專利名稱：基于逆速度位移場的體數(shù)據(jù)變形及可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種數(shù)據(jù)可視化技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于逆速度位移場的體數(shù)據(jù)多步變形操作及可視化方法。
背景技術(shù)：
自從美國政府于上個世紀(jì)八十年代末期設(shè)立了 “Visualization in Scientificcomputing”自然科學(xué)基金以來,體數(shù)據(jù)可視化技術(shù)一直是研究熱點，在醫(yī)學(xué)診斷、手術(shù)計劃、地質(zhì)勘探和天氣預(yù)報等方面，正在扮演著越來越重要的作用。體數(shù)據(jù)可視化的目的是實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、全面的體數(shù)據(jù)理解。它是運用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將抽象數(shù)據(jù)表示成具體的圖像，使研究者通過視覺感知實現(xiàn)對現(xiàn)象、過程和物理量的理解，使用戶看見原本不能看見的東西。體數(shù)據(jù)理解不僅包括體數(shù)據(jù)整體結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，而且也包括體數(shù)據(jù)內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)間幾何關(guān)系的認(rèn)知。過去的技術(shù)更多的集中于傳遞函數(shù)設(shè)計的研究與實時可視化研究，以更快地實現(xiàn)對體數(shù)據(jù)整體結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，而對體數(shù)據(jù)幾何關(guān)系的認(rèn)知研究比較少。變形操作是實現(xiàn)體數(shù)據(jù)中復(fù)雜結(jié)構(gòu)間幾何關(guān)系認(rèn)知非常重要的手段和方法。因此， 基于多步變形操作的體數(shù)據(jù)可視化方法有助于提高體數(shù)據(jù)理解的準(zhǔn)確性和全面性。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，M. J. McGuffin等在《Proceeding of IEEEVisualization 2003》上發(fā)表的“Using deformations for browsing volumetric data” (M. J. McGuff in, L. Tancau, and R. Balakrishnan米用變形技術(shù)瀏覽體數(shù)據(jù)電氣與電子工程協(xié)會可視化會議2003)中，在設(shè)計了一系列體數(shù)據(jù)操作插件的基礎(chǔ)上，通過前向映射法實現(xiàn)了體數(shù)據(jù)的多步操作，但是由于其使用體素直接作為繪制單元，使得變形后的體數(shù)據(jù)繪制質(zhì)量很差；C. Correa 等在〈〈IEEE Transactionon Visualization and Computer Graphics)) VOL 12, NO. 5. 2006 上發(fā)表的 “Featurealigned volume manipulation for illustration and visualization，，(C. Correa, D. Silverand M. Chen.針對角軍釋和可視化的特征一致體數(shù)據(jù)操作，電氣與電子工程師協(xié)會學(xué)報(可視化與計算機圖形學(xué)VOL 12， NO. 5. 2006)中，通過采用逆向位移場表達(dá)非連續(xù)變形，提高了體數(shù)據(jù)非連續(xù)變形操作的繪制質(zhì)量，但其不能實現(xiàn)體數(shù)據(jù)的多步變形操作。因此，這兩種方法都不能有效的通過變形操作揭示體數(shù)據(jù)內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)間關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
針對Correa等基于逆向位移場的方法不能實現(xiàn)體數(shù)據(jù)多步變形操作這一缺陷， 本發(fā)明提出了基于逆速度位移場的體數(shù)據(jù)多步變形操作及可視化方法。一方面通過把多步變形操作一般化為兩步變形操作，實現(xiàn)了體數(shù)據(jù)的變形操作；另一方面在位移場的重建過程中，保持了逆向位移場的一階連續(xù)性(把這種保持了一階連續(xù)的逆向位移場稱為逆速度位移場)，因此保證了變形后體數(shù)據(jù)的繪制質(zhì)量。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下引入逆速度位移場V'描述已經(jīng)發(fā)生過的變形操作，建立體數(shù)據(jù)變形操作模型，從而將多步變形操作描述為正要進(jìn)行的變形操作V"(由變形模板表示變形操作V")和已經(jīng)發(fā)生過的變形操作V'疊加的兩步操作。體數(shù)據(jù)的操作流程主要包括場景初始化、特征體數(shù)據(jù)重建、特征場數(shù)據(jù)重建、變形模板選擇和幾何變換、變形體數(shù)據(jù)的繪制、逆速度位移場的更新。對場景進(jìn)行初始化確定體數(shù)據(jù)V、逆速度位移場V'和變形模板V"的幾何關(guān)系， 初始化特征場數(shù)據(jù)Ff、特征體數(shù)據(jù)Fv和逆速度位移場V'。逆速度位移場V'由保持一階連續(xù)且表示逆向位移的向量場Df和表達(dá)非連續(xù)變形的標(biāo)量場ciF組成；變形模板V"是根據(jù)常用的變形操作設(shè)計的位移場，也由逆向位移向量場Dt和標(biāo)準(zhǔn)場α τ組成。特征體數(shù)據(jù)Fv創(chuàng)建特征體數(shù)據(jù)是用來控制體數(shù)據(jù)中的任一采樣點是否可以變形操作的標(biāo)量場。特征體數(shù)據(jù)重建是利用分割后的體數(shù)據(jù)S(p)，根據(jù)即將要操作的語義部分
I S(p) = i
i，設(shè)置特征體數(shù)據(jù)為二 .，然后對特征體數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波，以創(chuàng)建連續(xù)特征場數(shù)據(jù)Ff創(chuàng)建特征場數(shù)據(jù)是用來控制逆速度位移場的任一采樣點是否可以繼續(xù)變形操作的標(biāo)量場。特征場數(shù)據(jù)創(chuàng)建是利用交互劃線操作和種子點seed設(shè)置，選擇即將要操作的逆速度位移場部分，其中交互劃線操作把逆速度位移場分為兩部分V' 1和
V' 2，并令種子點P' ,SeedeVi i。設(shè)置特征場數(shù)據(jù)為&(尸')=|丨^，然后對其進(jìn)行
高斯濾波。變形模板選擇和幾何變換根據(jù)需要的變形類型選擇相應(yīng)的變形模板描述即將進(jìn)行的變形操作。根據(jù)變形的位置和尺度，對變形模板進(jìn)行相應(yīng)的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等幾何變換M，同時實時記錄幾何變換矩陣M，以便在數(shù)據(jù)繪制與逆速度位移場更新計算中使用?；趦刹阶冃蔚捏w數(shù)據(jù)繪制以逆速度位移場為場景，確定逆速度位移場中的任一采樣點V經(jīng)兩次變形操作后在體數(shù)據(jù)中的對應(yīng)點P2，根據(jù)公式
P2= IfIip'+°1{ρ}))確定體數(shù)據(jù)繪制時的光學(xué)參數(shù)值，確定由特征體數(shù)據(jù)Fv、逆速度位移場的更新計算一個新的逆速度位移場表達(dá)由原有的逆速度位移場、 特征場數(shù)據(jù)、特征體數(shù)據(jù)和變形模板共同表達(dá)的操作，同時進(jìn)行后處理以保持逆速度位移場的一階連續(xù)。本發(fā)明提出的基于逆速度位移場的體數(shù)據(jù)多步操作及可視化方法解決了體數(shù)據(jù)多步操作難題，同時保證了繪制質(zhì)量和繪制的實時性。由于同時考慮了操作的語義部分和變形部分的交互選擇，增加了變形操作的自由度。實驗表明本發(fā)明提出的體數(shù)據(jù)多步操作及可視化方法提高了體數(shù)據(jù)內(nèi)結(jié)構(gòu)間幾何關(guān)系的可理解性，使得對體數(shù)據(jù)的理解更加準(zhǔn)確和全面。


圖I體數(shù)據(jù)多步變形操作及可視化框架
圖2變形體數(shù)據(jù)繪制過程示意3體數(shù)據(jù)繪制和逆速度位移場重建的四步采樣示意4法向計算示意5逆速度位移場標(biāo)記場重建示意6逆速度位移場的矢量場后處理示意圖
具體實施例方式以下結(jié)合一個具體的實例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本實例采樣的圖像數(shù)據(jù)是一個256X256X64的桔子體數(shù)據(jù)。如圖I所示為多步變形操作兩步化示意圖。提取圖像信息中的體數(shù)據(jù)，建立體數(shù)據(jù)變形操作模型對體數(shù)據(jù)進(jìn)行變形操作，逆速度位移場V'描述已經(jīng)發(fā)生過的變形操作，將多步變形操作描述為正要進(jìn)行的變形操作V"(由變形模板表示變形操作V")和已經(jīng)發(fā)生過的變形操作V疊加的兩步操作。如,把η步變形操作認(rèn)為是η-l步變形操作與第η步變形操作的疊加,前面的η_1 步變形操作用逆速度位移場N'描述，第η步操作用變形模板描述，這樣多步變形操作就一般化為由逆速度位移場V'與變形模板描述的兩步變形操作。其中，逆速度位移場V'由保持一階連續(xù)且表示逆向位移的向量場Df和表達(dá)非連續(xù)變形的標(biāo)量場a F組成；變形模板 V"由滿足一階連續(xù)且表示變形操作的逆向位移向量場Dt和表達(dá)非連續(xù)變形的標(biāo)準(zhǔn)場ατ。建立由場景初始化、體數(shù)據(jù)操作和體數(shù)據(jù)繪制組成的體數(shù)據(jù)兩步變形操作模型。 其中體數(shù)據(jù)操作主要由特征體數(shù)據(jù)重建、特征場數(shù)據(jù)重建、變形模板選擇和幾何變換、逆速度位移場的更新所組成。體數(shù)據(jù)繪制是體數(shù)據(jù)操作的實時體現(xiàn)。(I)場景初始化。確定體數(shù)據(jù)V、逆速度位移場V'和變形模板V"的幾何關(guān)系；初始化特征場數(shù)據(jù)Ff、特征體數(shù)據(jù)Fv和逆速度位移場V'。如圖I所示。體數(shù)據(jù)空間(X，y, ζ)與逆速度位移場空間U丨,y' ,ζ')的幾何關(guān)系初始化為(X, y, ζ) = A (X' , y' , z' ) =2(x' , y' , ζ' )-(O. 25,0. 25,0. 25),逆速度位移場空間與變形模板空間(X"，y"，Z")的幾何關(guān)系為(x"，y"，z" )T = f2(x' ,1'， ζ' ) =I(x"，y"，z" )T，I 是單位矩陣。特征場數(shù)據(jù)Ff初始化為:FF(p') = I Vp'G V'，分辨率為256 X 256 X 256。特征體數(shù)據(jù)初始化為盡0) = 1 VpsV，分辨率與體數(shù)據(jù)的分辨率相同，均為256X256X64。初始化逆速度向量場SDF(p' ) = Q,aF(p') = lF，分辨率為 256X256X256。(2)創(chuàng)建連續(xù)的特征體數(shù)據(jù)。特征體數(shù)據(jù)Fv是用來控制體數(shù)據(jù)中的任一采樣點是否可以進(jìn)行變形操作的標(biāo)量場。利用已分割好的體數(shù)據(jù)S(P)創(chuàng)建連續(xù)的特征體數(shù)據(jù)，其中 S(p)表達(dá)為S(p) = i(i = 0，1，Λ，η)根據(jù)即將要操作的語義部分i，設(shè)置特征體數(shù)據(jù)為
權(quán)利要求
1.基于逆速度位移場的體數(shù)據(jù)變形的可視化方法，其特征在于，確定體數(shù)據(jù)V、逆速度位移場V'和變形模板V"的幾何關(guān)系，創(chuàng)建特征體數(shù)據(jù)Fv，用于控制體數(shù)據(jù)中的任一采樣點是否可以變形操作的標(biāo)量場；創(chuàng)建特征場數(shù)據(jù)Ff，用于控制逆速度位移場的任一采樣點是否可以繼續(xù)變形操作的標(biāo)量場；選擇變形模板并進(jìn)行幾何變換，根據(jù)變形類型選擇相應(yīng)的變形模板；根據(jù)變形的位置和尺度，對變形模板進(jìn)行幾何變換獲得幾何變換矩陣M ;確定逆速度位移場中任一采樣點V經(jīng)兩次變形操作后在體數(shù)據(jù)中的對應(yīng)點P2，根據(jù)公式P2= IfIip'+°1{ρ}))氣丨”定體數(shù)據(jù)繪制時的光學(xué)參數(shù)值；確定由特征體數(shù)據(jù) [ΦauF(p') <0.5Fv、特征場數(shù)據(jù)Ff、逆速度位移場V'、變形模板V"和幾何變換共同作用下采樣點的法向； 應(yīng)用光線投射ray-casting算法進(jìn)行變形后體數(shù)據(jù)的繪制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的體數(shù)據(jù)變形的可視化方法，其特征在于，逆速度位移場V'由保持一階連續(xù)且表示逆向位移的向量場Df和表達(dá)非連續(xù)變形的標(biāo)量場ciF組成；變形模板 V"由逆向位移向量場Dt和標(biāo)量場α τ組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的體數(shù)據(jù)變形的可視化方法，其特征在于，特征體數(shù)據(jù)重建是利用分割后的體數(shù)據(jù)S(p)，根據(jù)即將要操作的語義部分i，設(shè)置特征體數(shù)據(jù)為 .，然后對特征體數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波，以創(chuàng)建連續(xù)的特征體數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的體數(shù)據(jù)變形的可視化方法，其特征在于，特征場數(shù)據(jù)創(chuàng)建具體為選擇即將要操作的逆速度位移場，把逆速度位移場分為V' 1和一 2兩部分，并令種子點P' e N' i，設(shè)置特征場數(shù)據(jù)為，=，然后對其進(jìn)行高斯濾波。[O Py^V2
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的體數(shù)據(jù)多步變形的可視化方法，其特征在于， ray-casting算法具體為對逆速度位移場進(jìn)行采樣，得到采樣點P';根據(jù)采樣點p'計算其在變形模板中對應(yīng)的點/2—\尸')，然后根據(jù)在點/2—\尸')處的位移向量Α(Λ—1(尸'))，計算點/2—\尸')由變形模板變形操作后的位置Y'=/2—\尸')+ A(/2—\尸'));計算點q"在逆速度位移場的對應(yīng)Af2(q")，根據(jù)點f2(q")對應(yīng)的位移向量叫的((1"))，計算點f2(q") 由逆速度位移場描述的變形操作后的位置t' =f2(q" )+DF(f2(q"))，計算點t'在體數(shù)據(jù)中的對應(yīng)點P = )，然后根據(jù)在fjt')處的采樣值，給出在繪制過程中對應(yīng)的顏色和透明度值。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的體數(shù)據(jù)多步變形的可視化方法，其特征在于，繪制過程中對每一采樣點P'進(jìn)行法向計算，計算與采樣點P'對應(yīng)的采樣點P = (P')處體數(shù)據(jù)的梯度和特征體數(shù)據(jù)的梯度，然后歸一化為法向nv(p)和nfv(p)，并進(jìn)行加權(quán)計算求得體數(shù)據(jù)空間的融合法向H1(P);利用逆速度位移場表達(dá)操作的雅克比矩陣，計算經(jīng)由逆速度位移場表達(dá)的操作后所得第一次操作后法向n1D(p');計算由特征場數(shù)據(jù)和逆速度位移場的標(biāo)量場產(chǎn)生的法向％化')，并與n1D(p')進(jìn)行加權(quán)計算求得逆速度位移場空間的融合法向 n2(p/ );利用變形模板表達(dá)操作的雅可比矩陣，計算經(jīng)由變形模板表達(dá)的操作后所得第二次操作后法向n2D(P");計算由變形模板的標(biāo)量場產(chǎn)生的法向ndt (P")，并與法向n2D(P") 進(jìn)行加權(quán)計算求得變形模板空間的融合法向H3(P")，即最終法向。
全文摘要
一種基于逆速度位移場的體數(shù)據(jù)可視化處理方法，涉及圖形圖像技術(shù)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為對體數(shù)據(jù)的多步變形操作一般化為兩步變形操作，把步變形操作認(rèn)為是步變形操作與第步變形操作的疊加；建立由初始化場景、體數(shù)據(jù)兩步變形操作模型；計算逆速度位移場表達(dá)由原有的逆速度位移場、特征場數(shù)據(jù)、特征體數(shù)據(jù)和變形模板共同表達(dá)的操作，通過后處理以保持逆速度位移場的一階連續(xù)；以逆速度位移場為場景，應(yīng)用ray-casting算法進(jìn)行變形后體數(shù)據(jù)的繪制。本發(fā)明提出的方法解決了體數(shù)據(jù)多步操作難題，保證了繪制質(zhì)量和繪制的實時性，提高了體數(shù)據(jù)內(nèi)結(jié)構(gòu)間幾何關(guān)系的可理解性。
文檔編號G06T15/08GK102609972SQ20121002351
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者秦紅星 申請人:重慶郵電大學(xué)