基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法
【專利摘要】一種基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，依次包括如下步驟，（1）根據(jù)三維數(shù)據(jù)獲得的二位圖像作為交互界面；（2）選擇感興趣區(qū)域并進(jìn)行標(biāo)注,每標(biāo)注一個(gè)感興趣區(qū)域，產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)注動(dòng)作，相應(yīng)的參數(shù)記為數(shù)據(jù)特征信息；（3）將步驟（2）的數(shù)據(jù)特征信息封裝形成數(shù)據(jù)特征信息結(jié)構(gòu)體，根據(jù)數(shù)據(jù)特征信息結(jié)構(gòu)體構(gòu)建數(shù)據(jù)信息管理單元；（4）根據(jù)步驟（3）的數(shù)據(jù)信息管理單元生成基于數(shù)據(jù)特征信息的轉(zhuǎn)換函數(shù)；（5）根據(jù)步驟（4）的轉(zhuǎn)換函數(shù)生成二維紋理；（6）將步驟（5）的二維紋理作為分類器生成重建圖像。該方法以二維界面為交互界面，用戶交互界面直觀、易于理解，用戶交互目標(biāo)明確、操作方便、效率高的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]醫(yī)學(xué)圖像的三維重建技術(shù)，可以將二維圖像序列在計(jì)算機(jī)上以三維效果圖的形式直觀展現(xiàn)出來(lái)，能夠直觀地得到器官或病灶的形狀和大小，在臨床上具有非常重要的價(jià)值。
[0004]直接體繪制(Direct Volume Rendering)是三維重建技術(shù)的一種非常重要方法之一，轉(zhuǎn)換函數(shù)(Transfer Function)在直接體繪制(Direct Volume Rendering)中是必不可少的，其主要作用是對(duì)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中各采樣點(diǎn)處的灰度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光學(xué)特性(顏色、亮度和不透明度等)，以達(dá)到增強(qiáng)顯示特定組織或結(jié)構(gòu)的目的。
[0005]目前，直接體繪制中使用最廣泛的仍然是一維轉(zhuǎn)換函數(shù)，如附圖1所示，一維轉(zhuǎn)換函數(shù)一般以三維數(shù)據(jù)的直方圖統(tǒng)計(jì)為背景，用來(lái)輔助用戶進(jìn)行人機(jī)交互。一維轉(zhuǎn)換函數(shù)通過(guò)單純的灰度信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，所以其在分類功能上有很大的局限性，特別是對(duì)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，如CT或MR數(shù)據(jù)，這是由于醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)本身的復(fù)雜性造成的，使得使用單一灰度特征很難對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分類；另外一維轉(zhuǎn)換函數(shù)的人機(jī)交互方式是一種不斷嘗試和糾錯(cuò)的過(guò)程，用戶需要不斷的嘗試才能獲得需要的顯示效果，這種方式缺少明確的目標(biāo)性，直方圖統(tǒng)計(jì)無(wú)法指示用戶感興趣區(qū)域；用戶很難確定自己感興趣的組織位于哪個(gè)區(qū)域內(nèi)，特別是對(duì)那些沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)或缺少經(jīng)驗(yàn)的用戶。
[0006]高維轉(zhuǎn)換函數(shù)使用更多的特征空間來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)進(jìn)行分類，但由于使用的特征越多，用戶越難以理解，人機(jī)交互就更加復(fù)雜，所以在實(shí)際應(yīng)用中，以灰度和梯度為特征的二維轉(zhuǎn)換函數(shù)，如附圖2所示，更加具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。以灰度和梯度來(lái)構(gòu)建二維轉(zhuǎn)換函數(shù)，可以有效的提取不同組織之間的邊界特征，其人機(jī)交互界面的背景為梯度和灰度聯(lián)合統(tǒng)計(jì)信息，圖像橫坐標(biāo)代表三維數(shù)據(jù)的灰度信息，圖像的縱坐標(biāo)表示三維數(shù)據(jù)的梯度統(tǒng)計(jì)信息，用戶通過(guò)在交換界面上構(gòu)建不同的控件，以選擇相應(yīng)的區(qū)域來(lái)增強(qiáng)顯示感興趣組織或抑制非感興趣組織。二維轉(zhuǎn)換函數(shù)最突出的問(wèn)題之一是其交互界面過(guò)于抽象，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的用戶，也很難將自己感興趣的區(qū)域和二維轉(zhuǎn)換函數(shù)上的某個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)起來(lái)；其次由于交互界面上的控件是用戶自己選擇的，完全脫離的數(shù)據(jù)本身的特性；用戶對(duì)選擇的控件的修改和調(diào)整變得異常困難，以一個(gè)長(zhǎng)方形控件為例子，用戶需要調(diào)整控件的四個(gè)頂點(diǎn)、四個(gè)邊和對(duì)長(zhǎng)方形控件的平移操作，這樣就有9個(gè)參數(shù)需要調(diào)節(jié)，交互過(guò)于繁瑣。
[0007]預(yù)存模板的方式是設(shè)計(jì)者按照設(shè)備產(chǎn)生數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，根據(jù)不同的部位和組織，提前制作好轉(zhuǎn)換函數(shù)，并將這些轉(zhuǎn)換函數(shù)保存起來(lái)，當(dāng)用戶使用時(shí)，根據(jù)自己的需要，來(lái)選擇特定的模板。預(yù)存模板的方式人機(jī)交互非常簡(jiǎn)單，用戶通過(guò)對(duì)模板的選擇就可以實(shí)現(xiàn)不同的顯示效果，但這種方法只適用于特定的設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并不適用，另外由于用戶的需求總是無(wú)法提前全部預(yù)知的，所以該方法缺乏靈活性，適用性較差。
[0008]現(xiàn)有的轉(zhuǎn)換函數(shù)缺乏友善的人機(jī)交互界面，無(wú)法以一種用戶容易理解的、直觀的方式來(lái)指導(dǎo)用戶對(duì)轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而快速得到用戶期望的結(jié)果；另外現(xiàn)存的轉(zhuǎn)換函數(shù)中人機(jī)交互相當(dāng)復(fù)雜，需要耗過(guò)多的時(shí)間和精力來(lái)不斷調(diào)整轉(zhuǎn)換函數(shù)控件的交互參數(shù)，更新轉(zhuǎn)換函數(shù)，以達(dá)到用戶需要的顯示效果，這種調(diào)節(jié)是一種盲目的、脫離數(shù)據(jù)的一種嘗試性交互，需要消耗用戶過(guò)多的時(shí)間和精力。因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種可以有效改善用戶交互感受，提高工作效率的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法以克服現(xiàn)有技術(shù)不足甚為必要。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，該方法用戶交互界面直觀、易于理解，用戶交互目標(biāo)明確、操作方便、效率高。
[0011]本發(fā)明的上述目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0012]一種基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，依次包括如下步驟，
(1)根據(jù)三維數(shù)據(jù)獲得的二位圖像作為交互窗口；
(2)選擇感興趣區(qū)域并進(jìn)行標(biāo)注，每標(biāo)注一個(gè)感興趣區(qū)域，產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)注動(dòng)作，與標(biāo)注動(dòng)作相應(yīng)的參數(shù)作為數(shù)據(jù)特征信息；
(3)將步驟(2)的數(shù)據(jù)特征信息封裝形成數(shù)據(jù)特征信息結(jié)構(gòu)體，根據(jù)數(shù)據(jù)特征信息結(jié)構(gòu)體構(gòu)建數(shù)據(jù)信息管理單元；
(4)根據(jù)步驟(3)的數(shù)據(jù)信息管理單元生成基于數(shù)據(jù)特征信息的轉(zhuǎn)換函數(shù)；
(5)根據(jù)步驟(4)的轉(zhuǎn)換函數(shù)生成二維紋理；
(6)將步驟(5)的二維紋理作為分類器生成重建圖像。
[0013]上述步驟(3)中的數(shù)據(jù)信息管理單元具體為雙向鏈表，所述雙向鏈表由多個(gè)按照均值以從小到大的順序進(jìn)行升序排列的節(jié)點(diǎn)及指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前面節(jié)點(diǎn)和后面節(jié)點(diǎn)的指針構(gòu)成，每個(gè)數(shù)據(jù)特征結(jié)構(gòu)體是雙向鏈表中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
[0014]建立步驟(3 )中的雙向鏈表包括雙向鏈表中新節(jié)點(diǎn)的添加和雙向鏈表中節(jié)點(diǎn)的刪除；
雙向鏈表中新節(jié)點(diǎn)的添加具體是:
從雙向鏈表中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，依次遍歷鏈表中的所有節(jié)點(diǎn)，并將鏈表中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)特征信息與新節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)特征信息進(jìn)行比較，具體的公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于:依次包括如下步驟， (1)根據(jù)三維數(shù)據(jù)獲得的二位圖像作為交互窗口； (2)選擇感興趣區(qū)域并進(jìn)行標(biāo)注，每標(biāo)注一個(gè)感興趣區(qū)域，產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)注動(dòng)作，與標(biāo)注動(dòng)作相應(yīng)的參數(shù)作為數(shù)據(jù)特征信息； (3)將步驟(2)的數(shù)據(jù)特征信息封裝形成數(shù)據(jù)特征信息結(jié)構(gòu)體，根據(jù)數(shù)據(jù)特征信息結(jié)構(gòu)體構(gòu)建數(shù)據(jù)信息管理單元； (4)根據(jù)步驟(3)的數(shù)據(jù)信息管理單元生成基于數(shù)據(jù)特征信息的轉(zhuǎn)換函數(shù)； (5)根據(jù)步驟(4)的轉(zhuǎn)換函數(shù)生成二維紋理； (6)將步驟(5)的二維紋理作為分類器生成重建圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于:所述步驟(3)中的數(shù)據(jù)信息管理單元具體為雙向鏈表，所述雙向鏈表由多個(gè)按照均值以從小到大順序進(jìn)行升序排列的節(jié)點(diǎn)及指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前面節(jié)點(diǎn)和后面節(jié)點(diǎn)的指針構(gòu)成，每個(gè)數(shù)據(jù)特征結(jié)構(gòu)體是雙向鏈表中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于: 建立步驟(3)中的雙向鏈表包括雙向鏈表中新節(jié)點(diǎn)的添加和雙向鏈表中節(jié)點(diǎn)的刪除； 雙向鏈表中新節(jié)點(diǎn)的添加具體是: 從雙向鏈表中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，依次遍歷鏈表中的所有節(jié)點(diǎn)，并將鏈表中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)特征信息與新節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)特征信息進(jìn)行比較，具體的公式為: 二……式⑴；
炫》+.^cur 其中表示雙向鏈表中當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的均值，表示新節(jié)點(diǎn)的均值表示當(dāng)前鏈表中節(jié)點(diǎn)的均方差,表示新節(jié)點(diǎn)的均方差; 如果#.\< O,則認(rèn)為新增加的節(jié)點(diǎn)與雙向鏈表的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相匹配，新增加的節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)代表的是同一個(gè)感興趣區(qū)域，則對(duì)新增加的節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并； 具體的合并方法為: Ilnir 二 (Pnen- + ,?cMr)/2......式⑵；
<7tur = max(ffcur? ?s#w);
fcmm ~ ^^(/οκιη -;
fcwiax — mas(Zemaje, /; ^ fcmm ^fnmm分別為雙向鏈表當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的梯度最小值和新節(jié)點(diǎn)的梯度最小值；Jcmax^fnmax分別為雙向鏈表當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的梯度最大值和新節(jié)點(diǎn)的梯度最大值；max表示取兩者中較大的值；min表示取兩者中較小的值；雙向鏈表中當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的其它參數(shù)保持不變； 如果遍歷雙向鏈表中所有的節(jié)點(diǎn)，均不滿足fi< O，則需要向鏈表中添加該新節(jié)點(diǎn)； 添加方法為: 依次遍歷雙向鏈表中的所有節(jié)點(diǎn)，當(dāng)雙向鏈表當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的均值小于新節(jié)點(diǎn)的均值并且當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后面的節(jié)點(diǎn)的均值大于新節(jié)點(diǎn)的均值時(shí)，在雙向鏈表的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后面的節(jié)點(diǎn)之間添加新節(jié)點(diǎn)，公式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于:所述步驟(4)生成基于特征的轉(zhuǎn)換函數(shù)具體是， 雙向鏈表中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都產(chǎn)生一個(gè)局部轉(zhuǎn)換函數(shù)分布，節(jié)點(diǎn)中的均值減去均方差是該局部轉(zhuǎn)換函數(shù)在整個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)中的起始點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中的均值加上均方差是該局部轉(zhuǎn)換函數(shù)在整個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)中的終止點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中保存的梯度最小值和最大值對(duì)應(yīng)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)區(qū)間內(nèi)高度的范圍； 將雙向鏈表中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)特征信息生成一個(gè)局部轉(zhuǎn)換函數(shù)分布，將每個(gè)局部轉(zhuǎn)換函數(shù)分布產(chǎn)生的值分別填充于整個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)存儲(chǔ)區(qū)域?qū)?yīng)的一塊子區(qū)域，遍歷整個(gè)雙向鏈表，生成整個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)； 雙向鏈表中的節(jié)點(diǎn)每添加一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)或者刪除一個(gè)舊節(jié)點(diǎn)，均對(duì)轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行更新。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于:轉(zhuǎn)換函數(shù)的結(jié)果被保存到一塊矩形區(qū)域，區(qū)域的寬是三維數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)有效位表示bit數(shù)的次方，寬表示三維數(shù)據(jù)的灰度分布范圍；高為固定高度，等于512，表示梯度的最小值為O，最大值為511。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于:矩形區(qū)域存儲(chǔ)的是RGBA值，R表示紅色分量；G表示綠色分量；B表示藍(lán)色分量；A表示不透明度，存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)單元由RGBA四個(gè)分量組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于:生成局部轉(zhuǎn)換函數(shù)的具體方法為:
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于:所述步驟(1)中的二維圖像呈現(xiàn)方式為單幅二維圖像或者M(jìn)PR聯(lián)合顯示或者單幅二維圖像與MPR聯(lián)合顯示同時(shí)顯示。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于:所述步驟(2)中的數(shù)據(jù)特征信息參數(shù)包括:工具類型、均值、均方差、梯度最大值和梯度最小值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的基于二維圖像為交互界面的轉(zhuǎn)換函數(shù)的直接體繪制方法，其特征在于: 所述步驟(5)具體是，將更新完成的整個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)保存為一個(gè)二維紋理，二維紋理的寬代表灰度，高代表梯度，保存到二維紋理之后轉(zhuǎn)換函數(shù)中的數(shù)據(jù)被歸一化到O至I之間的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)； 所述步驟(6)具體是，將步驟(5)生成的二維紋理傳入片元著色器，光線投射算法獲取當(dāng)前采樣點(diǎn)的灰度值和梯度后作為輸入二維紋理之中，二維紋理分類后輸出對(duì)應(yīng)的RGBA值，并利用RGBA值進(jìn)行合成生成重建圖像。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK103745496SQ201310664190
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】贠照強(qiáng), 陽(yáng)維, 馮前進(jìn), 陳武凡 申請(qǐng)人:南方醫(yī)科大學(xué)