包括通過著色或去除對象的部 分的調(diào)整或修改。
在此，使用對象的一種表示，在該表示中，在對象的空間點上給出表征對象的 參數(shù)的值(例如物理參數(shù)，諸如密度)。該參數(shù)例如可以以灰度值的形式出現(xiàn)，該灰度 值通過利用成像方法(核自旋、CT、超聲波、PET)的測量而獲得。空間點例如可以相 應于在體繪制中使用的采樣點，例如，在光線投影算法的情況下沿著模擬的光線定義的 采樣點?？臻g點可以被賦予顏色值?！邦伾怠钡母拍钤诖税伾硎镜牟煌问?。 特別地，該概念還可以包含以四個RGBA值形式的顏色值的描繪并且由此還包含阻光度 fn息ο
為了影響對象的描繪，輸入在對象的表示的空間中定義的點集。優(yōu)選地，該點 集通過參數(shù)來定義并且可以通過這些參數(shù)來輸入或確定。例如這些參數(shù)通過點集的點給 出。此外，可以確定點集的幾何形狀或參數(shù)化的描述，從而各個輸入的點定義該點集。 按照本發(fā)明內(nèi)容的一種實施方式，通過輸入了其終點的線段給出點集。也就是，參數(shù)或 點定義至少一個線段(在此有意義的是，還允許輸入單個點以及一個片段或多個可能相 關的片段)。輸入的點可以位于對象的表面，這通常是一個合理的確定，因為在對象表面 進行不同的操作(著色、切割)。例如，采集利用輸入裝置在顯示屏上進行的移動并且指 定在對象的表面上的點(Picking)，例如采集劃線的終點并指定相應的線段。
通過點集確定對象的影響的或修改的區(qū)域。為此，確定從所述表示所包括的空 間點到點集的距離并且按照所計算的距離修改賦予空間點的顏色值或確定顏色值。在 此，通常是最小距離，即與點集的最近的點的距離。所計算的距離是對于其它過程的標 準。例如預先給出用于到點集的距離的閾值，并且當計算的距離小于閾值時，修改或確 定點集的顏色值。閾值優(yōu)選是可輸入的參數(shù)。通過該參數(shù)例如可以控制對象的修改的區(qū)域的寬度。
但是還可以考慮，該閾值距離等于零。例如，可以考慮一種輸入選項，在該輸 入選項中，用戶在顯示屏上圈出一個區(qū)域并且由對象的表面區(qū)域給出點集，該表面區(qū)域 相應于所圈出的圖像區(qū)域。還可以以參數(shù)化的形式(例如借助中心和半徑的確定)定義 相應的區(qū)域。在該情況中，與該區(qū)域并行的閾值也可以等于零并且僅確定影響的深度。
有意義的是，將距離計算限制到由影響所可能涉及的空間點。例如，空間點可 以通過由在光線投影算法中使用的光線的采樣點給出。然后(例如通過確定整個光線到 點集的最小距離)可以確定，究竟可能會涉及哪些光線，并且僅對于涉及的光線進行對 于采樣點的距離計算。由此確定光線的子集，對于該子集必須重新計算光線投影算法。 然后可以保留對于其它光線的結(jié)果。
通過改變或設置顏色值進行該影響。這點可以涉及RGBA值的各個分量(顏色、 透光性或二者)或者還通過規(guī)定或設置傳遞函數(shù)來進行。
最后，借助對象的表示通過體繪制(例如光線投影算法)計算對象的描繪，其中 所述表示包括修改了的顏色值。在此，優(yōu)選與輸入?yún)?shù)同時進行繪制，該繪制考慮已經(jīng) 輸入的參數(shù)。以這種方式用戶直接得到對其最近的修改的反饋(交互性)。
本發(fā)明的優(yōu)點是，進行描繪的低開銷的修改。不需要在其中進行修改的復制的 體積。提出的面向參數(shù)地輸入修改是特別具有優(yōu)勢的。由此可以容易地修改輸入或撤 銷。該描繪不是面向體素的，從而還可以處理關于體素距離更精細的規(guī)模(子體素)。


以下借助附圖在實施例的范圍內(nèi)詳細解釋本發(fā)明。其中，
圖1示出了按照本發(fā)明的過程的主要步驟，
圖2示出了借助本發(fā)明的方法對對象描繪的修改，
圖3示出了按照本發(fā)明的距離計算的圖解，
圖4示出了按照本發(fā)明產(chǎn)生的兩個劃線的圖解，
圖5示出了邊界梯度浸透(Boundary Gradient Impregnation)的效果的圖解，
圖6示出了用于合成的數(shù)據(jù)組的方法的使用，
圖7示出了用于分割的方法的使用，
圖8示出了這執(zhí)行按照本發(fā)明的方法的硬件結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
出發(fā)點是借助RGBA值表示對象(圖1的步驟1)。這些RGBA值是通過常規(guī)的 方法(例如借助用于對象的成像方法獲得的灰度值的分割或分類和陰影)被確定的。例 如，在光線投影算法范圍內(nèi)產(chǎn)生的光線的采樣點上給出這些RGBA值。
以下假定，從該表示(例如借助光線投影算法)產(chǎn)生二維描繪，該二維描繪例如 由像素值組成并且借助其在顯示屏或監(jiān)視器上顯示對象的圖像。
在圖2中示出該在監(jiān)視器上顯示的圖像的片段的例子。在那里可以看見新的子 圖像，這些子圖像解釋該過程。
前五個子圖像(最上面一行以及中間一行的左邊和中間的圖像)顯示對象的區(qū)域的借助劃線運動或刷的修改。通過劃線運動定義了線段。以下借助圖3和4詳細解釋該 步驟(圖1的步驟2)。
用戶或使用者為了輸入而利用輸入裝置(例如計算機鼠標)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。該劃線的起始點和終點被賦予對應 地在監(jiān)視器上示出的對象的表面上的點。即，通過一條劃線在表示的空間中定義在對象 的表面上的兩個點Pl和P2。在圖2的上面一行中間的子圖像中，示出了一個借助一個 劃線修改了的繪制。只要保持輸入模式(其相應于鼠標鍵的按下)，則可以依次進行多個 劃線，以便修改對象的相應區(qū)域。這點在圖2的子圖像3-5中示出。在那里總共進行相 互緊接的四個劃線，以便對對象的一個區(qū)域著色。這四個劃線與對象的表面上的點P1、 P2、P3、P4和P5相對應，其中兩個相互緊跟著的點分別定義一個線段。
在此，優(yōu)選地將輸入的信息立即借助繪制轉(zhuǎn)換到對象的相應修改的描繪。在圖 2的前五個子圖像中，是對通過輸入確定的區(qū)域進行著色。在第一個子圖像中僅采集點 Pl,其周圍被著色。在第二個子圖像中采集通過Pl和P2定義的線段并且相應地被著色。 在子圖像3-5中添加其它線段。在監(jiān)視器上(通過對對象的相應的繪制)同時調(diào)整圖像 描繪具有如下優(yōu)點用戶在輸入時可以直接獲得可視的反饋并且可以將其用于進一步的 輸入。
借助修改RGBA值進行對描繪的修改。為了確定待修改的RGBA值，使用距 離標準。通過相應于圖2的輸入，定義了單個點、線段(具有邊沿點Pl和P2)或多個 線段。對于按照所述表示給出了其RGBA值的點，計算到相應的點集(點、片段或多個 片段)的最小距離(圖1的步驟3)。這點在圖3中對于通過Pl和P2定義的線段(點 P，P = Pl+u^ (P2-P1), u屬于
)示出了。對于點PIrcba最小距離Ci1是到片段 上的點P的距離。在此，可以從以下條件確定具有最小距離的點P:通過P和PIrcba 引導的直線垂直于通過Pl和P2定義的線段。利用矢量的內(nèi)積可以將該條件表達為 (PIrgba-P) MP2-P1) = 0。方程P = Pl+u*(P2-Pl)代入到該關系并且對u求解于是得到 Umin= (PIrgba-P) *(P2-P1)/(P2-P1)**2。然后，通過點 PIrgba 和 P 的距離給出距離屯， 其中通過Umm確定P (P = Pl+umm* (P2-P1))。對于點 P2RGBA 禾口 P3RGBA， 最小的距離d2和 屯是到片段的終點Pl及P2的距離。對于多個片段，通過到各個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)對對象的描繪的修改。這點在圖4中對 于兩種情況示出。上面示出了一個由六個線段產(chǎn)生的對一個區(qū)域的著色，下面示出了一 個由兩個線段組成的著色。在此，使用不同的最大距離Oil(MAX)以及d2(MAX))，這 導致著色區(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，獨立 于寬度地修改區(qū)域的深度。例如，可以通過距離標準定義光線投影算法的、對于其進行 RGBA值調(diào)整的光線。對于其進行調(diào)整的光線(從表面出發(fā))的長度可以按照其它標準得 到。該標準可以是距離標準。但是有意義的還可以是，進行調(diào)整，直到發(fā)生組織改變， 即，沿著光線調(diào)整對于一個組織類型的RGBA值。這點對于在輸入的位置上去除組織層 是有幫助的。
用于在點Prc3ba上改變或修改RGBA值的標準是，最小距離小于最大距離 d(MAX)。
圖4示出了不同的著色。這些著色具有用來調(diào)整描繪的其它參數(shù)。這涉及對RGBA值的修改(圖1中的步驟4)。視RGBA值的改變的不同，對一個區(qū)域進行著色、 變透明或去除。在著色的情況下例如可以預先給出RBG值，利用該RGB值例如通過相 加、相減、相乘或代入修改各個RGBA值。以下給出參數(shù)的三個例子，基于這些例子可 以對相應于輸入而修改的描繪進行繪制。
權(quán)利要求
1.一種用于影響三維的能借助體繪制顯示的對象的描繪的方法，包括步驟-使用對象的表示，在該表示中在對象的空間點上給出表征對象的參數(shù)的值，并且在 該表示中這些參數(shù)在繪制過程中能夠被賦予顏色值， -輸入在對象的所述表示的空間中定義的點集， -計算從通過所述表示所包括的空間點到所述點集的距離，-按照所計算的距離修改賦予空間點的顏色值或按照所計算的距離確定顏色值，并且 -借助對象的表示通過體繪制計算對象的描繪，其中所述表示包括修改的或者確定的 顏色值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過參數(shù)定義所述點集。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述參數(shù)定義至少一個線段。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，修改或確定顏色、透明度或二者。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，預先給出傳遞函數(shù)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過輸入確定所述點集， 借助該輸入確定對象的表面的定義所述點集的點。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過所述輸入確定片段。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，在監(jiān)視器上利用對象的二維描繪借 助輸入裝置進行所述輸入。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，能夠輸入對于距離的閾 值，并且當所計算的距離小于所述閾值時進行修改或確定。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在輸入?yún)?shù)的同時進行繪 制，該繪制考慮已經(jīng)輸入的參數(shù)。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，借助光線投影算法進行所 述繪制，并且確定在光線投影算法中使用的光線的子集，該子集按照輸入的參數(shù)不要求 重新計算。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過改變輸入的參數(shù)撤銷 或糾正對對象的二維描繪的影響。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于， _進行對對象的區(qū)域的去除，-對于通過去除區(qū)域所形成的表面進行表面梯度的計算，并且 _利用所計算的表面梯度進行在表面之下的層中的梯度的加權(quán)。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，_借助由多個不同的數(shù)據(jù)組合成的數(shù)據(jù)組描繪所述對象，并且 -通過按照上面的方法之一對組合的數(shù)據(jù)組的各個數(shù)據(jù)組進行對描繪的影響，改變對 象的描繪。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于， -由不同物質(zhì)的區(qū)域合成所述對象，-將所述方法與閾值方法關聯(lián)，以便影響由特定物質(zhì)組成的區(qū)域的至少一部分的描繪。
16.一種裝置，被構(gòu)造為用于執(zhí)行按照權(quán)利要求1至14中任一項所述的方法。
17.一種具有計算機程序的計算機程序產(chǎn)品，其執(zhí)行按照權(quán)利要求1至14中任一項所 述的方法。
全文摘要
按照本發(fā)明影響三維的可借助體繪制顯示的對象的描繪。在此，出發(fā)點是對對象的表示，在該表示中在對象的空間點上給出表征對象的參數(shù)，并且在該表示中將這些參數(shù)在繪制的過程中能夠被賦予顏色值。輸入一個在對象的表示的空間中定義的點集，并且計算從通過所述表示所包括的空間點到該點集的距離。然后按照計算的距離修改賦予空間點的顏色值或者確定顏色值。最后借助對象的表示通過體繪制計算對象的描繪，其中所述表示包括修改的或確定的顏色值。該方法就對象描繪的操作來說開銷低并且靈活。
文檔編號G06T17/00GK102024270SQ201010289220
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者克勞斯·恩格爾 申請人:西門子公司