在Matlab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)體繪制法的生物切片圖象的三維重建

1、計(jì)算機(jī)斷層、磁共振設(shè)備及數(shù)碼相機(jī)等的研(CT (MR制成功并投入使用,給生物學(xué)領(lǐng)域的研究帶來了革命性的變革,這些成象系統(tǒng)為生物學(xué)家提供了豐富的組織、器官的斷層圖象信息幫助他們更加直觀、迅速、準(zhǔn)確地研究生物的 ,組織結(jié)構(gòu)、所屬種類等。如何將這些切片圖象進(jìn)行三維重建并顯示已越來越受到人們的重視這是因?yàn)槿S生物切片圖 ,象能提供比二維切片圖象更加豐富的信息,得到生物組織、器官逼真的立體顯示。目前圖象三維重建的方法主要有兩大類:一類是基于表面的方法,另一類是基于體數(shù)據(jù)的方法?；诒砻娴姆椒ㄊ潜硎救S物體形狀最基本的方法,它可以提供三維物體形狀的全面信息。而基于體數(shù)據(jù)法的最大特點(diǎn)是不需要確立表面的幾何表

2、示,而直接基于體數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,這樣就避免了重建過程所造成的偽象痕跡,縮短了在體數(shù)據(jù)中尋找、計(jì)算物體表面的時(shí)間。這種方法不丟失細(xì)節(jié),更加準(zhǔn)確地反映出體數(shù)據(jù)所包含的形狀結(jié)構(gòu),本文采用體繪制的方法進(jìn)行生物切片圖象的三維重建。軟件環(huán)境提供了各種矩陣運(yùn)Matlab(MATrix LABoratory算、操作和圖象顯現(xiàn)工具。它已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)工程,圖象處理,統(tǒng)計(jì)分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文借助于Matlab 提供的一系列矩陣和圖象處理工具,實(shí)現(xiàn)生物切片圖象的基于體繪制法的三維重建,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所介紹的生物切片圖象的三維重建方法是有效的。三維生物切片圖象重建的方法1 體繪制實(shí)質(zhì)上是光線在媒介中傳播的近

3、似的模擬。媒介即體數(shù)據(jù),其類型與結(jié)構(gòu)隨所研究具體問題的不同而不同,在流體力學(xué)、氣象學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域,體數(shù)據(jù)常常是非均勻幾何結(jié)構(gòu)。如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或曲線化網(wǎng)格數(shù)據(jù),非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù) (xi, j, k, yi, j, k, zi, j, k據(jù)及混合型數(shù)據(jù)。典型的網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)是規(guī)則 (xi, yj, zk網(wǎng)格。G(xi, yj, zkx i ×=i L,i=0 , 1 , , N x ; y j ×=j M,j=0 , 1 , N y ; z k ×=k N,k=0 , 1 , N z ;分別為方向上節(jié)點(diǎn)之間的間距。L, M, Nx, y, z Nx, Ny, 分別為方向上的網(wǎng)

4、格點(diǎn)個(gè)數(shù),相鄰的個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)Nz x, y, z 8構(gòu)成一個(gè)長方體體元:網(wǎng)格點(diǎn)(x i , y j , z k 上的體數(shù)據(jù)為F(i, j, k=F(x i , y j , z k |(x i ,y j ,z k 。當(dāng)Gx i , y j , z k 不等距時(shí),稱為直線網(wǎng)格結(jié)構(gòu),大多數(shù)體繪制算法都假定數(shù)據(jù)場是規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或正方體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。當(dāng)數(shù)據(jù)場是其它結(jié)構(gòu)時(shí),可用插值方法將其變?yōu)橐?guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。也可直接進(jìn)行繪制。有多種體繪制方法,其中應(yīng)用最廣的是光線投射整體顯示方法。當(dāng)光線穿過媒介(體數(shù)據(jù)時(shí),它被反射、吸收或者被散射,甚至可能發(fā)生熒光和磷光現(xiàn)象。體繪制僅僅繪制出視覺上可見的部分,對(duì)那些大量的透明

5、的體素部分不予處理。由于光線在固定的環(huán)境中傳播,能很快地達(dá)到穩(wěn)定,因此我們認(rèn)為光線在給定的區(qū)域內(nèi)在一段時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的。首先根據(jù)體數(shù)據(jù)的值對(duì)每 f(x, y, z一數(shù)據(jù)點(diǎn)賦予不透明度值,及顏色值,再根據(jù)(O(R, G, B在環(huán)境下實(shí)現(xiàn)體繪制法的Matlab 生物切片圖象的三維重建徐云翔,吳秀清,胡擁軍中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程和信息科學(xué)系,合肥( 230026 摘要: 在生物學(xué)領(lǐng)域,如何將生物切片圖象進(jìn)行三維重建并顯示,日益受到人們所重視。體繪制法能夠避免重建過程所造成的偽象痕跡,縮短了在體數(shù)據(jù)中尋找、計(jì)算物體表面的時(shí)間和不丟失細(xì)節(jié),更加準(zhǔn)確地反映出體數(shù)據(jù)所包含的形狀結(jié)構(gòu)。提供了各種矩陣運(yùn)算、操M(fèi)

6、atlab 作和圖象顯現(xiàn)工具,文章利用工具箱采用體繪制法進(jìn)行生物切片圖象的三維重建,試驗(yàn)結(jié)果理想。Matlab 關(guān)鍵詞:體繪制;三維重建;Matlab3D Rebuilding of Biology Slice Image by Volume Rendering in Matlab,XU Yunxiang WU Xiuqing HU Yongjun(Department of Electronic Engineering and Information Technology,University of Science & Technology of China,Hefei 230026

7、【】Abstract The people increasingly attach importance how to reconstruct biology slice image to 3D image in the domain of biology. Because volume rendering has some specialties :avoiding the fake mark worked during the rebuilding, shortening time of finding in the volume and computing the surface, no

8、 droping the detail, more exactly reflecting figure structure of volume data and Matlab has offered lots of toolbox of matrix operation and processing image ,the testing result of 3D rebuilding of biology slice image is good by volume rendering in the environment of Matlab.【】;Key words Volume render

9、ing 3D rebuilding Matlab第27卷第12期Vol.27 12計(jì)算機(jī)工程Computer Engineering2001年12月December 2001 多媒體技術(shù)及應(yīng)用中圖分類號(hào): TP391文章編號(hào):10003428(200112 011402×文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1141k 1,j 1,(i , 1k 1,j (i, , 1k j,1,(i , 1k j,(i, , k1,j 1,(i k,1,j (i, , kj,1,(i , kj,(i, k j, Celli, +=各數(shù)據(jù)點(diǎn)所在處的梯度及光照模型計(jì)算出各數(shù)據(jù)點(diǎn)的光照強(qiáng)度,然后將投射到圖象平面中同一象素點(diǎn)的各

10、數(shù)據(jù)的半透明彩色值綜合在一起,最后形成圖象。假定光線在體數(shù)據(jù)中的點(diǎn)以方向傳播,方向范圍為r S 2,則其亮度公式為:其中是吸收系數(shù),是散射方程,是散射核。利用工具箱進(jìn)行生物切片圖象的三維重建2 Matlab 本文采用體數(shù)據(jù)表示的方法進(jìn)行生物切片圖象的三維重建,因?yàn)轶w繪制法的數(shù)據(jù)量龐大,涉及大量的矩陣、光線、色彩、陰影和觀察者視角變換的計(jì)算,這給非計(jì)算機(jī)專業(yè)的生物學(xué)領(lǐng)域的研究者帶來相當(dāng)大的困難。提供了豐富Matlab 的矩陣和圖象計(jì)算工具,可以利用工具箱進(jìn)行生物切Matlab 片圖象的體繪制法三維重建。圖象的三維重建分為對(duì)象整體三維重建和對(duì)象局部三維重建兩部分。對(duì)象整體三維重建2.1 生物切片圖

11、象的整體三維重建步驟分為:(數(shù)據(jù)采集1對(duì)采集到的幅生物組織切片的×尺寸的圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行三維n x y 體數(shù)據(jù)集的構(gòu)造,得到××的矩陣。如圖所示。D x y n 1(數(shù)據(jù)預(yù)處理和平滑2構(gòu)造所得到的體數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)量大,可根據(jù)實(shí)際情況利用函數(shù)對(duì)體數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理,以降低所處理的數(shù)據(jù)reducevolume D 量。;其中x,y,z,D = reducevolume(D,a,b,c D = smooth3(Da,b,c 個(gè)參數(shù)為軸、軸和軸數(shù)據(jù)抽取比例。3x y z 圖三維體數(shù)據(jù)集的構(gòu)造1 (體數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)透明表面的繪制3 利用函數(shù)計(jì)算體數(shù)據(jù)集的在顯示平面累計(jì)投影。isosurf

12、ace ;其中在第二步已經(jīng)得fv = isosurface(x,y,z,D ,isovaluex,y,z,D 到,的值根據(jù)實(shí)際情況自定。isovalue (構(gòu)造結(jié)果圖象碎片4 利用函數(shù)來對(duì)圖象子區(qū)域進(jìn)行分類,可以定義結(jié)果圖象的patch 顏色,光線等信息。;其中為第p1 = patch(fv, 'FaceColor',yourscol,'EdgeColor','none'fv 步計(jì)算所得,為自定義的所期望顯示的顏色。3yourscol (計(jì)算碎片的法線方向5 利用函數(shù)計(jì)算第步得圖形子區(qū)域頂部法線方向。isonormals 4。isonormals

13、(x,y,z,D,p1(計(jì)算三維圖象的幾何邊界6 利用函數(shù)計(jì)算三維圖象的幾何邊界。isocaps fvc = isocaps(x,y,z,其中的參數(shù)如第三步所定義。D,isovalue;(利用第步所得結(jié)果替換重復(fù)第步7 6fv 4(圖象顯示8 利用,等函view daspect colormap camlightlighting 數(shù)顯現(xiàn)圖象。其中函數(shù)定義觀察者視角,定義view daspect x 軸、軸和軸的比例,定義圖象的顏色集,y z colormap lighting 定義顯現(xiàn)圖象的光線陰影。對(duì)象局部三維重建2.2 生物切片圖象的局部三維重建過程分為:(局部數(shù)據(jù)的提取1 利用函數(shù)對(duì)對(duì)對(duì)

14、象整體三維重建中所得到的subvolume 數(shù)據(jù)進(jìn)行局部提取。D x,y,z,D = subvolume(D,x1,y1,z1,x2,y2,z2;其中為在體數(shù)據(jù)集中所要提取的局部x1,y1,z1,x2,y2,z2信息的范圍。(重復(fù)整體三維重建的第、步2 345678試驗(yàn)結(jié)果3 對(duì)人腦圖象進(jìn)行三維重建,部分切片圖象如圖所MRI 2示。圖象尺寸為×。人腦切片圖象整體和局部三維128128重建如圖所示。本文所示的結(jié)果圖象視角可以通過3view (函數(shù)根據(jù)實(shí)際情況自定。本文采用體繪制的方法,利用圖象處理工具箱實(shí)Matlab 現(xiàn)了人腦切片圖象的整體三維重建和局部三維重建。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文所采

15、取得三維重建方法效果理想,方法簡單,在實(shí)際中具有較廣的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 Roux C,Contrieux J L.Contemporary Perspectives in Three-dimensional Biomedical Imaging.IOS Press,19972 Vannier M W,Marsh JL,Warren J O.Three Dimensional Computer Graphics for Craniofacial Surgical Planning and Evaluation.CG,1983, 17(3:2632733 Brewster L J.Interactive Surgical Planning.IEEE Comput&Appl.,1984, 4(1 :31424 Bloch P.Application of Computerized Tomography to Radiation Theraphy and Surgical Planning.Proc IEEE,1983,71(3 :3513625 Keppel E.Approximati