CN101447092B - MicroCT图像后处理中体绘制的加速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MicroCT原始图像后处理中体绘制的加速方法，包括以下步骤：将原始图像旋转，将完整图像四分成正方形网格；从正方形网格顶点发出四条光线，在矩阵变换时采样，按照光线从前到后的次序计算采样点的颜色值和不透明度；根据采样点的颜色值均方差变化范围和网格尺寸的大小决定是否继续四分图像；对所有网格内未赋颜色值点的颜色值赋值；绘制输出图像。该方法不但改进了图像数据本身的计算效率还可以融入并行计算的模式进一步加快数据的处理速度，简单易实现。

Description

MicroCT图像后处理中体绘制的加速方法

技术领域

本发明属于图像后处理中的体绘制技术领域，具体涉及一种MicroCT图像后处理中加速体绘制的方法。

背景技术

随着三维成像技术的发展，三维成像技术越来越多的渗入到各个领域特别是医疗领域，工业领域几乎变成离不开这种技术的绝对依赖领域。但是随着各方要求的不断提高，对图像数据的处理量也日趋扩大。海量的数据变成这种技术的瓶颈，也逐步对计算机的性能提出了严峻的挑战。所以怎样在现有的硬件技术条件下改善处理速度、协调图像的质量与计算速度、尽可能的实现图像的实时操作性就是现在技术研究的关键所在。

在MicroCT系统的成像数据后处理的过程中所得到的数据量很大，实时的显示物件的内部结构就是实时的观看内部的结构，这就必须优化数据的处理方法实现尽可能的人机互动操作。而目前的光线投射方法是向平面上依次取出正方形的网格，然后从正方形网格的顶点发出光线进行投射然后通过三线性插值计算出每条光线上的每个穿过的象素点的不透明度以及颜色值，计算最终合成的四个平面点的差值是否在初始设定的域值内，然后决定是否还需再次划分。该方法处理数据量很大，带来处理速度较慢，不能满足图像的实时操作。本发明就此而来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MicroCT原始图像后处理中体绘制的加速方法，解决了现有技术中存在的体绘制处理数据量大，速度慢的缺陷。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供的技术方案如下：

一种MicroCT原始图像后处理中体绘制的加速方法，包括以下步骤：

将原始图像旋转，将完整图像四分成正方形网格；

从正方形网格顶点发出四条光线，在矩阵变换时采样，按照光线从前到后的次序计算采样点的颜色值和不透明度；

根据采样点的颜色值均方差变化范围和网格尺寸的大小决定是否继续四分图像；

对所有网格内未赋颜色值的点的颜色值赋值；绘制输出图像。

优选的，所述的计算采样点的颜色值和不透明度是通过三线性插值的方法计算取得。

优选的，所述的计算所有网格内未赋颜色值的点的颜色值是通过插值法计算取得颜色值。

优选的，所述的方法还包括当光线到达后一个采样点或不透明度累积为1时判断正方形网格四个顶点的颜色值均方差是否在阈值范围内；否则沿光线继续从前向后采样的步骤。

优选的，所述的方法还包括当正方形网格四个顶点的颜色值均方差在阈值范围内时判断四分验证法是否成立；否则判断正方形网格尺寸是否小于固定长度的步骤。

优选的，所述的方法还包括当四分验证法成立时利用插值法计算网格内未赋颜色值的点的颜色值；否则继续细分为四个正方形网格的步骤。

优选的，所述的方法还包括当网格边长小于固定长度时从网格中每个点发出光线按插值法计算光线上采样点处的颜色值和不透明度，判断是否是最后一个采样点或不透明度累积是否为1进行循环的步骤。

优选的，所述的固定长度为20-200。最优选的，所述的固定长度为20。

优选的，所述的方法还包括当网格边长大于或等于固定长度时，将网格继续细分为四个正方形网格，从网格顶点发出四条光线继续循环。

优选的，所述的方法还包括判断所有网格内的点的颜色值是否赋值的步骤。

优选的，所述判断步骤为当所有网格内的点的颜色值均已赋值，则绘制输出图像；否则从原始图像取得正方形网格，继续循环。

在本发明的技术方案中首先考虑到的是由于现有技术中平面的正方形网格的初始大小不太容易确定，本发明的做法是不需要正方形的网格的初始条件，而是把一幅整幅图像用来作为初始设置。首先用四分法分出九个点依次穿出九条线，分别计算出四个矩形的四个顶点的均方差，设定初始域值ε。如果均方差小于ε，则说明四个点的值很接近。可以近似认为这块区域内的值都很接近，但并不能说明网格区域中的点的颜色值都很接近。而且这样的分法的优点在于相比原始的自适应光线投射算法，可以在最初的几步划分上最快的分出哪块是有用信息，哪块是无用信息。另外，本发明采用以下方式来减少误差。

首先，在第一次划分成4分时，另外再加上一个条件：把四分后的数据块再次四分，如果数据块很大可以两次四分。通过判断这样的四分后的结果来决定是否这块区间内的最终绘制的结果是否一样的。为了减少误差，判断四分验证法是否成立，该验证方法主要内容是，若网格的均方差在设定的阈值范围内，则再次对该网格进行四分，分别从其四分后的9个点发出光线，沿光线按照从前向后的次序经三次线性插值法计算出采样点处的颜色值和不透明度，若该9个点的均方差也在设定的阈值范围内，表明四分验证法成立，则对网格内所有的点用插值法求出颜色值，若不成立，则再次对网格进行四分，重新发出光线进行采样。通过判断第二次四分后的结果来决定这块区间是否该真正进行四分。通过试验验证，经过一次“四分验证条件判断”几乎可以完全消除由于第一次四分所导致的图像绘制的误差，而且更加快速的绘制了图像。

其次，控制最后的结束绘制的条件，即最后的分配的矩形为多大时需要全部绘制。为了得到最小的图像误差以及尽量好的图像质量，不需要一直递规到最小的矩形，因为这样做分到很小的时候，探测的点几乎等于所有的原始点，而且还存在很大的边缘误差。通过本发明的数据试验，认为一般边长在20左右的效率和质量最好。

有益效果：本发明主要用于MicroCT图像后处理中的体绘制进行加速，对自适应光线投射方法做了相应改进，可以实时观察三维物体。

1.采用旋转的方式对原始图像进行光线上采样，只对有用采样数据进行矩阵变换，避免了对所有的原始数据都进行旋转而造成资源浪费。

2.考虑相邻像素之间的关系，不需要把所有的空间点都采样才能计算处体绘制的最终效果，大大缩短了体绘制的时间。

3.采用二次四分法，即“四分验证法”，有效减少了一次四分法造成的边缘误差。

4.由于本发明把整张的图像几乎均匀的四分，可以开启四个线程同时完成图像的绘制工作，在原来的基础上又提高了几倍的速度。例如：由102张701×701的铝泡断层图像经过四分法得到后，在未开多线程之前速度是0.9s，开了多线程之后为0.3秒。

5.在实际操作旋转的过程中，操作人员并不需要对图像进行详细的观察。采用跨越采样，若是每四个点采一点，那么绘制速度几乎提高四倍。采样点之间的点的颜色值通过线性差值来完成。这样虽然旋转时效果不是很清晰，但是可以有效的提高绘制速率，当结束旋转时，再对所有的点经由四分方法采样，得到清晰的图像。该方法不但改进了图像数据本身的计算效率还可以融入并行计算的模式进一步加快数据的处理速度，简单易实现。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例MicroCT原始图像后处理中体绘制的加速方法的流程图；

图2为本发明实施例中铝泡的三维重建图像；

图3为本发明实施例中效果图，其中边长为20，未加四分验证条件；

图4为本发明实施例中另一效果图，其中边长为20，加四分验证条件；

图5为本发明实施例中又一效果图，其中边长为40；

图6为本发明实施例中又一效果，其中边长为80；

图7为本发明实施例中又一效果，其中边长为120；

图8为本发明实施例中又一效果，其中边长为160；

图9为本发明实施例中又一效果，其中边长为200；

图10为本发明实施例中对单祯图像进行光线投射方法的示意图，其中b代表原始图像的宽；l代表原始图像的高；b’代表新图像的宽；l’代表新图像的高度。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下本发明人列举出具体的实施例来明技术效果；需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

本发明的技术方案一种MicroCT图像后处理中体绘制的加速的改进方法，具体步骤(如图1)可以分述为：

第一步：对原始图像进行旋转。因为在立体旋转的过程中需要进行矩阵变换，是一样很费时的操作。而通常的做法是在对体数据进行矩阵变换之后得到新的体数据再进行重采样，又是一个很费时的操作。本发明把这两个操作组合成一个操作，采用对原始图像进行旋转，在矩阵变换的过程中进行采样，简称“旋转光线法”。

以绕Z轴逆时针旋转的情况为例：设图像的中心为坐标系的原点(0，0)，图像的宽度和高度分别为width，height；那么图像四个顶点的坐标为：左上角为(-width/2，height/2)，左下角的为(-width/2，-height/2)，右上角为(width/2，height/2)，右下角为(width/2，-height/2)；现设光线A为光线A绕Z轴旋转α角度后的光线，此时有旋转矩阵

其逆矩阵R^-1为

设光线旋转后的投影图像的投影宽度为newwidth，光线A与旋转之后投影图像的宽方向上即边b’的交点为n，其范围为(0≤n≤newwidth)，通过这一点可以得到光线A与图像的第一个交点(x′，y′)。

在0≤α≤90°时有(x′，y′)＝(-width/2+n/cosα，-height/2)，若-width/2+n/cosα＞width/2，则(x′，y′)＝(width/2，height/2-(newwidth-n)/sinα)，

在90＜α≤180°时有(x′，y′)＝(width/2，-height/2+n/sin(180°-α))，若-height/2+n/sin(180°-α)＞height/2，则(x′，y′)＝(newwidth-(width-n)/sin(α-90°)，height/2)，

在180＜α≤270°时(x′，y′)＝(width/2-n/sin(270°-α)，height/2)，若width/2-n/sin(270°-α)＜-width/2，则(x′，y′)＝(-width/2，(newwidth-n)/sin(α-180°)-height/2)。

在270＜α＜360度时度时有(x′，y′)＝(-width/2，height/2-n/sin(360°-α))，若height/2-n/sin(360°-α)＜-height/2，则(x′，y′)＝(width/2-(newwidth-n)/sin(α-2700)，-height/2)。

通过对(x′，y′)的逆变换得到旋转前的光线A′与原图像的交点的坐标(x，y)，将坐标(x，y)垂直向上加1，得到(x，y+1)，那么此点经过矩阵

的变换，得到点(x1′，y1′)为A与图像的第二个交点，然后将坐标(x，y+2)经过矩阵R变换得到(x2′，y2′)直到变换后的坐标在图像的坐标范围之外，即变换后的横坐标＜-width/2或＞width/2，或者变换后的纵坐标＜-height/2或＞height/2，则不再继续计算，运用三线性插值取得每个交点的灰度值以及不透明度；如图10，单祯图像进行光线投射时，其中b代表原始图像的宽，长度为width；l代表原始图像的高，长度为height；b’代表新图像的宽，长度为newwidth；l’代表新图像的高度，长度为newheight。

第二步，将旋转后的整幅图像进行四分；

第三步，图像平面上依次取所得四个正方形网格；

第四步，从所得正方形网格顶点发出四条光线；

第五步，分别沿光线按照从前向后的次序经三线性插值法计算出光线上采样点处的颜色值和不透明度；从前向后的计算采样点的方法参考：MarcLevoy，Efficient Ray Tracing of Volume Data，ACM Transactions onGraphics，1990，9(3)：245-261。

第六步：当光线到达最后一个采样点或不透明度累积为1时则进入第七步，否则回到第五步，沿光线继续从前向后采样直到满足上述条件为止；

第七步，设定初始域值为ε，判断正方形网格的四个顶点的颜色值均方差是否在设定的阈值范围内；

步骤1，若不在阈值范围内，则判断网格尺寸是否小于20；

1)若小于20，则依次从该网格的每个点发出光线，由三线性插值法按照从前向后的顺序计算光线上采样点处的颜色值和不透明度，直到光线到达最后一个采样点或者不透明度累积为1时，将所得颜色值赋给屏幕上相对应的点，输出图像；

2)若大于20，则对网格再次进行四分，细分为四个正方形网格，回到第四步重新发出光线进行采样；

步骤2，若在阈值范围内，则判断四分验证法是否成立；

1)若成立，则对网格内未赋颜色值的点用差值法求出颜色值；若网格内所有的点都已赋值，则说明全部网格都已计算完毕，则输出图像，若网格内还有点没有赋值，则回到第三步；

2)若不成立，则回到步骤1的第2)步再次对网格进行四分。

用此方法，图2的可以很流畅的旋转，而图4也基本可以很好的旋转。

固定长度为20是控制最后的结束绘制的最优选的条件，即最后的分配的矩形为多大时需要全部绘制。为了得到最小的图像误差以及尽量好的图像质量，不需要一直递归到最小的矩形，因为分到最小的时候，几乎要采样所有的原始点，而且还存在很大的边缘误差。通过数据试验，认为一般边长在20左右的效率和质量比较好(见表1的比较结果)。

若均方差在设定的阈值范围内，则说明屏幕上这四个点的值很接近，但并不能说明网格区域中的点的颜色值都很接近。为了减少误差，判断四分验证法是否成立，该验证方法主要内容是，若网格的均方差在设定的阈值范围内，则再次对该网格进行四分，分别从其四分后的9个点发出光线，沿光线按照从前向后的次序经三次线性插值法计算采样点处的颜色值和不透明度，若该9个点的均方差也在设定的阈值范围内，表明四分验证法成立，则对网格内所有的点用插值法求出颜色值，若不成立，则再次对网格进行四分，重新发出光线进行采样。通过判断第二次四分后的结果来决定这块区间是否该真正进行四分。通过试验验证，经过判断一次四分验证条件几乎可以完全消除由于第一次四分所导致的图像绘制的误差。这点可以从比较图3和图4中看出。

实施例1铝泡的三维重建

如图2，先打开图片所在文件夹，将全部数据加载进内存。然后按照本发明的MicroCT图像后处理中体绘制的加速的改进方法进行三维重建：

第一步：采用具体实施方式中介绍的“旋转光线法”应用到三维空间，对铝泡的原始图像进行旋转：

第二步，将旋转后的整幅图像进行四分；

第三步，图像平面上依次取所得四个正方形网格；

第四步，从所得正方形网格顶点发出四条光线；

第五步，分别沿光线按照从前向后的次序经三线性插值法计算出光线上采样点处的颜色值和不透明度；

第六步：当光线到达最后一个采样点或不透明度累积为1时则进入第七步，否则回到第五步，沿光线继续从前向后采样直到满足上述条件为止；

第七步，设定初始域值为ε，判断正方形网格的四个顶点的颜色值均方差是否在设定的阈值范围内；

步骤1，若不在阈值范围内，则判断网格尺寸是否小于20；

1)若小于20，则依次从该网格的每个点发出光线，由三线性插值法按照从前向后的顺序计算光线上采样点处的颜色值和不透明度，直到光线到达最后一个采样点或者不透明度累积为1时，将所得颜色值赋给屏幕上相对应的点，输出图像；

2)若大于20，则对网格再次进行四分，细分为四个正方形网格，回到第四步重新发出光线进行采样，当等于20时就结束采样；

步骤2，若在阈值范围内，则判断四分验证法是否成立；

1)若成立，则对网格内未赋颜色值的点用差值法求出颜色值；若网格内所有的点都已赋值，则说明全部网格都已计算完毕，则输出图像，若网格内还有点没有赋值，则回到第三步；

2)若不成立，则回到步骤1的第2)步再次对网格进行四分。

铝泡的三维重建采用四分法+四分验证法即本发明的方法时，有效区域全部画出(701×701×102)时间是0.8s。以上铝泡没有采用本发明的方法加速时的成像时间大致是4～5s，可见提高了很多倍。仅采用四分法而没有加上四分验证法，加速后有效区域没有完全画出(501×248×419)绘制时间是1.80s。

实施例2头颅体绘制的三维重建

按照上述方法控制不同边长固定长度的头颅体绘制得到如下结果，结果如表1

表1采用不同边长对头颅体绘制的效率和效果

图3显示的是未经过“四分验证条件判断”绘制的图像和图4加了四分验证条件判断后绘制的图像比较可以清楚的看出，经过一次“四分验证条件判断”几乎可以完全消除由于第一次四分所导致的图像绘制的误差。图4～9为表1中采用的边长所绘制的效果图，比较可以看出以边上20为判断条件绘制的图像效率和效果都是最好，最经济的。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种MicroCT原始图像后处理中体绘制的加速方法，包括以下步骤：

通过旋转光线法将原始图像旋转，将完整图像四分成正方形网格；

从正方形网格顶点发出四条光线，在矩阵变换时采样，按照光线从前到后的次序通过三线性插值的方法计算光线上采样点处的颜色值和不透明度；

当光线到达最后一个采样点或不透明度累积不为1时继续沿光线从前向后采样；当光线到达最后一个采样点或不透明度累积为1时则设定初始域值为ε，判断正方形网格的四个顶点的颜色值均方差是否在设定的阈值范围内；根据采样点的颜色值均方差变化范围和网格尺寸的大小决定是否继续四分图像；当不在阈值范围内，且网格尺寸小于固定长度时，则依次从该网格的每个点发出光线，由三线性插值法按照从前向后的顺序计算光线上采样点处的颜色值和不透明度，直到光线到达最后一个采样点或者不透明度累积为1时，将所得颜色值赋给屏幕上相对应的点，输出图像；当不在阈值范围内，且网格尺寸大于或等于固定长度，则对网格再次进行四分，细分为四个正方形网格，则重新发出光线沿光线从前向后继续采样；

当在阈值范围内，且四分验证法成立时，则对网格内未赋颜色值的点用差值法求出颜色值；若网格内所有的点都已赋值，则说明全部网格都已计算完毕，则输出图像，若网格内还有点没有赋值，则将该网格内四分成正方形网格，分别从其四分后的9个点发出光线沿光线从前向后继续采样；

当在阈值范围内，且四分验证法不成立时，则再次对该网格进行四分，重新发出光线进行采样。

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