CN101454806B - 使用深度加权彩色化的体绘制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种体绘制方法,包括获得表示一个或多个解剖结构的第一复合平面的数据(52),并且根据第一复合平面计算第二复合平面的数据(54)。第二复合平面的数据指示沿着各个光线投射线的一个或多个解剖结构的深度度量。该方法还包括根据第二复合平面的深度度量来确定(56)两个不同彩色化调色板之间的深度加权颜色值。将所确定的深度加权颜色值应用到(58)第一复合平面以产生具有深度加权颜色化的体绘制图像。
Description
本实施例通常涉及医疗系统,并且更具体地涉及使用深度加权彩色化的体绘制方法和装置。
Levoy在20世纪80年代后期提出了体绘制的概念,这可直接从3D对象(即,数的3D矩阵)创建类3D(3D-like)图像。早先的方法要求首先将3D体转换成一组离散和量子化表面(例如,移动立方体算法)。Levoy采用眼睛/视网膜如何看视觉世界的光物理模型,其中,该模型描述了一种方法,通过该方法光线投射线(与图像平面的单个象素相对应)以由相对于正在被可视化的3D对象的观察者位置决定的方式与体积相交叉。分配给象素的值包含复合运算,这沿着光线投射线整合所插值的样本。这样的方法典型地用于几乎所有3D医学成像应用。
自Levoy里程碑式的论文之后,已经书写了许多描述用于增强视觉深度提示(即,用于帮助观察者确定结构相对于观察者有多远或多近)的各种方法的文章。尽管没有穷尽,下述列表突出了一些用于传达深度感知的较流行的技术:前景遮挡(例如,近处的结构遮掩远处的结构)、立体观察(例如,典型地需要复杂的观察方法)、透视(例如,较远的结构较小)、对象识别(例如,椅子)、旋转(例如,人工运动)、散焦(例如,针对远处的结构)、深度阴影(例如,较远的结构较暗/有阴影)以及梯度照明。
当(a)使用标准2-D监视器和LCD显示器;(b)缺乏用于支持重度分割的显示的对比度分辨率(例如,在半透明结构和不透明结构之间进行区分);(c)3D对象不易于识别(例如,内部解剖结构);(e)体积含有噪声;或(f)结构是静态的时,这种技术也不起作用。
因此,在本领域内需要克服所述问题的改进的方法和系统。具体地,当使用体绘制时,需要一种用于区分结构深度的改进的方法。
根据第一方面,公开了一种体绘制方法,包括以下步骤:
获得表示沿着各个光线投射线的一个或多个不透明结构的第一复合平面的数据;
根据所述第一复合平面来计算第二复合平面的数据,其中,所述第二复合平面的所述数据指示沿着所述光线投射线的所述一个或多个不透明结构的均方根(RMS)深度;
根据所述第二复合平面的所述数据生成深度加权图像;
根据所述RMS深度来确定在两个不同彩色化调色板之间的深度加权颜色值;以及
将所述第二复合平面的所述数据应用到所述第一复合平面以生成深度加权彩色化的体绘制图像。
根据第二方面,公开了一种用于体绘制的装置,包括:
显示器;
耦连到所述显示器的计算机/控制单元,其中,所述计算机/控制单元向所述显示器提供用于绘制屏幕视图的数据;以及
耦连到所述计算机/控制单元的设备,用于向所述计算机/控制单元提供输入,其中,响应于所述输入,所述计算机/控制单元执行根据第一方面所述的体绘制方法。根据第三方面,公开了一种用于体绘制的装置,包括:
用于获得表示沿着各光线投射线的一个或多个不透明结构的第一复合平面的数据的模块;
用于根据所述第一复合平面来计算第二复合平面的数据的模块,其中,所述第二复合平面的所述数据指示沿着所述光线投射线的所述一个或多个不透明结构的均方根深度;
用于根据所述第二复合平面的所述数据生成深度加权图像的模块;
用于根据沿着所述光线投射线的所述一个或多个不透明结构的深度度量来确定两个不同彩色化调色板之间的深度加权颜色值的模块;以及
用于将所述第二复合平面的所述数据应用到所述第一复合平面以生成深度加权彩色化的体绘制图像的模块。
图1是如本领域已知的三维(3D)超声图像的二维(2D)屏幕视图;
图2是根据本公开的一个实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法的流程图;
图3是根据本公开的一实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统中使用的并指示相对结构深度的深度图的示例的2D屏幕视图;
图4是根据本公开的一实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统中使用的2D彩色化查找表(LUT)的示例的2D屏幕快照视图;
图5是利用根据本公开的一个实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统而获得的深度彩色化体绘制的示例的2D屏幕快照视图;
图6是根据本公开的另一实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统中使用的Sobel算子的示例的2D屏幕快照视图;
图7是利用根据本公开的另一实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统而获得的Sobel经修改的深度彩色化体绘制的示例的2D屏幕快照视图110;并且
图8是用于实现根据本公开的各实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法的系统的方框图。
在附图中,类似的附图标记是指类似的元件。此外,应当注意附图可能没有按比例画出。
图1是如本领域已知的三维(3D)超声图像的二维(2D)屏幕视图10。具体地,图像包括映射到深褐色彩色化查找表(LUT)的体绘制图像,其中水平轴(一般用附图标记12指示)表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以水平象素为单位进行描述。垂直轴(一般用附图标记14指示)也表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以垂直象素为单位进行描述。尽管图像看起来像是三维的,但是在确定结构是靠近还是远离观察者(即,观察位置)方面,对其中所包含的结构进行回顾并不是非常有用的。。
图2是根据本公开的一个实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法的流程图50。进行体绘制的方法包括获得表示一个或多个解剖结构的第一复合平面的数据,一般用附图标记52表示。在一个实施例中,第一复合平面包括原始复合平面。在另一实施例中,获得数据包括通过使用从包括三维(3D)超声、矩阵阵列和实时3D成像的组中选出的一个从源获得数据。
在下一步骤54,方法包括根据第一复合平面对第二复合平面的数据进行计算,其中第二复合平面的数据指示沿着各个光线投射线的一个或多个解剖结构的均方根(RMS)深度。
该方法还包括在步骤56处根据第二复合平面的RMS深度在两个不同的彩色化调色板之间选择或内插颜色值。特别地,该步骤包括根据第二复合平面的RMS深度确定两个不同的彩色化调色板之间的深度加权颜色值。在一个实施例中,所述确定包括根据第二复合平面的RMS深度来进行从包括下列的组中选出的一个:在两个不同彩色化调色板之间(i)选择和(ii)内插深度加权颜色值。在另一实施例中,根据RMS深度来确定两个不同的彩色化调色板之间的深度加权颜色值的步骤还包括使用二维(2D)彩色化查找表(LUT)。在又一个实施例中,根据RMS深度来确定两个不同彩色化调色板之间的深度加权颜色值的步骤还包括(i)针对两个不同彩色化调色板中的每个执行一维(1D)查找表(LUT)运算,以及(ii)对1D LUT运算的结果进行线性插值。
该方法还进一步包括在步骤58处将所选择或内插的颜色值应用到原始复合平面以产生具有深度加权彩色化的体绘制。具体地,该步骤包括将所确定的深度加权颜色值应用到第一复合平面以产生具有深度加权彩色化的体绘制图像。在一个实施例中,应用所确定的深度加权颜色值的步骤包括将从包括(i)选择颜色值和(ii)内插颜色值的组中选出的一个应用到第一复合平面以产生具有深度加权彩色化的体绘制。在步骤60处,可以执行根据给定体绘制过程的特定要求的进一步处理。
根据本公开的一个实施例,从体绘制技术推导出的复合方法包括对第二复合平面进行计算,该第二复合平面指示沿着光线投射线的解剖结构的RMS深度。该第二平面(RMS深度)用于在两个不同彩色化调色板之间进行选择或内插,然后将其应用到原始Levoy复合平面。
如结合本公开的实施例将理解的,色调变化(即,彩色化)有利地用于区分相对于背景结构的前景。尽管已将色调变化用于体绘制,并没有将色调变化用作深度的函数。经典体绘制通常是指“分类”阶段(该阶段在复合阶段之前),将一体素处的量转换成RGB三原色,并且然后针对每个R、G、和B值进行单独的复合。该转换取决于标量的即值(immediate value)或者可能取决于分割值,这典型地是用于区分不同结构的单独体。例如,可以使用灰色或白色调色板对被识别为骨骼的体素进行编码,而使用占主导的红色调色板对来自冠状动脉的体素进行编码。
Levoy提出可以如下执行对沿着光线投射线的体素的递归复合:
Li+1=Li*(1-σi)
Si+1=Si+Liσiρi
其中:
L进入/射出体素的光
S复合和
i指示对体素的输入的索引
i+1指示体素的输出的索引
σ体素的不透明度,典型地是ρ(体素标量)的函数
ρ体素的标量属性
注意,这需要递归计算最终的SN(与单个体素相对应的求和后的复合值)。
注意,来自每个体素的贡献为:
Ci=Liσiρi
因此,可以将最终求和值简单地描述为:
统计学提出,可以如下计算函数的平均值:
将相同的理念应用到体复合,可以对光线投射线如下计算RMS深度:
图3是根据本公开的一实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统中使用的深度图的示例的二维(2D)屏幕视图70。具体地,图3包含指示结构相对深度的alpha图,其中,水平轴(一般用附图标记72指示)表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以水平象素为单位进行描述。垂直轴(一般用附图标记74指示)也表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以垂直象素为单位进行描述。使用上述公式(即,在图1的图像数据上使用的)来获得图3的深度图,其中公式进一步用于计算RMS深度。在图3中,较暗的结构靠近观察者(即,观察位置)而较亮的结构离得远。
图4是根据本公开的一实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统中使用的2D彩色化查找表(LUT)的示例的2D屏幕快照视图80。具体地,水平轴(一般用附图标记82指示)表示体绘制的复合增益,从0至大约刚超过250。求和后的复合值SN缩放到所述0至250(最小至最大)的范围并且该值确定2D彩色化LUT中的水平索引(列)。注意,较小的值(更靠近0)如何与较小的复合值相对应,因此使用较暗的、具有较低发光的RGB值。垂直轴(一般用附图标记84指示)表示体结构的深度,从0至100。RMS深度值被逆映射到所述0至100的范围。这样,的较小值映射到靠近一百(100)的值,而的较大值映射到靠近零(0)的值。该映射的结果是离观察者较近(即,观察位置)的结构将导致较暖-较红的颜色色调,而离观察者(即,观察位置)较远的结构将被分配较冷-较蓝的色调。在一个实施例中,对两个不同彩色化调色板之间的颜色值进行选择或插值包括使用任何标准彩色化图(底边)、创建其补图(complement)(顶边)并且然后在标准颜色化图和其补图之间进行线性插值。
图5是利用根据本公开的一个实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统而获得的深度彩色化体绘制的示例的2D屏幕快照视图90。具体地,屏幕快照视图90包含图像混合,其中,水平轴(一般用附图标记92指示)表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以水平象素为单位进行描述。垂直轴(一般用附图标记94指示)也表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以垂直象素为单位进行描述。在一个实施例中,通过使用复合光线投射的“幅值”、使用所计算出的深度图并且在上述图4的2D彩色化图中执行二维查找,获得图5的深度彩色化体绘制图。因此,图5的深度结构现在“弹出”,并且深度位置更显而易见。
图6是根据本公开的另一实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统中使用的Sobel算子的示例的2D屏幕快照视图100。具体地,屏幕快照视图100包含Sobel梯度,其中,水平轴(一般用附图标记102指示)表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以水平象素为单位进行描述。垂直轴(一般用附图标记104指示)也表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以垂直象素为单位进行描述。在一个实施例中,该方法还包括对图3的深度图的梯度进行计算。高梯度出现在深度突然并且显著变化的位置。在经典Levoy复合中,具有相等复合亮度的两个(2)相邻结构可能位于从观察者(或观察位置)起完全不同深度处的体积内。但因为亮度值类似,因此难以从作为结果而得到的Levoy复合图像中区分不同深度。通过在RMS深度图像上使用Sobel算子或其它2D梯度-检测算子,根据本公开另一实施例的方法更易于识别深度的突然变化,并且通过对深度加权彩色化图像添加规定的边界而向观察者突出显示了所述变化。
图7是利用根据本公开的另一实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法和系统而获得的Sobel经修改的深度彩色化体绘制的示例的2D屏幕快照视图110。具体地,屏幕快照视图110包含具有添加的Sobel边的图像混合,其中,水平轴(一般用附图标记112指示)表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以水平象素为单位进行描述。垂直轴(一般用附图标记114指示)也表示长度大小,并且可以在显示屏幕上以毫米为单位或以垂直象素为单位进行描述。在一个实施例中,Sobel梯度图像用于增强深度彩色化体绘制图像的深度显著变化的那些部分。通过使用乘法掩码运算(multiplicative mask operation)完成这一点,其中将强梯度用于使红-绿-蓝彩色化(RGB)值变暗。
因此,根据另一实施例利用深度加权彩色化的体绘制方法还包括在具有深度加权彩色化的体绘制图像上使用Sobel梯度以识别深度的突然变化。此外,该方法包括根据所识别的深度突然变化来进一步增强具有深度加权彩色化图像的体绘制图像。在另一实施例中,深度的突然变化可以包括相邻光线投射线之间的百分之百(100%)级别上的深度变化。在这种情况下,与第一光线投射相关联的结构位于相对于观察者的零(0)深度处(即,尽可能地靠近观察者或观察位置),而与第二(2nd)相邻光线投射线相关联的结构具有一百(100%)的相对深度(即,尽可能地远离观察者或观察位置)。在本公开的一个实施例中,如这里所讨论的,方法包括对深度加权彩色化图像应用Sobel检测的深度边界。在本公开的另一实施例中,另一方法包括对标准Levoy图像(未示出)应用Sobel检测的深度边界。
根据另一实施例,利用深度加权彩色化的体绘制方法还包括在具有加权彩色化的体绘制图像内保留与深度无关的第一复合平面的平均亮度。例如,在一个实施例中,保留平均亮度包括选择两个不同彩色化调色板以包括第一彩色化图和第二彩色化图,其中第二彩色化图是第一彩色化图的补图。此外,方法可以包括选择第一彩色化图并生成第一彩色化图的补图。所述生成包括例如根据预期亮度/色度变换以经典RGB空间对第一彩色化图进行转换,其中所述转换产生变换成YUV的变换数据,其中“Y”值与亮度相应,而“U”和“V”表示色调和/或色饱和度。注意,可以通过只使用“Y”值来简单地生成标准黑-白图像。补图LUT图包含交换两个(2)色调信号“U”和“V”,同时保留亮度信号“Y”。然后对YVU信号进行逆变换以生成补图的RGB值。
在又一实施例中,利用深度加权彩色化的体绘制方法还包括两个不同的彩色化调色板,所述调色板包括(i)第一彩色化图,以及(ii)第二彩色化图,其中第二彩色化图是第一彩色化图的补图。因此,该方法还包括生成第一彩色化图的补图以获得第二彩色化图。此外,所述生成包括根据预期亮度/色度变换对第一彩色化图进行转换,其中转换产生变换的数据;交换所变换的数据的色度分量以获得该第一彩色化图的补图;并且将所变换的数据转换回到在第一彩色化图中使用的原始空间(例如,RGB)。结果,保留了与深度无关的平均亮度。在一个实施例中,预期亮度/色度变换包括彩色化/紫外(YUV)变换,并且其中,交换所变换的数据包括交换紫外(UV)数据。
图8是用于实现根据本公开的各实施例使用深度加权彩色化的体绘制方法的系统的方框图。也就是,根据本公开的各实施例的方法还可以通过用于实现临床任务的临床工作站或系统来实现,并且可以以计算机程序产品的形式来产生。因此,图8是以根据本公开的一实施例利用深度加权彩色化的体绘制为特征的一种装置120的部分方框图。装置120包括计算机/控制单元122、显示器124,其中显示器124通过合适的连接126耦连到计算机/控制单元。装置120还包括输入/输出设备128和定点设备130,其中输入/输出设备128和定点设备130分别通过合适的连接132和134耦连到计算机/控制单元122。合适的连接可以包括任何合适的信号线或线路(有线、无线、光等)。
此外,计算机/控制单元122包括任何合适的计算机和/或控制单元,可以将所述计算机/控制单元配置为执行关于根据各个实施例用于产生具有深度加权彩色化的体绘制图像的方法的如这里所讨论的各种功能。此外,可以通过使用合适的编程技术来完成对计算机/控制单元122的编程,以便执行如这里所讨论的根据本公开的各实施例的方法。而且,计算机/控制单元122与输入/输出设备128(例如,键盘、音频/语音输入设备或类似的设备)、定点设备130(例如,鼠标、触摸屏或类似的设备)以及显示设备124相接口,计算机/控制单元向显示器提供成像数据信号以便进行视觉显示。
计算机/控制单元122还可以发送数据并且经由合适的信号连接(一般用附图标记138指示)从一个或多个海量存储设备或介质136接收数据,和/或经由合适的信号连接(一般用附图标记42指示)从计算机网络140(即,用于远程数据采集、存储、分析和/或显示)等接收数据。计算机/控制单元122可以经由信号线144除了向一个或多个设备和/或系统(未示出)发送数据之外,还从一个或多个采集设备和/或系统(未示出)接收数据。信号线144可以包括任何合适的信号线或线路(有线、无线、光等)。更进一步地,在包括使用装置120的特定过程期间,根据需要,系统120可以包括耦连到计算机/控制单元122的打印机设备146以便合适地使用。
根据另一实施例,体绘制装置包括显示器、耦连到显示器的计算机/控制单元,其中计算机/控制单元向显示器提供用于绘制投影视图的数据;以及耦连到计算机/控制单元的输入设备,以便向计算机/控制单元提供输入,其中,用指令对计算机控制单元进行编程以便实现如这里所讨论的用于产生具有深度加权彩色化体绘制图像的方法。
根据又一实施例,计算机程序产品包括具有一组指令的计算机可读介质,该组指令可由计算机执行以便实现如这里所讨论的用于产生具有深度加权彩色化体绘制图像的方法。
尽管上面已详细地描述了几个示例性实施例,本领域技术人员将很容易地意识到的是,有可能在示例性实施例中进行许多修改,而本质上不偏离本公开实施例的新颖教导和优势。例如,可以将本公开的实施例应用到包括如Levoy首先描述的体绘制的任何应用。因此,如所附权利要求所限定的,所有这些修改意欲被包括在本公开的各实施例的范围内。在权利要求中,“装置加功能”条款意欲包含这里所描述的执行所陈述的功能的结构,并且不仅包含结构等价物,而且还包含等价结构。
此外,在一个或多个权利要求中置于括号内的任何附图标记不应该被解释为限制所述权利要求。词语“包含”和“包括”等不排除除了在任何权利要求或整个说明书所列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件的单数引用并不排除所述元件的复数引用,反之亦然。通过包括多个不同元件的硬件和/或通过适当编程的计算机可以实现所述实施例中的一个或多个。在列举了几个装置的设备权利要求中,这些装置中的几个可以由硬件的一个和相同项体现。在互相不同的从属权利要求中陈述某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能用于获得优势。
Claims (13)
1.一种体绘制方法,包括以下步骤:
获得表示沿着各个光线投射线的一个或多个不透明结构的第一复合平面的数据;
根据所述第一复合平面来计算第二复合平面的数据,其中,所述第二复合平面的所述数据指示沿着所述光线投射线的所述一个或多个不透明结构的均方根深度;
根据所述第二复合平面的所述数据生成深度加权图像;
根据所述均方根深度来确定在两个不同彩色化调色板之间的深度加权颜色值;以及
将所述第二复合平面的所述数据应用到所述第一复合平面以生成深度加权彩色化的体绘制图像。
2.如权利要求1所述的方法,其中,沿着所述光线投射线的所述一个或多个不透明结构包括三维对象的一个或多个体素。
3.如权利要求1所述的方法,其中,确定所述深度加权颜色值的步骤包括使用二维彩色化查找表图。
4.如权利要求3所述的方法,其中,所述二维彩色化查找表图是通过选择一维彩色化图来生成的,并且其中,所述方法还包括生成所述一维彩色化图的补图并且在所述一维彩色化图和所述补图之间进行插值的步骤。
5.如权利要求4所述的方法,其中,所述一维彩色化图包括彩色化/紫外图,该彩色化/紫外图包括YUV值,其中,Y值表示亮度值,而U和V值表示色调和/或色饱和度值,并且其中,生成所述补图的步骤包括进行从YUV值到YVU值的变换。
6.如权利要求1所述的方法,还包括以下步骤:
根据所述深度加权图像来识别具有从观察位置起的不同深度的所述结构之间的至少一个或多个边界或边,其中,所述识别步骤包括在所述深度加权图像上使用二维梯度算子。
7.如权利要求6所述的方法,还包括以下步骤:
将所述第二复合平面的所述数据应用到所述第一复合平面以生成所述深度加权体绘制图像。
8.如权利要求1所述的方法,其中,确定所述深度加权颜色值数据的步骤包括使用二维彩色化查找表图。
9.如权利要求8所述的方法,而且其中,所述二维彩色化查找表图由选择一维彩色化图、生成所述一维彩色化图的补图并且在所述一维彩色化图和所述补图之间进行插值生成。
10.如权利要求9所述的方法,而且其中,所述一维彩色化图还包括彩色化/紫外图,该彩色化/紫外图包括YUV值,其中,Y值表示亮度值,而U和V值表示色调和/或色饱和度值,并且其中,生成所述补图包括进行从YUV值到YVU值的变换。
11.一种用于体绘制的装置,包括:
显示器;
耦连到所述显示器的计算机/控制单元,其中,所述计算机/控制单元向所述显示器提供用于绘制屏幕视图的数据;以及
耦连到所述计算机/控制单元的设备,用于向所述计算机/控制单元提供输入,其中,响应于所述输入,所述计算机/控制单元执行如权利要求1所述的体绘制方法。
12.一种用于体绘制的装置,包括:
用于获得表示沿着各光线投射线的一个或多个不透明结构的第一复合平面的数据的模块;
用于根据所述第一复合平面来计算第二复合平面的数据的模块,其中,所述第二复合平面的所述数据指示沿着所述光线投射线的所述一个或多个不透明结构的均方根深度;
用于根据所述第二复合平面的所述数据生成深度加权图像的模块;
用于根据沿着所述光线投射线的所述一个或多个不透明结构的深度度量来确定两个不同彩色化调色板之间的深度加权颜色值的模块;以及
用于将所述第二复合平面的所述数据应用到所述第一复合平面以生成深度加权彩色化的体绘制图像的模块。
13.如权利要求12所述的装置,其中,确定所述深度加权颜色值包括使用二维彩色化查找表图。
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