基于体数据空间相似性的传输函数优化设计方法
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ． Ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｐ ｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｆ ｅ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｓ ｐａ ｃ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ，ａ ｓ ｐａ ｔ ｉ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｉ ｌ ａ ｒ ｉ ｔ ｙ ｍｅ ａ ｓ ｕｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｉ ｓ
地 实 现 体数 据 中感 兴 趣 特 征 的分 析 与 可 视 化 ． 大量 的实 验 结 果 、 效 率 对 比 及 用 户 体 验 反 馈 信 息 进 一 步 验 证 了该 文
算 法 的 有 效 性 与 实 用性 ．
关键词 体数据 ； 传 输 函数 ； 特征空 间； 光 学参 数 ； 可 见 性
ｒ ｏ ｌ ｅ ｉ ｎ ｈｉ ｇｈ — ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎｔ ｖ ｏｌ ｕ ｍｅ ｅ ｘｐ ｌ ｏｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ．Ｉ ｎｓ ｐｉ ｒ ｅ ｄ ｂｙ ｐｏ ｐｕ ｌ ａ ｒ ｓ ｃ ｈｅ ｍｅ ｓ ，ｗｅ ｐｒ ｏ ｐｏ ｓ ｅ ａ ｎｏ ｖ ｅ ｌ ｈｉ ｇ ｈ—
Ｔ Ｐ ３ ９ １ Ｄ ＯＩ 号 １ ０ ． １ １ ８ ９ ７ ／ Ｓ Ｐ ． Ｊ ． １ ０ １ ６ ． ２ ０ １ ５ ． ０ １ ２ ６ ８
中图 法 分 类 号
Ｓ ｐ ａ ｔ ｉ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｉ ｌ ａ ｒ ｉ ｔ ｙ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ａｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ Ｆｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ
Ｔｒ ａ ｎｓ ｆ ｅ ｒ ｆ ｕ ｎｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ａ ｋｅ ｙ ｓ ｔ ｅ ｐ ｉ ｎ ｖ ｏｌ ｕ ｍｅ ｖ ｉ ｓ ｕａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ａ ｌ ｓ ｏ ｐｌ ａ ｙ ｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎｔ
布 与 目标 可见 性 分 布 的差 异 ， 近 似求 解 能量 方 程 的梯 度 ， 加 速光 学 参 数 向量 的迭 代 优 化 ， 以高 效 地 实 现 光 学 参 数 优
化 设计 ． 相 比于 传 统 的 传 输 函数 设 计 方法 ， 该 方 法 有效 耦 合 特 征 空 间分 析 及 光 学 参 数 映 射 过 程 ， 可 以 帮 助 用 户 快 速
ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ，ａ ｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ
周志光” 张 斌 陶 煜波 林 海
”（ 浙 江财 经 大 学 信 息 学 院 杭 州 ３ １ ０ ０ １ ８ ）
（ 浙 江 大学 Ｃ ＡＤ＆ Ｃ Ｇ 国 家重 点 实 验 室
杭 州 ３ １ ０ ０ ５ ８ ）
摘 要 传 输 函数 设 计 是 体 数 据 可 视 化 流 程 的 重 要 环 节 ， 高 效 的 传 输 函 数 设 计 方 法 是 提 升 体 数 据 可 视 化 效 率 的 关 键． 在 传 统 传 输 函 数设 计 的 基础 上 ， 该 文 以提 升 体 数 据 特 征 可视 化 及 分 析 效 率 为 目标 ， 提 出一 种 基 于 体 数 据 空 间 相 似 性 的 传 输 函 数 优化 设 计 方 法 ． 在 特 征 空 间分 析 过 程 中 ， 结合 体数据 空间位置 信息 ， 定 义 特 征 空 间 相 似 性 度 量 标 准， 对 一 维 传 输 函 数 特 征 空 间进 行 自适 应 划 分 ； 在 光 学 参 数 映射 过程 中 ， 定 义 能 量 方 程 描 述 感 兴 趣 特 征 的可 见 性 分
第 ３ ８卷 第 ６期 ２ ０ １ ５年 ６ 月
计
算
机
学
报
Ｖｏ １ ． ３８ ＮＯ． ６
ＣＨＩ ＮＥＳ Ｅ Ｊ ｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＣＯＭ ＰＵＴＥＲＳ
Ｊ ｕ ｎ ｅ ２ ０ １ ５
基 于体 数 Leabharlann Baidu 空 间相似 性 的传 输 函数 优 化 设计 方 法
ｉ ｎｔ ｒ ｏ ｄｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｄａ ｐｔ ｉ ｖｅ ｌ ｙ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｆ ｙ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎａ ｌ ｆ ｅ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏｎ ａ １ １ Ｄ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｆ ｕ ｎｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ，ｗ ｉ ｔ ｈ
Ｖｏ ｌ ｕ ｍｅ Ｖｉ ｓ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ Ｏ ｎ
Ｚ Ｈ０Ｕ Ｚ ｈ ｉ — Ｇｕ ａ ｎ ｇ ’ ， 。 Ｚ ＨＡ ＮＧ Ｂ ｉ ｎ ’ ＴＡ０ Ｙｕ — Ｂｏ Ｌ Ｉ Ｎ Ｈａ ｉ ’
”（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｆ ｉ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍｉ ｃ ｓ ，Ｈａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ １ ８ ） （ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｃ ＡＤ＆ Ｃ Ｇ。 Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｈａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ ５ ８ ）
基于体数据空间相似性的传输函数优化设计方法间消耗以及近似迭代优化的时间消耗可以看出基于空间相似性的特征空间分析过程花费的时间与体数据大小有关随着体数据规模的变大特征空间分析的时间复杂度亦随之增加然而特征空间分析过程可以在预计算中实现且分类结果可以保存对同类数据可以重用一定程度上节约了计算成本相比于传统的最速梯度下降法近似的能量方程梯度计算方法可以简化特征可见性分布的统计过程实现高效的光学参数迭代优化进一步提升了体数据可视化及分析效率增强本文算法的实用性不同体数据利用本文算法进行可视化分析的过程及效率对比体数据大小分类特征个感兴趣特征个优化vismale25625612810662129391763ncatphantom25625625613682587315027head25625622512033031511419tooth12012016104812321711003engine256256128098927231511用户反馈本文提供了一种高效的传输函数设计方法利用空间相似性度量标准实现一维特征空间自适应划分进而定义目标可见性分布以实现光学参数自动优化设计然而算法流程仍需用户提供大量的先验知识及交互操作以获得满足应用需求的体数据可视化结果为了进一步验证本文算法的高效性与实用性设计了一个用户反馈实验其中用户群体是由17生构成其中计算机专业11位医学专业实验之前为用户群体提供专业的体数据可视化传输函数设计指导详细介绍传统的一维传输函数二维传输函数以及本文算法的设计原理并保证用户群体具备传输函数设计的知识和基本实践能力开始实验用户群体对相同体数据采用不同传输函数设计方案进行可视化与分析直至获得满意的可视化结果为止记录传输函数设计时间最后统计针对不同体数据用户群体利用不同传输函数设计方案完成可视化的平均时间结果如图传输函数设计方案完成可视化的平均时间统计可以看出相比传统的交互试错的传输函数设计方案本文算法可以在用户简单的交互作用下快速地实现感兴趣特征的可视化可视化效率明显提升具有较强的实用性不足之处相比于传统的传输函数设计方法本文算法自动化特征空间分析过程自适应实现光学参数优化设计提升了体数据可视化及分析效率但是仍然存在如下一维特征空间分析难以辨识具有相同或相近标量值属性的不同特征对于标量值范围显著不同的皮肤肌肉骨骼等特征分类过程自动效果较好而在对标量值界限模糊的不同特征进行分类的过程中则表现出一定的局限性如可以进
地 实 现 体数 据 中感 兴 趣 特 征 的分 析 与 可 视 化 ． 大量 的实 验 结 果 、 效 率 对 比 及 用 户 体 验 反 馈 信 息 进 一 步 验 证 了该 文
算 法 的 有 效 性 与 实 用性 ．
关键词 体数据 ； 传 输 函数 ； 特征空 间； 光 学参 数 ； 可 见 性
ｒ ｏ ｌ ｅ ｉ ｎ ｈｉ ｇｈ — ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎｔ ｖ ｏｌ ｕ ｍｅ ｅ ｘｐ ｌ ｏｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ．Ｉ ｎｓ ｐｉ ｒ ｅ ｄ ｂｙ ｐｏ ｐｕ ｌ ａ ｒ ｓ ｃ ｈｅ ｍｅ ｓ ，ｗｅ ｐｒ ｏ ｐｏ ｓ ｅ ａ ｎｏ ｖ ｅ ｌ ｈｉ ｇ ｈ—
Ｔ Ｐ ３ ９ １ Ｄ ＯＩ 号 １ ０ ． １ １ ８ ９ ７ ／ Ｓ Ｐ ． Ｊ ． １ ０ １ ６ ． ２ ０ １ ５ ． ０ １ ２ ６ ８
中图 法 分 类 号
Ｓ ｐ ａ ｔ ｉ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｉ ｌ ａ ｒ ｉ ｔ ｙ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ａｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ Ｆｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ
Ｔｒ ａ ｎｓ ｆ ｅ ｒ ｆ ｕ ｎｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ａ ｋｅ ｙ ｓ ｔ ｅ ｐ ｉ ｎ ｖ ｏｌ ｕ ｍｅ ｖ ｉ ｓ ｕａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ａ ｌ ｓ ｏ ｐｌ ａ ｙ ｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎｔ
布 与 目标 可见 性 分 布 的差 异 ， 近 似求 解 能量 方 程 的梯 度 ， 加 速光 学 参 数 向量 的迭 代 优 化 ， 以高 效 地 实 现 光 学 参 数 优
化 设计 ． 相 比于 传 统 的 传 输 函数 设 计 方法 ， 该 方 法 有效 耦 合 特 征 空 间分 析 及 光 学 参 数 映 射 过 程 ， 可 以 帮 助 用 户 快 速
ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ，ａ ｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ
周志光” 张 斌 陶 煜波 林 海
”（ 浙 江财 经 大 学 信 息 学 院 杭 州 ３ １ ０ ０ １ ８ ）
（ 浙 江 大学 Ｃ ＡＤ＆ Ｃ Ｇ 国 家重 点 实 验 室
杭 州 ３ １ ０ ０ ５ ８ ）
摘 要 传 输 函数 设 计 是 体 数 据 可 视 化 流 程 的 重 要 环 节 ， 高 效 的 传 输 函 数 设 计 方 法 是 提 升 体 数 据 可 视 化 效 率 的 关 键． 在 传 统 传 输 函 数设 计 的 基础 上 ， 该 文 以提 升 体 数 据 特 征 可视 化 及 分 析 效 率 为 目标 ， 提 出一 种 基 于 体 数 据 空 间 相 似 性 的 传 输 函 数 优化 设 计 方 法 ． 在 特 征 空 间分 析 过 程 中 ， 结合 体数据 空间位置 信息 ， 定 义 特 征 空 间 相 似 性 度 量 标 准， 对 一 维 传 输 函 数 特 征 空 间进 行 自适 应 划 分 ； 在 光 学 参 数 映射 过程 中 ， 定 义 能 量 方 程 描 述 感 兴 趣 特 征 的可 见 性 分
第 ３ ８卷 第 ６期 ２ ０ １ ５年 ６ 月
计
算
机
学
报
Ｖｏ １ ． ３８ ＮＯ． ６
ＣＨＩ ＮＥＳ Ｅ Ｊ ｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＣＯＭ ＰＵＴＥＲＳ
Ｊ ｕ ｎ ｅ ２ ０ １ ５
基 于体 数 Leabharlann Baidu 空 间相似 性 的传 输 函数 优 化 设计 方 法
ｉ ｎｔ ｒ ｏ ｄｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｄａ ｐｔ ｉ ｖｅ ｌ ｙ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｆ ｙ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎａ ｌ ｆ ｅ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏｎ ａ １ １ Ｄ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｆ ｕ ｎｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ，ｗ ｉ ｔ ｈ
Ｖｏ ｌ ｕ ｍｅ Ｖｉ ｓ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ Ｏ ｎ
Ｚ Ｈ０Ｕ Ｚ ｈ ｉ — Ｇｕ ａ ｎ ｇ ’ ， 。 Ｚ ＨＡ ＮＧ Ｂ ｉ ｎ ’ ＴＡ０ Ｙｕ — Ｂｏ Ｌ Ｉ Ｎ Ｈａ ｉ ’
”（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｆ ｉ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍｉ ｃ ｓ ，Ｈａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ １ ８ ） （ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｃ ＡＤ＆ Ｃ Ｇ。 Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｈａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ ５ ８ ）
基于体数据空间相似性的传输函数优化设计方法间消耗以及近似迭代优化的时间消耗可以看出基于空间相似性的特征空间分析过程花费的时间与体数据大小有关随着体数据规模的变大特征空间分析的时间复杂度亦随之增加然而特征空间分析过程可以在预计算中实现且分类结果可以保存对同类数据可以重用一定程度上节约了计算成本相比于传统的最速梯度下降法近似的能量方程梯度计算方法可以简化特征可见性分布的统计过程实现高效的光学参数迭代优化进一步提升了体数据可视化及分析效率增强本文算法的实用性不同体数据利用本文算法进行可视化分析的过程及效率对比体数据大小分类特征个感兴趣特征个优化vismale25625612810662129391763ncatphantom25625625613682587315027head25625622512033031511419tooth12012016104812321711003engine256256128098927231511用户反馈本文提供了一种高效的传输函数设计方法利用空间相似性度量标准实现一维特征空间自适应划分进而定义目标可见性分布以实现光学参数自动优化设计然而算法流程仍需用户提供大量的先验知识及交互操作以获得满足应用需求的体数据可视化结果为了进一步验证本文算法的高效性与实用性设计了一个用户反馈实验其中用户群体是由17生构成其中计算机专业11位医学专业实验之前为用户群体提供专业的体数据可视化传输函数设计指导详细介绍传统的一维传输函数二维传输函数以及本文算法的设计原理并保证用户群体具备传输函数设计的知识和基本实践能力开始实验用户群体对相同体数据采用不同传输函数设计方案进行可视化与分析直至获得满意的可视化结果为止记录传输函数设计时间最后统计针对不同体数据用户群体利用不同传输函数设计方案完成可视化的平均时间结果如图传输函数设计方案完成可视化的平均时间统计可以看出相比传统的交互试错的传输函数设计方案本文算法可以在用户简单的交互作用下快速地实现感兴趣特征的可视化可视化效率明显提升具有较强的实用性不足之处相比于传统的传输函数设计方法本文算法自动化特征空间分析过程自适应实现光学参数优化设计提升了体数据可视化及分析效率但是仍然存在如下一维特征空间分析难以辨识具有相同或相近标量值属性的不同特征对于标量值范围显著不同的皮肤肌肉骨骼等特征分类过程自动效果较好而在对标量值界限模糊的不同特征进行分类的过程中则表现出一定的局限性如可以进