基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，步驟為：(1)讀入體數(shù)據(jù)，根據(jù)兩維傳遞函數(shù)空間所需的兩個屬性值對每個體素計算，并由此構(gòu)造該傳遞函數(shù)空間；(2)為得到完整的感興趣結(jié)構(gòu)并消除分水嶺算法的過分割問題，首先在步驟(1)構(gòu)建的傳遞函數(shù)空間設(shè)置傳遞函數(shù)分類器組件并確定感興趣結(jié)構(gòu)的數(shù)目，然后自動地修正原始體數(shù)據(jù)的灰度值；(3)對修正的體數(shù)據(jù)，基于其灰度值采用分水嶺算法得到分類結(jié)果，從而將重疊于兩維傳遞函數(shù)空間中的感興趣結(jié)構(gòu)同時識別出來。本發(fā)明原理簡單、便于理解，且易于在現(xiàn)有的兩位傳遞函數(shù)空間和可視化系統(tǒng)中實現(xiàn)。
【專利說明】基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機(jī)圖形學(xué)中的三維可視化領(lǐng)域，具體地，涉及一種識別體數(shù)據(jù)中感興趣結(jié)構(gòu)的新方法，即基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著新的影像采集技術(shù)(例如:CT、MRI和PET等)在臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，產(chǎn)生了大量的醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)，為了更好的輔助醫(yī)生處理和分析這些三維數(shù)據(jù)，需要有新的數(shù)據(jù)分析和可視化方法。直接體繪制(Direct Volume Rendering)是一種可以顯示組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維可視化方法。因為其最終繪制結(jié)果的每個像素值是由該像素向體數(shù)據(jù)投射一條光線上的所有體素的光學(xué)屬性值(顏色值和阻光度值)累積產(chǎn)生的，即不是只有結(jié)構(gòu)表面上的體素對其有貢獻(xiàn)而是整個體數(shù)據(jù)的體素對繪制結(jié)果都是有影響的。所以直接體繪制可以為醫(yī)生提供更加豐富的組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息和周圍組織的空間信息，從而為醫(yī)生對疾病的診斷提供了更好的依據(jù)。因為直接體繪制方法在分析和可視化醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)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(shù)(Transfer Function)可以指定體數(shù)據(jù)中體素的光學(xué)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(jié)構(gòu)，阻光度值決定體數(shù)據(jù)中體素的透明度。所以傳遞函數(shù)決定了體繪制的最終繪制結(jié)果，其作為體繪制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]由于兩維傳遞函數(shù)空間不僅擁有直觀的交互界面利于用戶的理解，而且具有較好的識別體數(shù)據(jù)中感興趣結(jié)構(gòu)的能力，因此她是作為一種實用的傳遞函數(shù)空間應(yīng)用于醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的分析和可視化中?，F(xiàn)在常用的兩維空間有=Kindlmann et.al提出的基于灰度-梯度幅值兩維空間，Haidach et.al提出的基于統(tǒng)計量的兩維空間，Scrcda et.al的LH空間等等。但由于醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，只有兩個屬性的兩維傳遞函數(shù)空間有時無法很好識別出感興趣結(jié)構(gòu)。所以為增強(qiáng)傳遞函數(shù)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(shù)空間中構(gòu)造高維傳遞函數(shù)空間。但隨著空間維數(shù)的增加，如何直觀的表示高維信息以利于用戶交互是必須面對的一個難題，而對不同類型的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)中包含該屬性對的體素的個數(shù)所決定，所以當(dāng)不同的結(jié)構(gòu)在傳遞函數(shù)空間有著相似的區(qū)域時，就無法直接通過設(shè)置傳遞函數(shù)將其識別出。例如圖5(a)中一個模擬數(shù)據(jù)，包含2個在空間上相連的球狀結(jié)構(gòu)O1和O2，如果要利用兩維傳遞函數(shù)將其分開，則它們必須在空間中對應(yīng)兩個‘拱形’結(jié)構(gòu)，但由于這兩個結(jié)構(gòu)具有相同的屬性信息，所以被投影到傳遞函數(shù)空間的同一位置(圖5(b))，因此無法通過設(shè)置傳遞函數(shù)將其分開。通過發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn):位于結(jié)構(gòu)內(nèi)的體素其灰度值是相近的甚至相等的，而位于空間相連結(jié)構(gòu)的邊界處的灰度值是低于構(gòu)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(shù)據(jù)中相連結(jié)構(gòu)的灰度值的一個局部特征。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為提高傳統(tǒng)的兩維傳遞函數(shù)空間對感興趣結(jié)構(gòu)的識別能力，本發(fā)明提出一種基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，在不增加空間維數(shù)的前提下，可以取得高維傳遞函數(shù)的分類效果。依據(jù)感興趣結(jié)構(gòu)中體素的灰度值分布特性，采用基于灰度值的分水嶺算法識別出重疊于兩維傳遞函數(shù)空間的感興趣結(jié)構(gòu)，又因為分水嶺算法對體素的灰度值過于敏感，容易過分割感興趣結(jié)構(gòu)，因此本發(fā)明根據(jù)用戶設(shè)置的傳遞函數(shù)和確定的感興趣結(jié)構(gòu)的個數(shù)自動修正原始體數(shù)據(jù)的灰度值來消除這個問題。
[0007]為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:首先在兩維傳遞函數(shù)空間設(shè)置傳遞函數(shù)并確定感興趣結(jié)構(gòu)的數(shù)目，然后自動修正原始體數(shù)據(jù)的灰度值，根據(jù)修正之后的灰度值利用分水嶺算法對屬于用戶設(shè)置的傳遞函數(shù)的體素進(jìn)行分類，從而可以自動地識別出重疊于兩維傳遞函數(shù)空間的感興趣結(jié)構(gòu)。通過繪制識別出來的不同的感興趣結(jié)構(gòu)，可以消除不感興趣結(jié)構(gòu)對其的遮擋以及它們之間的相互遮擋。
[0008]本發(fā)明所述基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其步驟如下:
[0009](I)讀入體數(shù)據(jù):根據(jù)兩維傳遞函數(shù)空間所需的兩個屬性值對每個體素計算，并由此構(gòu)造該傳遞函數(shù)空間。
[0010]在本步驟中，根據(jù)兩維傳遞函數(shù)空間所需的兩個屬性值對體數(shù)據(jù)中的每個體素計算其所需的兩個屬性值X和1，然后由此構(gòu)成兩維傳遞函數(shù)空間。而兩維空間中的每個像素的亮度值lhistogM(x，y)是由體數(shù)據(jù)中同時具有這兩個屬性值的體素的個數(shù)Inum(x，y)取對數(shù)得到的:
【權(quán)利要求】
1.一種基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)讀入體數(shù)據(jù)，根據(jù)兩維傳遞函數(shù)空間所需的兩個屬性值對每個體素計算，并由此構(gòu)造該傳遞函數(shù)空間； (2)為得到完整的感興趣結(jié)構(gòu)并消除分水嶺算法的過分割問題，首先在步驟(1)構(gòu)建的傳遞函數(shù)空間設(shè)置傳遞函數(shù)分類器組件并確定感興趣結(jié)構(gòu)的數(shù)目，然后自動地修正原始體數(shù)據(jù)的灰度值； (3)對經(jīng)過步驟(2)修正的體數(shù)據(jù)，基于其灰度值采用分水嶺算法得到分類結(jié)果，從而將重疊于兩維傳遞函數(shù)空間中的感興趣結(jié)構(gòu)同時識別出來，即通過單獨(dú)顯示識別出的感興趣結(jié)構(gòu)來消除其他不感興趣結(jié)構(gòu)的遮擋，或者通過對識別出的不同結(jié)構(gòu)的任意組合顯示來消除這些結(jié)構(gòu)之間的彼此遮擋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于所述的步驟(1)中兩維傳遞函數(shù)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(shù)的對數(shù)決定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于所述的步驟(2)中在設(shè)置傳遞函數(shù)的分類器組件時，為得到令人滿意的感興趣結(jié)構(gòu)的繪制結(jié)果，用戶在傳遞函數(shù)空間設(shè)置不同形狀的分類組件，然后通過不斷的調(diào)節(jié)該組件并觀察由于傳遞函數(shù)的改變而繪制出的新結(jié)果，從而確定最終的傳遞函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于所述的步驟(2)中用戶設(shè)置傳遞函數(shù)時，需要確定感興趣結(jié)構(gòu)的數(shù)目，為自動修正體數(shù)據(jù)的灰度值提供終止條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于所述的步驟(2)中自動修正原始體數(shù)據(jù)的灰度值時，依據(jù)用戶設(shè)置的傳遞函數(shù)和確定的感興趣結(jié)構(gòu)數(shù)目，查找一個使這些感興趣結(jié)構(gòu)彼此分開的灰度值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于所述的步驟(2)中自動修正原始體數(shù)據(jù)的灰度值時，遍歷整個體數(shù)據(jù)，對不屬于用戶設(shè)置的傳遞函數(shù)的體素將其灰度值設(shè)置為O，否則灰度值不變，在后續(xù)處理中只考慮屬于用戶設(shè)置的傳遞函數(shù)范圍內(nèi)的體素。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于所述的步驟(2)中對于經(jīng)過修正的體數(shù)據(jù)，遍歷該體數(shù)據(jù)，對既屬于用戶設(shè)置的傳遞函數(shù)又不小于查找到的灰度值的體素將其設(shè)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(jié)構(gòu)的體素作為局部極大值，使這些體素位于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(xiàn)象。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于所述的步驟(3)中對修正以后的體數(shù)據(jù)的灰度值取反，然后利用分水嶺算法將這些重疊于兩維傳遞函數(shù)空間中的感興趣結(jié)構(gòu)同時識別出來。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于所述的步驟(3)中所采用的分水嶺算法時，是利用體素的26鄰域的連通性進(jìn)行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩維傳遞函數(shù)的自動識別重疊結(jié)構(gòu)的體繪制方法，其特征在于所述的步驟(3)中為消除其他不感興趣的結(jié)構(gòu)的遮擋只顯示感興趣的結(jié)構(gòu)，將這些不感興趣結(jié)構(gòu)的阻光度設(shè)置為O;所述的步驟(3)中為消除感興趣結(jié)構(gòu)彼此之間的遮擋時，將遮擋的感興趣 結(jié)構(gòu)的阻光度設(shè)置為O，從而只顯示被遮擋住的感興趣結(jié)構(gòu)。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】宋沂鵬, 楊杰 申請人:上海交通大學(xué)