CN101290684A - 三维超声图像的快速体绘制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维超声图像的快速体绘制方法与装置。所述方法包括划分步骤、计算步骤、判断步骤、闭合操作步骤和填充步骤，其中对每个平坦栅格，利用其四个顶点位置上像素灰度值通过插值得出内部所有像素的灰度值，从而填充整个栅格；对于非平坦栅格，重复执行划分步骤、计算步骤、判断步骤、闭合操作步骤和填充步骤，直至将所述非平坦栅格划分为原子栅格，从而投射计算剩余的所有像素的灰度值。所述装置包括划分模块、计算模块、判断模块、闭合操作模块和填充模块。本发明可在后端完成，实现难度较小，而且也不需要前几帧的适应过程。因此，本发明可以在不损失图像质量的前提下，更有效地提高绘制速度，以便充分发挥三维超声成像的优势。

Description

三维超声图像的快速体绘制方法与装置

技术领域

本发明涉及一种图像的绘制方法与装置，尤其是涉及一种三维超声图像的快速体绘制方法与装置。

背景技术

传统的医疗影像设备只能提供人体内部的二维图像，医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，以此想象病灶与其周围组织的三维几何关系，这给治疗带来了困难。而三维可视化技术可以由一系列二维图像重构出三维形体，并在终端显示出来。因此，不仅能得到有关成像物体直观、形象的整体概念，而且还可保存许多重要的三维信息。由于超声成像较CT、MRI具有无创、无电离辐射以及操作灵活等明显优势，所以超声三维成像势必会在医学临床上得到广泛的应用，开展超声领域中的三维可视化研究显得十分必要。

目前有两种获取三维超声体数据的方法：一种是利用现有的二维超声诊断设备，结合某种定位机械，获取一系列空间位置已知的二维组织超声图像，进而以离线方式获取三维体数据；另一种是利用二维面阵探头发射金字塔形体积超声束，从而获得实时的三维体数据。

所谓绘制(Rendering，又作“渲染”)，是指使用可视化算法对体数据进行计算，从而获得可视信息，并最终显示到计算机屏幕上。目前超声图像的三维可视化算法主要分为两大类：一类是表面绘制方法(Surface Rendering)，该方法需要对体数据进行分类，并由此构造出中间几何元素，然后由传统的计算机图形学技术实现画面绘制。对于超声图像，此算法极易造成虚假的面显示和空洞现象。另一类是直接体绘制方法(Direct Volume Rendering)，该算法直接由体数据产生屏幕上的二维图像，它不需要对体数据进行分类和构造中间几何元素，保留了三维医学细节信息，增强了整体绘制效果，但同时也增加了计算上的开销。

光线投射算法属于一种直接体绘制方法，其原理是：通过视点与视平面图像上每个像素的连线方向发射虚拟光线，光线穿透体数据，对体数据进行重采样，并根据光学的吸收-发散模型进行合成，最终得到该像素的灰度结果，如图1所示。该算法是三维体数据可视化的经典方法，但是，因其大量的计算开销，对于三维超声的巨大数据量，难以满足实时的要求。

事实上，实时性正是多年来制约三维超声实际应用的重要因素。因此，需要研究三维超声的快速绘制方法，这对医学临床具有重大的意义。

专利文献US2002/0007680A1，名称为《使用超声检查物体的方法(Method for Examining Objects Using Ultrasound)》，公开了一种加快三维超声成像速度的方法，简述如下：将体数据划分为若干区域，判断每个区域对应的物体局部是否具有较多信息，对含有较多信息的物体局部，将采用较密集的扫描密度和/或较快的扫描频率，反之则采用较稀疏的扫描密度和/或较慢的扫描频率。

上述专利文献中公开的方法是在前端实现的，制造这样的设备难度较大，而且该方法主要有以下两个缺点：首先，对体数据的划分方法过于粗略，难以保证一个区域内各处的信息密集程度一致；其次，使用“运动检测器”判断每个区域对应的物体局部是否具有较多信息，不够准确。这是因为，第一，运动的剧烈程度不能完全代表信息的密集程度；第二，以当前帧数据判断的结果不能保证在下一帧仍然有效；第三，每次启动或参数改变后，至少要经过前两帧的适应过程，从第三帧开始才能够稳定。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有方法的这些缺点，提供一种三维超声图像的体绘制方法与装置，来实现三维超声的快速而准确的绘制。为了实现这一目的，本发明所采取的技术方案如下。

按照本发明的第一方面，提供一种三维超声图像的快速体绘制方法，包括以下步骤：划分步骤，用于按照预定尺寸将视平面划分为纵横排列的一级栅格；计算步骤，用于投射计算每个栅格的四个顶点位置上像素的灰度值；判断步骤，用于比较每个栅格的四个顶点位置上像素灰度值的偏差与预定阈值；若所述偏差小于预定阈值，则该栅格为平坦栅格；若所述偏差大于预定阈值，则该栅格为非平坦栅格；以及填充步骤，用于对每个平坦栅格，利用其四个顶点位置上像素灰度值，通过插值得出内部所有像素的灰度值，从而填充整个栅格；其中对于所述非平坦栅格，重复执行划分步骤、计算步骤、判断步骤和填充步骤，直至将所述非平坦栅格划分为原子栅格，从而投射计算剩余的所有像素的灰度值。

可选地是，按照本发明的三维超声图像的快速体绘制方法还包括：形态学闭合操作步骤，用于在每次执行判断步骤之后，对该级的非平坦栅格构成的集合进行形态学闭合操作；对闭合操作中新增的非平坦栅格，保留出现在该级的平坦栅格的部分，而舍弃出现在低级平坦栅格的部分。

优选地是，在所述划分步骤中，可以将相邻栅格划分成顶点共享或边框共享。其中在所述计算步骤中，只重新计算未共享的栅格上的像素灰度值，而对于顶点共享或边框共享的栅格上的像素灰度值，只需取出已经计算并保存的结果。

还优选地是，在所述划分步骤中，按照宽度与高度相等的预定尺寸将视平面划分为纵横排列的一级栅格。其中所述一级栅格的宽度与高度相等且为2的整次幂，可表示为，

其中W₁和H₁为一级栅格的宽度和高度，X和Y为视平面的宽度和高度，x和y为预期的一级栅格的列数和行数。

还优选地是，对所述非平坦栅格重复执行划分步骤时，将其均匀地划分为“田”字形的四个子栅格。

还优选地是，在所述判断步骤中，交叉比较每个栅格相对的两个顶点上像素灰度的偏差与预定阈值，可表示为，

$\left\{\begin{array}{c}|I_{\mathrm{An}}-I_{\mathrm{Dn}}|<T\\ |I_{\mathrm{Bn}}-I_{\mathrm{Cn}}|<T\end{array}\right.,$

其中阈值T的计算公式如下，

$T=\frac{\mathrm{\&delta;}}{W_n}\&CenterDot;\frac{I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}}}{4}=\frac{\mathrm{\&delta;}\&CenterDot;2^{n-3}\&CenterDot;(I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}})}{W_1},$

其中n为当前栅格的级数，I_An、I_Bn、I_Cn、I_Dn为当前栅格四个顶点的灰度值，W_n和W₁为n级和一级栅格的宽度，而系数δ是一常数，根据经验，可取δ＝2。

或者，在所述判断步骤中，比较每个栅格四个顶点上像素灰度值的方差与预定阈值，从而判断该栅格为平坦栅格或非平坦栅格。

在所述填充步骤中，可以利用每个栅格四个顶点位置上像素灰度值，通过双线性插值或非线性插值得出每个栅格内部所有像素的灰度值。

另外，在所述划分步骤中，可以设定在某级停止划分；此时，非平坦栅格内的所有像素将全部以光线投射算法进行计算。

按照本发明的第二方面，提供一种三维超声图像的快速体绘制装置，包括以下模块：划分模块，用于按照预定尺寸将视平面划分为纵横排列的一级栅格；计算模块，用于投射计算每个栅格的四个顶点位置上像素的灰度值；判断模块，用于比较每个栅格的四个顶点位置上像素灰度值的偏差与预定阈值；若所述偏差小于预定阈值，则该栅格为平坦栅格；若所述偏差大于预定阈值，则该栅格为非平坦栅格；以及填充模块，用于对每个平坦栅格，利用其四个顶点位置上像素灰度值，通过插值得出内部所有像素的灰度值，从而填充整个栅格；其中对于所述非平坦栅格，由划分模块、计算模块、判断模块和填充模块重复进行处理，直至将所述非平坦栅格划分为原子栅格，从而投射计算剩余的所有像素的灰度值。

可选地是，按照本发明的三维超声图像的快速体绘制装置还包括：形态学闭合操作模块，用于在判断模块每次进行判断之后，对该级的非平坦栅格构成的集合进行形态学闭合操作；对闭合操作中新增的非平坦栅格，保留出现在该级的平坦栅格的部分，而舍弃出现在低级平坦栅格的部分。

优选地是，所述划分模块可以将相邻栅格划分成顶点共享或边框共享。其中所述计算模块只重新计算未共享的栅格上的像素灰度值，而对于顶点共享或边框共享的栅格上的像素灰度值，只需取出已经计算并保存的结果。

还优选地是，所述划分模块按照宽度与高度相等的预定尺寸将视平面划分为纵横排列的一级栅格。其中所述一级栅格的宽度与高度相等且为2的整次幂，可表示为，

其中W₁和H₁为一级栅格的宽度和高度，X和Y为视平面的宽度和高度，x和y为预期的一级栅格的列数和行数。

还优选地是，划分模块对所述非平坦栅格重复执行划分时，将其均匀地划分为“田”字形的四个子栅格。

还优选地是，所述判断模块交叉比较每个栅格相对的两个顶点上像素灰度的偏差与预定阈值，可表示为，

$\left\{\begin{array}{c}|I_{\mathrm{An}}-I_{\mathrm{Dn}}|<T\\ |I_{\mathrm{Bn}}-I_{\mathrm{Cn}}|<T\end{array}\right.,$

其中阈值T的计算公式如下，

$T=\frac{\mathrm{\&delta;}}{W_n}\&CenterDot;\frac{I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}}}{4}=\frac{\mathrm{\&delta;}\&CenterDot;2^{n-3}\&CenterDot;(I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}})}{W_1},$

其中n为当前栅格的级数，I_An、I_Bn、I_Cn、I_Dn为当前栅格四个顶点的灰度值，W_n和W₁为n级和一级栅格的宽度，而系数δ是一常数，根据经验，可取δ＝2。

或者，所述判断模块通过比较每个栅格四个顶点上像素灰度值的方差与预定阈值，从而判断该栅格为平坦栅格或非平坦栅格。

其中所述填充模块可以利用每个栅格四个顶点位置上像素灰度值，通过双线性插值或非线性插值得出每个栅格内部所有像素的灰度值。

另外，可以设定所述划分模块在某级停止划分；此时，非平坦栅格内的所有像素将全部以光线投射算法进行计算。

由于本发明是在后端完成的，实现难度较小；而且无论划分的精细程度还是准确程度都优于现有方法，也不需要前几帧的适应过程。因此，本发明可以在不损失图像质量的前提下，更有效地提高绘制速度，以便充分发挥三维超声成像的优势。

附图说明

图1是光线投射算法的示意图；

图2是按照本发明的三维超声图像的快速体绘制方法的流程图；

图3是栅格的示意图，其中ABCD表示顶点位置，斜线表示交叉比较的关系；

图4是将图3所示的一级栅格划分为I、II、III、IV四个二级栅格的示意图；

图5是说明逐级划分的例子，其中X＝Y＝16，x＝y＝2，W₁＝16；

图6是结构元素的形状，其中(a)为“十”字形，(b)为“囲”字形；

图7是将图5中的三级非平坦栅格涂黑，以强调操作的单元；

图8是对图7进行膨胀操作后的栅格示意图；

图9是对图8进行腐蚀后的栅格示意图，相当于对图7进行闭合操作；

图10是图9中去除了进入低级平坦栅格后的示意图；

图11是图5的完整形式，每个小方格代表一个像素，左下角的一级栅格顶点ABCD以涂黑表示，左下角的二级平坦栅格的填充范围以阴影表示；

图12是按照本发明的三维超声图像快速体绘制装置的结构框图；

图13是按照本发明的三维超声图像快速体绘制装置在实际应用中的示意图。

具体实施方式

如图2所示，是按照本发明的三维超声图像的快速体绘制方法的流程图。对三维体数据，将视平面划分为一级栅格(步骤200)，然后，投射计算或取值得到各个n级栅格四个顶点的灰度值(步骤202)；通过交叉比较，将各个n级栅格标记为平坦栅格或非平坦栅格(步骤204)；对n级非平坦栅格构成的集合进行一次形态学闭合操作(步骤206)，而对操作之后所有的n级平坦栅格以插值方法快速填充(步骤208)；对划分的栅格的“级数”n(这里，级数指栅格划分的层次)进行判断(步骤210)，如果划分的级数n＜log₂W₁，则对各个n级非平坦栅格投射计算或取值得到所有值(步骤212)；如果划分的级数n＞log₂W₁，则将每个n级非平坦栅格划分为四个n+1级栅格(步骤214)，并回到步骤202重新计算栅格顶点像素的灰度值，接着再次进行后续的处理。下面对本发明方法的每个步骤进行详细说明。

首先，将整个视平面整齐地划分为纵横排列的栅格(Grid)，称这些栅格为“一级栅格”。这里需要确定一级栅格的尺寸，根据经验，它应与视平面尺寸大致成正比；而且，为计算方便起见，通常取相等的宽度和高度，且为2的整次幂。这里采用的计算公式如下：

其中W₁和H₁为一级栅格的宽度和高度，X和Y为视平面的宽度和高度(W₁、H₁、X、Y单位均为像素)，x和y为预期的一级栅格排列的列数和行数。由于栅格总是正方形的，也称W₁为“一级边长”。在实际工程中，一组较有代表性的参数是X＝640，Y＝480，x＝80，y＝60，W₁＝8。

在划分一级栅格的过程中，若X或Y不能被W₁整除，通常将视平面边缘宽为X％W₁和高为Y％W₁的部分舍弃，这里“％”表示取余数。被舍弃部分的面积不会超过整个视平面面积的

这是一个很小的比例，而且边缘部分通常不会含有信息，因此这样的处理对成像结果不会造成影响。

对每个一级栅格，首先投射计算图3中A、B、C、D四个顶点位置的像素灰度值，记做I_A、I_B、I_C、I_D(由于光线投射算法是一种经典方法，这里不赘述其实现过程)。这时，需要判断这4个灰度值是否具有较小的差异，这里采用了一种称为“交叉比较”的判断方法，公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}|I_A-I_D|<T\\ |I_B-I_C|<T\end{array}\right.,---\left(2\right)$

其中阈值T的计算公式如下：

$T=\frac{\mathrm{\&delta;}}{W_1}\&CenterDot;\frac{I_A+I_B+I_C+I_D}{4},---\left(3\right)$

它与A、B、C、D四点的灰度平均值成正比，与一级边长W1成反比，而系数δ是一常数，根据经验，可取δ＝2。

若式(2)成立，则称当前栅格为“平坦”的。这时，可以认为，当前栅格内的图像不具有丰富的细节，因此栅格内剩余所有像素的灰度值可用A、B、C、D四点的灰度值插值得出(一般使用双线性插值或非线性插值等经典方法，这里不赘述其实现过程)，从而快速地填充了整个栅格。

若式(2)不成立，则称当前栅格为“非平坦”的。这时，将此栅格均匀地划分为“田”字形排列的四个子栅格I、II、III、IV，称这些子栅格为“二级栅格”，如图4所示。其边长均为 $W_2=\frac{W_1}{2},$ 称为“二级边长”。对每个二级栅格，进行与一级栅格类似的计算和判断，以栅格I为例：

投射计算图4中A_i、B_i、C_i、D_i四个顶点位置的像素灰度值，记做I_Ai、I_Bi、I_Ci、I_Di。仍使用交叉比较的方法判断这4个灰度值是否具有较小的差异，公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}|I_{\mathrm{Ai}}-I_{\mathrm{Di}}|<T\\ |I_{\mathrm{Bi}}-I_{\mathrm{Ci}}|<T\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中阈值T的计算公式如下：

$T=\frac{\mathrm{\&delta;}}{W_2}\&CenterDot;\frac{I_{\mathrm{Ai}}+I_{\mathrm{Bi}}+I_{\mathrm{Ci}}+I_{\mathrm{Di}}}{4}---\left(5\right)$

式(4)(5)和式(2)(3)相比，除了以I_Ai、I_Bi、I_Ci、I_Di代替I_A、I_B、I_C、I_D，还用W₂代替了W₁，这意味着随着栅格尺寸变小，判断的标准也将放宽。

若式(4)成立，则称栅格I为平坦的，这时，其内剩余所有像素的灰度值可用A_i、B_i、C_i、D_i四点的灰度值插值得出，从而快速地填充了整个子栅格。

若式(4)不成立，则称栅格I为非平坦的，这时，再将其均匀地划分为“田”字形排列的四个子栅格，产生4个“三级栅格”。以此类推，进行类似的判断、插值填充和逐级划分，其中，对n-1级子栅格的划分将产生4个n级子栅格，其边长为

$W_n=\frac{W_{n-1}}{2}=\frac{W_{n-2}}{4}=\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;=\frac{W_1}{2^{n-1}}---\left(6\right)$

同时，判断n级栅格是否平坦时也将以W_n代替式(3)中的W₁，即，式(3)的普遍形式为

$T=\frac{\mathrm{\&delta;}}{W_n}\&CenterDot;\frac{I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}}}{4}=\frac{\mathrm{\&delta;}\&CenterDot;2^{n-3}\&CenterDot;(I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}})}{W_1}---\left(7\right)$

其中n为当前栅格的“级数”，I_An、I_Bn、I_Cn、I_Dn为当前栅格四个顶点的灰度值。

当然，划分不能无限地进行下去，当级数n＝log₂W₁时，有W_n＝2，这时即使该级栅格是非平坦的，也不再进行划分，而需投射计算剩余所有像素的灰度值。理由很简单，一个2×2的栅格已经是“原子”栅格，无法再进行划分。由此可定义原子栅格为无法再进行划分或者不必再进行划分的栅格。

按照上述的方法，可以无遗漏地得到当前一级栅格内每个像素的灰度值，从而完成当前一级栅格的绘制。当视平面的所有一级栅格绘制完毕之后，即完成了整个三维绘制过程。

图5是一个简单的逐级划分的例子，这里X＝Y＝16，x＝y＝2，W₁＝16，即视平面被划分为4个一级栅格，而拥有最大级数的栅格为4级栅格(这只是一个示例，这样的参数在实际工程中是不可能出现的)。

本发明提出的逐级划分的方法可看作一种自适应的调节视平面分辨率的过程，因此称之为“视平面聚焦”算法。其基本思想是：对于平坦(细节较贫乏)的区域，以大面积插值的方法代替逐个像素投射的方法，由于投射速度很慢，而插值操作速度很快，因此可以大幅度地降低绘制的时耗；对于非平坦(细节较丰富)的区域，可能其中有部分是平坦的，因此需要逐级划分，使其中细节较少的部分能够以插值的方法快速绘制，而细节较多的部分能够以投射的方法准确绘制，从而实现快速与准确的两全。

以上介绍了本发明的绘制方法的基本过程，实际上，为了提高本发明的绘制方法的健壮性，还需要对每次判断产生的所有非平坦栅格构成的集合进行一次形态学闭合操作。而且，为实现此操作，整个方法的流程都要采用广度优先的方式。具体如下：

仍将视平面划分为一级栅格，对所有一级栅格，逐个判断和标记为平坦栅格和非平坦栅格，对非平坦栅格构成的集合进行一次形态学闭合操作。必须注意，操作的单元是一级栅格，而不是像素。这里采用了“十”字形的结构元素，如图6(a)所示；根据需要，也可改用3×3的“囲”字形或其他形状的结构元素，如图6(b)所示。闭合之后，必然有部分平坦栅格重新标记为非平坦栅格。针对目前的标记结果，将所有平坦栅格仍以四个顶点的灰度值的插值结果快速填充，而将所有非平坦栅格划分为4个二级栅格。

对视平面的所有二级栅格，逐个判断和标记为平坦栅格和非平坦栅格。对非平坦栅格构成的集合，以二级栅格作为单元，进行一次形态学闭合操作。这时，对于闭合操作中新增的非平坦栅格，出现在原来二级平坦栅格的部分，将被保留；而出现在原来一级平坦栅格的部分，将被舍弃。针对目前的标记结果，将所有二级平坦栅格以四个顶点的灰度值的插值结果快速填充，而将所有二级非平坦栅格划分为四个三级栅格。以此类推，进行判断、闭合操作、插值填充和逐级划分，直到划分为原子栅格为止。

一般地，当所有n级栅格都判断和标记完成之后，对n级非平坦栅格构成的集合，将以n级栅格作为单元，进行一次形态学闭合操作。这时，对于闭合操作中新增的非平坦栅格，出现在原来n级平坦栅格的部分，将被保留；而出现在原来的“低级”平坦栅格的部分，将被舍弃(低级平坦栅格必然是已经插值填充过的，因此不必改动它的标记)。这里给出一个概念：若m＜n，则m级栅格相对n级栅格为低级栅格。

图7至图10是闭合操作的一个例子。在图5中，最小的“田”字是3级非平坦栅格，即n＝3。图7将这些栅格涂黑，以表示以3级栅格作为单元。图8是对图7进行一次形态学膨胀操作的结果。图9是对图8进行一次形态学腐蚀操作的结果，也即对图7进行一次形态学闭合操作的结果。注意，图9相对图7新增加P、Q、R三个单元，其中，P出现在原来的二级平坦栅格，将被舍弃；Q出现在原来的一级平坦栅格，也将被舍弃；R出现在原来的三级平坦栅格，将被保留。最终结果如图10所示，可见，图10相对图7只增加了R一个单元。随后可执行后续步骤，即图10中白色的3级平坦栅格以插值方法快速填充，而黑色的3级非平坦栅格将被划分为4级栅格，如此继续。

称这种逐级对非平坦栅格的标记进行形态学闭合操作的方法为“非平坦区域生长”，它是基于这样的思路：某些事实上含有丰富细节的栅格，可能由于其四个顶点的灰度值偏差不大，而被误判为平坦栅格；而非平坦区域生长通过填补非平坦区域之间的孔隙，可以利用相邻栅格之间的相关性，有效地减少这种误判的概率，因此可以提高本发明的绘制方法的健壮性。当然，这以计算量的少许增加作为代价，主要体现在非平坦区域扩大带来的投射像素数增加，而形态学闭合操作本身的计算量可以忽略不计。

事实上，相邻栅格的联系并不仅在非平坦区域生长中体现。考虑到数字图像的特性，我们有意将相邻栅格的顶点和边框设计为部分重合的。如图11所示，它是图3的完整形式，其中每个小方格代表一个像素。注意到左下角的一级栅格，其顶点ABCD以涂黑表示。其中B位顶点与其右方栅格的A位顶点重合，C位顶点与其上方栅格的A位顶点重合，D位顶点与其右上方的A位顶点重合。也就是说，每个一级栅格实际只有一个顶点的灰度值是需要重新计算的，其他顶点只需取出已经计算并保存的结果即可，这称为“顶点共享”。同样，对于n级栅格，与其相邻的同级栅格也有类似的顶点共享机制。另外，非同级的栅格也可以进行顶点共享，例如，图11中左下角的一级栅格，当其分解为4个二级栅格时，其中左下角的二级栅格的A位顶点就与该一级栅格的A位顶点重合。

注意到两个相邻栅格有一条边是重合的，那么也应可以共享。如图11所示，左下角的二级栅格被判定为平坦栅格之后，可使用四个顶点的灰度值的插值结果快速填充整个栅格，其填充范围如阴影部分所示。这时，其右方栅格的左侧边，及其上方栅格的下侧边，已被这次填充覆盖，在后面的步骤中不需重新计算，只需取出本次计算并保存的结果即可，这称为“边框共享”。

顶点共享和边框共享的思路是：对于当前栅格与相邻栅格重合的顶点和边框，若已经以插值或投射方法计算过，则只需取出保存的结果而不需重新计算，从而有效地降低了计算量。而且，按照本发明的绘制方法的流程，总是先进行n级平坦栅格的插值填充，再进行n级非平坦栅格的划分和计算。这样，已填充的结果往往可以在后续步骤中利用，这种“插值优先”的方案更有利于顶点共享和边框共享对速度的提高。至此，三维绘制方法已阐述完毕。

按照本发明的三维超声图像快速体绘制装置的结构如图12所示，包括划分模块、计算模块、闭合操作模块、判断模块和填充模块。体数据首先经过划分模块处理，划分模块按照预定尺寸将视平面划分为纵横排列的一级栅格。然后，计算模块投射计算每个栅格的四个顶点位置上像素的灰度值。接着，闭合操作模块对其中的非平衡栅格进行闭合操作。随后，判断模块比较每个栅格的四个顶点位置上像素灰度值的偏差与预定阈值，若所述偏差小于预定阈值，则该栅格为平坦栅格；若所述偏差大于预定阈值，则该栅格为非平坦栅格。最后，填充模块对每个平坦栅格利用其四个顶点位置上像素灰度值，通过插值得出内部所有像素的灰度值，从而填充整个栅格。对于由判断模块所确定的非平坦且非原子的栅格，再次返回到划分模块被划分为子栅格，并接着进行后续处理。而对于由判断模块所确定的非平坦原子栅格，则返回到计算模块投射计算所有像素的灰度值。其中闭合操作模块是可选模块。

以上通过具体实施例对本发明做了说明，但本发明不限于此。例如，计算一级栅格尺寸的方法可改变，而且边长不一定相等也不一定是2的整次幂，这将影响划分的方法和结束划分的条件；视平面不能被栅格覆盖的边缘部分的处理方法可改变，例如将那里划分为较小的栅格；判断是否为平坦栅格的方法可改变，例如使用其他衡量偏差的方法；光线投射算法的实现方法可改变，即使经典方法也分为前向合成和后向合成两种；插值的实现方法也可改变，例如使用其他插值方法；逐级划分的方法可改变，例如可以指定在某级停止划分，甚至一级栅格都不划分，划分停止时，非平坦栅格内的所有像素将全部以光线投射算法计算；形态学闭合操作可以使用其他形状的结构元素，例如3×3的“囲”字形元素；形态学闭合操作中进入低级平坦栅格的单元可以保留；形态学闭合操作可以取消，或改为形态学膨胀操作，前者将提高速度但降低健壮性，后者将降低速度但提高健壮性；形态学闭合操作可以有选择地执行，例如在当前级数n为某些值时执行，而在某些值时不执行；顶点共享和边框共享的方法可全部或部分取消，如令相邻栅格拥有完全不重合的顶点和边框，或在快速填充整个栅格时只覆盖它的某些方向的边框，等等。对本发明做的任何修改、变换、等同替换等，只要未背离本发明的精神和范围，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于包括以下步骤：

划分步骤，用于按照预定尺寸将视平面划分为纵横排列的一级栅格；

计算步骤，用于投射计算每个栅格的四个顶点位置上像素的灰度值；

判断步骤，用于比较每个栅格的四个顶点位置上像素灰度值的偏差与预定阈值；若所述偏差小于预定阈值，则该栅格为平坦栅格；若所述偏差大于预定阈值，则该栅格为非平坦栅格；

填充步骤，用于对每个平坦栅格，利用其四个顶点位置上像素灰度值，通过插值得出内部所有像素的灰度值，从而填充整个栅格；

其中对于所述非平坦栅格，重复执行划分步骤、计算步骤、判断步骤和填充步骤，直至将所述非平坦栅格划分为原子栅格，从而投射计算剩余的所有像素的灰度值。

2.如权利要求1所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于还包括：形态学闭合操作步骤，用于在每次执行判断步骤之后，对该级的非平坦栅格构成的集合进行形态学闭合操作；对闭合操作中新增的非平坦栅格，保留出现在该级的平坦栅格的部分，而舍弃出现在低级平坦栅格的部分。

3.如权利要求1所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于：在所述划分步骤中，可以将相邻栅格划分成顶点共享或边框共享。

4.如权利要求3所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于：在所述计算步骤中，只重新计算未共享的栅格上的像素灰度值，而对于顶点共享或边框共享的栅格上的像素灰度值，只需取出已经计算并保存的结果。

5.如权利要求1或2或3或4所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于：在所述划分步骤中，按照宽度与高度相等的预定尺寸将视平面划分为纵横排列的一级栅格。

6.如权利要求5所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于：所述一级栅格的宽度与高度相等且为2的整次幂，可表示为，

其中W₁和H₁为一级栅格的宽度和高度，X和Y为视平面的宽度和高度，x和y为预期的一级栅格的列数和行数。

7.如权利要求1或2或3或4所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于：对所述非平坦栅格重复执行划分步骤时，将其均匀地划分为“田”字形的四个子栅格。

8.如权利要求1或2或3或4所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于：在所述判断步骤中，交叉比较每个栅格相对的两个顶点上像素灰度的偏差与预定阈值，可表示为，

$\left\{\begin{array}{c}|I_{\mathrm{An}}-I_{\mathrm{Dn}}|<T\\ |I_{\mathrm{Bn}}-I_{\mathrm{Cn}}|<T\end{array}\right.,$

其中阈值T的计算公式如下，

$T=\frac{\mathrm{\&delta;}}{W_n}\&CenterDot;\frac{I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}}}{4}=\frac{\mathrm{\&delta;}\&CenterDot;2^{n-3}(I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}})}{W_1},$

其中n为当前栅格的级数，I_An、I_Bn、I_Cn、I_Dn为当前栅格四个顶点的灰度值，W_n和W₁为n级和一级栅格的宽度，而系数δ是一常数，根据经验，可取δ＝2。

9.如权利要求1或2或3或4所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于：在所述判断步骤中，比较每个栅格四个顶点上像素灰度值的方差与预定阈值，从而判断该栅格为平坦栅格或非平坦栅格。

10.如权利要求1或2或3或4所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于：在所述填充步骤中，可以利用每个栅格四个顶点位置上像素灰度值，通过双线性插值或非线性插值得出每个栅格内部所有像素的灰度值。

11.如权利要求1或2或3或4所述的三维超声图像的快速体绘制方法，其特征在于：在所述划分步骤中，可以设定在某级停止划分；此时，非平坦栅格内的所有像素将全部以光线投射算法进行计算。

12.一种三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于包括以下模块：

划分模块，用于按照预定尺寸将视平面划分为纵横排列的一级栅格；

计算模块，用于投射计算每个栅格的四个顶点位置上像素的灰度值；

判断模块，用于比较每个栅格的四个顶点位置上像素灰度值的偏差与预定阈值；若所述偏差小于预定阈值，则该栅格为平坦栅格；若所述偏差大于预定阈值，则该栅格为非平坦栅格；以及

填充模块，用于对每个平坦栅格，利用其四个顶点位置上像素灰度值，通过插值得出内部所有像素的灰度值，从而填充整个栅格；

其中对于所述非平坦栅格，由划分模块、计算模块、判断模块和填充模块重复进行处理，直至将所述非平坦栅格划分为原子栅格，从而投射计算剩余的所有像素的灰度值。

13.如权利要求12所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于还包括：形态学闭合操作模块，用于在判断模块每次进行判断之后，对该级的非平坦栅格构成的集合进行形态学闭合操作；对闭合操作中新增的非平坦栅格，保留出现在该级的平坦栅格的部分，而舍弃出现在低级平坦栅格的部分。

14.如权利要求12所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于：所述划分模块可以将相邻栅格划分成顶点共享或边框共享。

15.如权利要求14所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于：所述计算模块只重新计算未共享的栅格上的像素灰度值，而对于顶点共享或边框共享的栅格上的像素灰度值，只需取出已经计算并保存的结果。

16.如权利要求12或13或14或15所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于：所述划分模块按照宽度与高度相等的预定尺寸将视平面划分为纵横排列的一级栅格。

17.如权利要求16所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于：所述一级栅格的宽度与高度相等且为2的整次幂，可表示为，

其中W₁和H₁为一级栅格的宽度和高度，X和Y为视平面的宽度和高度，x和y为预期的一级栅格的列数和行数。

18.如权利要求12或13或14或15所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于：划分模块对所述非平坦栅格重复执行划分时，将其均匀地划分为“田”字形的四个子栅格。

19.如权利要求12或13或14或15所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于：所述判断模块交叉比较每个栅格相对的两个顶点上像素灰度的偏差与预定阈值，可表示为，

$\left\{\begin{array}{c}|I_{\mathrm{An}}-I_{\mathrm{Dn}}|<T\\ |I_{\mathrm{Bn}}-I_{\mathrm{Cn}}|<T\end{array}\right.,$

其中阈值T的计算公式如下，

$T=\frac{\mathrm{\&delta;}}{W_n}\&CenterDot;\frac{I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}}}{4}=\frac{\mathrm{\&delta;}\&CenterDot;2^{n-3}(I_{\mathrm{An}}+I_{\mathrm{Bn}}+I_{\mathrm{Cn}}+I_{\mathrm{Dn}})}{W_1},$

其中n为当前栅格的级数，I_An、I_Bn、I_Cn、I_Dn为当前栅格四个顶点的灰度值，W_n和W₁为n级和一级栅格的宽度，而系数δ是一常数，根据经验，可取δ＝2。

20.如权利要求12或13或14或15所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于：所述判断模块通过比较每个栅格四个顶点上像素灰度值的方差与预定阈值，从而判断该栅格为平坦栅格或非平坦栅格。

21.如权利要求12或13或14或15所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于：所述填充模块可以利用每个栅格四个顶点位置上像素灰度值，通过双线性插值或非线性插值得出每个栅格内部所有像素的灰度值。

22.如权利要求12或13或14或15所述的三维超声图像的快速体绘制装置，其特征在于：可以设定所述划分模块在某级停止划分，此时，非平坦栅格内的所有像素将全部以光线投射算法进行计算。

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