医学图像的三维可视化PPT课件
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• 面绘制实际上是显示对三维物体在二维平面上的 真实感投影，就像当视角位于某一点时，从该点 对三维物体进行“照相”，相片上显示的三维物体形 象。
医学图像的三维可视化
面绘制示例
医学图像的三维可视化
面绘制的方法
• 通过配准及插值后，建立面绘制所需的基本三维体数据， 选定作为表面显示的等值面的灰度阈值
医学图像的三维可视化
体绘制示例
医学图像的三维可视化
体绘制的方法
光线投射(Ray Casting)算法 • 对三维体数据进行预处理，包括对各断层二维图
像进行降噪； • 从显示屏幕的拟显示矩阵中的每个像素按照观察
视角发出光线，光线穿过三维数据场，直接将采 样点值作为顶点值或插值； • 使用梯度计算法计算各采样点的法向量，根据光 照模型进行物体表面明暗显示。 • 计算射线对屏幕显示矩阵中像素的贡献，即沿射 线由远及近的计算采样点的颜色和α值。
• MATLAB
医学图像的三维可视化
MATLAB6.5 • MATLAB6.5的图像处理工具箱实现了断层图像的
三维表面重建及体重建，原理简单，编程实现方 便。 • 在对头部CT图片进行的三维表面重建及体重建实 验中，重建速度快，显示效果良好，便于各类非 计算机专业人士推广应用。
医学图像的三维可视化
医学图像的三维可视化
基本的三维可视化技术
• 面绘制（Surface Rendering）技术 • 体绘制（Volume Rendering）技术 • 此外，多平面显示和曲面显示属于将三维体视数
据进行再切面，并将二维切面影像显示出来的技 术形式，因此也称二维重建或图像重排。
医学图像的三维可视化
面绘制
医学图像的三维可视化
医学图像的三维可视化
三维可视化的意义
• 多排螺旋CT等的应用使的使用三维形式显示组织 和器官变得可行且必要。
• 图像三维显示技术可以更好的显示数据和诊断信 息，为医生提供逼真的显示手段和定量分析工具。
• 三维显示还可以避免医生陷入二维图像的数据“海 洋”，防止过多浏览断层图像而造成漏诊率上升。
• 三维重建技术的实现方法包括两种： • 一种是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物
体的三维结构，称为表面绘制； • 另一种是直接将体像素以一定的颜色和透明度投
影到显示平面的方法，称为体绘制。
医学图像的三维可视化
• 表面重建运算量小，表面显示清晰，但对边缘检测 的要求比较高；
• 而体重建直接基于体数据进行显示，避免了重建过 程中所造成的伪像痕迹，但运算量较大。
医学图像的三维可视化
重建方法
医学图像的三维可视化
预处理
• 为了有利于从图像中准确地提取出有用的信息， 需要对原始图像进行预处理，以突出有效的图像 信息，消除或减少噪声的干扰。
图像格式的转换与读写
图像增强
医学图像的三维可视化
图像格式的转换与读写
• 正确读取DICOM图像后，通过选择合适的窗宽、 窗位，将窗宽范围内的值通过线性或非线性变换 转换为小于256的值，将CT图像转换为256色BMP 图像。
• 更严格的要求是直接基于DICOM图像进行重建， 但要注意DICOM图像灰阶较多，可以适当阶梯化 后进行处理，以提高处理速度。
医学图像的三维可视化
图像增强
• 图像增强就是根据某种应用的需要，人为地突出 输入图像中的某些信息，从而抑制或消除另一些 信息的处理过程。使输入图像具有更好的图像质 量，有利于分析及识别。
• 三维重建和三维可视化往往针对某一器官或某一 组织重建，因此可以增强目标器官的对比度或窗 口宽度。
（等值面）与立方体空间关系的具体拓扑状态（构型）； • 根据构型，通过线性插值确定等值面与立方体相交的三角
片顶点坐标，得到轮廓的具体位置；
医学图像的三维可视化
体绘制
• 直接由三维数据场产生屏幕上的二维图象，称为 体绘制算法。这种方法能产生三维数据场的整体 图象，包括每一个细节，并具有图象质量高、便 于并行处理等优点。体绘制不同于面绘制，它不 需要中间几何图元，而是以体素为基本单位，直 接显示图像。
医学图像的三维可视化
最大（小）密度投影
• 最大密度投影认为每个三维数据体的体素是一个 小的光源。按照图象空间绘制的理论，显示矩阵 的像素向外发出射线，沿观察者的视线方向，射 线穿过数据场遇到最大光强（最大密度值）时， 与最大密度相关的数据值投影在对应的屏幕上的 每个像素中形成最终图像。它可以看作是最简单 的一种图像空间体绘制，不需要定义体数据和颜 色值间的转换关系。最小密度投影道理相同，但 选择最小密度值作为屏幕像素值。
医学图像的三维可视化
磁共振MRA(最大密度投影)
医学图像的三维可视化
重建实例一—— 利用MATLAB实现 CT断层图像的三维重建
医学图像的三维可视化
三维重建的常用工具 与研究基础
C VTK wenku.baidu.comMITK MATLAB
医学图像的三维可视化
• 医学图像三维重建为人体结构提供了真实、直观 的反映，便于医学人员对病灶的观察及手术的进 行。但图像三维重建编程实现困难，不易被非计 算机专业人士所掌握。
• 紧邻上下两层数据对应的四个像素点构成一个立方体，或 对应成一个体素；
• 体素的共8个顶点按照前面得到的等值面阈值进行分类， 超过或等于阈值，则顶点算作等值面的内部点；小于阈值， 顶点算作等值面的外部点；
• 生成一个代表顶点内外部状态的二进制编码索引表 • 移动（前进）至下一个立方体，重复3－7步。 • 用此索引表查询一个长度为256的构型查找表，得到轮廓
医学图像的三维可视化
三维可视化的定义和分类
• 也称三维重建，是指通过对获得的数据或二维图 像信息进行处理，生成物体的三维结构，并按照 人的视觉习惯进行不同效果的显示。
• 常见的可视化形式有多平面重建（Multiplanar reconstruction，MPR）、 曲面显示(Curved multiplanar reconstruction，CMPR)、表面阴影显 示(Shaded surface Display，SSD)、最大（小）密 度投影(Maximum/minimum intensity projection， MIP)、虚拟内窥镜(Virtual endoscopy，VE)等。
医学图像的三维可视化
面绘制示例
医学图像的三维可视化
面绘制的方法
• 通过配准及插值后，建立面绘制所需的基本三维体数据， 选定作为表面显示的等值面的灰度阈值
医学图像的三维可视化
体绘制示例
医学图像的三维可视化
体绘制的方法
光线投射(Ray Casting)算法 • 对三维体数据进行预处理，包括对各断层二维图
像进行降噪； • 从显示屏幕的拟显示矩阵中的每个像素按照观察
视角发出光线，光线穿过三维数据场，直接将采 样点值作为顶点值或插值； • 使用梯度计算法计算各采样点的法向量，根据光 照模型进行物体表面明暗显示。 • 计算射线对屏幕显示矩阵中像素的贡献，即沿射 线由远及近的计算采样点的颜色和α值。
• MATLAB
医学图像的三维可视化
MATLAB6.5 • MATLAB6.5的图像处理工具箱实现了断层图像的
三维表面重建及体重建，原理简单，编程实现方 便。 • 在对头部CT图片进行的三维表面重建及体重建实 验中，重建速度快，显示效果良好，便于各类非 计算机专业人士推广应用。
医学图像的三维可视化
医学图像的三维可视化
基本的三维可视化技术
• 面绘制（Surface Rendering）技术 • 体绘制（Volume Rendering）技术 • 此外，多平面显示和曲面显示属于将三维体视数
据进行再切面，并将二维切面影像显示出来的技 术形式，因此也称二维重建或图像重排。
医学图像的三维可视化
面绘制
医学图像的三维可视化
医学图像的三维可视化
三维可视化的意义
• 多排螺旋CT等的应用使的使用三维形式显示组织 和器官变得可行且必要。
• 图像三维显示技术可以更好的显示数据和诊断信 息，为医生提供逼真的显示手段和定量分析工具。
• 三维显示还可以避免医生陷入二维图像的数据“海 洋”，防止过多浏览断层图像而造成漏诊率上升。
• 三维重建技术的实现方法包括两种： • 一种是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物
体的三维结构，称为表面绘制； • 另一种是直接将体像素以一定的颜色和透明度投
影到显示平面的方法，称为体绘制。
医学图像的三维可视化
• 表面重建运算量小，表面显示清晰，但对边缘检测 的要求比较高；
• 而体重建直接基于体数据进行显示，避免了重建过 程中所造成的伪像痕迹，但运算量较大。
医学图像的三维可视化
重建方法
医学图像的三维可视化
预处理
• 为了有利于从图像中准确地提取出有用的信息， 需要对原始图像进行预处理，以突出有效的图像 信息，消除或减少噪声的干扰。
图像格式的转换与读写
图像增强
医学图像的三维可视化
图像格式的转换与读写
• 正确读取DICOM图像后，通过选择合适的窗宽、 窗位，将窗宽范围内的值通过线性或非线性变换 转换为小于256的值，将CT图像转换为256色BMP 图像。
• 更严格的要求是直接基于DICOM图像进行重建， 但要注意DICOM图像灰阶较多，可以适当阶梯化 后进行处理，以提高处理速度。
医学图像的三维可视化
图像增强
• 图像增强就是根据某种应用的需要，人为地突出 输入图像中的某些信息，从而抑制或消除另一些 信息的处理过程。使输入图像具有更好的图像质 量，有利于分析及识别。
• 三维重建和三维可视化往往针对某一器官或某一 组织重建，因此可以增强目标器官的对比度或窗 口宽度。
（等值面）与立方体空间关系的具体拓扑状态（构型）； • 根据构型，通过线性插值确定等值面与立方体相交的三角
片顶点坐标，得到轮廓的具体位置；
医学图像的三维可视化
体绘制
• 直接由三维数据场产生屏幕上的二维图象，称为 体绘制算法。这种方法能产生三维数据场的整体 图象，包括每一个细节，并具有图象质量高、便 于并行处理等优点。体绘制不同于面绘制，它不 需要中间几何图元，而是以体素为基本单位，直 接显示图像。
医学图像的三维可视化
最大（小）密度投影
• 最大密度投影认为每个三维数据体的体素是一个 小的光源。按照图象空间绘制的理论，显示矩阵 的像素向外发出射线，沿观察者的视线方向，射 线穿过数据场遇到最大光强（最大密度值）时， 与最大密度相关的数据值投影在对应的屏幕上的 每个像素中形成最终图像。它可以看作是最简单 的一种图像空间体绘制，不需要定义体数据和颜 色值间的转换关系。最小密度投影道理相同，但 选择最小密度值作为屏幕像素值。
医学图像的三维可视化
磁共振MRA(最大密度投影)
医学图像的三维可视化
重建实例一—— 利用MATLAB实现 CT断层图像的三维重建
医学图像的三维可视化
三维重建的常用工具 与研究基础
C VTK wenku.baidu.comMITK MATLAB
医学图像的三维可视化
• 医学图像三维重建为人体结构提供了真实、直观 的反映，便于医学人员对病灶的观察及手术的进 行。但图像三维重建编程实现困难，不易被非计 算机专业人士所掌握。
• 紧邻上下两层数据对应的四个像素点构成一个立方体，或 对应成一个体素；
• 体素的共8个顶点按照前面得到的等值面阈值进行分类， 超过或等于阈值，则顶点算作等值面的内部点；小于阈值， 顶点算作等值面的外部点；
• 生成一个代表顶点内外部状态的二进制编码索引表 • 移动（前进）至下一个立方体，重复3－7步。 • 用此索引表查询一个长度为256的构型查找表，得到轮廓
医学图像的三维可视化
三维可视化的定义和分类
• 也称三维重建，是指通过对获得的数据或二维图 像信息进行处理，生成物体的三维结构，并按照 人的视觉习惯进行不同效果的显示。
• 常见的可视化形式有多平面重建（Multiplanar reconstruction，MPR）、 曲面显示(Curved multiplanar reconstruction，CMPR)、表面阴影显 示(Shaded surface Display，SSD)、最大（小）密 度投影(Maximum/minimum intensity projection， MIP)、虚拟内窥镜(Virtual endoscopy，VE)等。