CN102903147A - 三维数据的裁剪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于计算机可视化处理技术领域，提供了一种三维数据的裁剪方法，所述方法包括：将三维数据在投影变换下进行绘制；选择待处理的可视化区域；构造裁剪区域的曲线和曲面；根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将所述修改后的三维数据重新绘制。优选的是，三维数据可以在平行投影下进行体绘制或面绘制，修改三维数据则是通过布尔运算实现。本发明还提供一种实现上述方法的三维数据的裁剪系统。借此，本发明对三维数据进行绘制以方便用户观察，从而实现了在可视化情境下对三维数据进行交互式修改的目的。

Description

三维数据的裁剪方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机可视化处理技术领域，尤其涉及一种三维数据的裁剪方法及系统。

背景技术

以图形画面呈现各种各样的文件、信息、数据以方便使用者浏览、观察、整理已成为现代计算机系统最重要的功能之一。其中，虚拟实境式的图形呈现技术能让使用者方便的检视三维虚拟物体，在医学影像计算机辅助设计等多种领域都有重要的应用，虚拟实境式的图形呈现技术包括体绘制技术和面绘制技术。

医学中的图像分割是借助计算机算法将三维数据中的感兴趣区域提取出来的方法。在现有的医学图像处理技术中，无论是先分割再重建的方法，还是先重建再分割或者边分割边重建的反分割方法，都可能会产生对某一器官过度分割的情况，也存在利用常规算法无法分割器官的某一部分或者微小血管的情况，这样就需要反复调整分割过程或花大量时间修改分割结果，用户没有直观体验且操作难度大。中国专利号公开号为名102074039A，名称为“一种体绘制裁剪面绘制方法”的专利，公开了利用体数据包围盒来进行可视化裁切的技术，在可视化之时对包围盒和剪切面之外的体数据不予显示，但并没有实现对源体数据的修改，所以不能保存裁切的结果，也不能连续裁切，并且由于可视化硬件技术的限制，无法实现任意形状的裁切。

综上可知，现有的三维数据的裁剪技术，在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种三维数据的裁剪方法及系统，使用户可以看到体绘制和面绘制的效果，并可以方便的对体绘制或面绘制的结果进行交互式的加工与修改。

为了实现上述目的，本发明提供一种三维数据的裁剪方法，所述方法包括：

将三维数据在投影变换下进行绘制；

选择待处理的可视化区域；

构造裁剪区域的曲线和曲面；

根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将所述修改后的三维数据重新绘制。

根据本发明的三维数据的裁剪方法，所述将三维数据在投影变换下进行绘制的步骤包括：

将所述三维数据在平行投影下进行体绘制。

根据本发明的三维数据的裁剪方法，所述将三维数据在投影变换下进行绘制的步骤包括：

将所述三维数据在平行投影下进行面绘制。

根据本发明的三维数据的裁剪方法，所述选择待处理的可视化区域步骤包括：

在离所述三维数据最近的且不与数据相交的平面上将需要处理的可视化区域的边缘标识出来。

根据本发明的三维数据的裁剪方法，所述构造裁剪区域的曲线和曲面步骤包括：

构造所述三维数据的长方体包围盒，并获取所述长方体包围盒的对角线长度，将所述已标识的可视化区域所在的平面从三维数据包围盒的中心沿平行投影的反方向移动，移动的距离不小于所述包围盒对角线的长度的一半；

在所述已标识的可视化区域的平面上构造闭合曲线及该闭合曲线对应的曲面；

将所述曲面沿平行投影方向拉伸形成三维闭合曲面，且所述拉伸的距离不小于所述包围盒对角线的长度。

根据本发明的三维数据的裁剪方法，所述将三维数据在投影变换下进行绘制的步骤包括：

将所述三维数据在平行投影下进行体绘制；

所述根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将所述修改后的三维数据重新绘制的步骤包括：

根据所述三维闭合曲面形成的三维数据与源体数据进行布尔运算。

根据本发明的三维数据的裁剪方法，所述根据所述三维闭合曲面形成的三维数据与源三维数据进行布尔运算的步骤包括：

将所述三维闭合曲面以源体数据的分辨率进行体素化；

将所述体素化后的三维闭合曲面与源体数据进行求交运算，得到源体数据与三维物体相交部分的体数据；

将所述相交部分的体数据设为背景色。

根据本发明的三维数据的裁剪方法，所述将三维数据在投影变换下进行绘制的步骤包括：

将所述三维数据在平行投影下进行面绘制；

所述根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将所述修改后的三维数据重新绘制的步骤包括：

根据所述三维闭合曲面形成的三维数据与源面数据进行布尔运算。

根据本发明的三维数据的裁剪方法，所述根据所述三维闭合曲面形成的三维数据与面数据进行布尔运算步骤包括：

将所述三维闭合曲面转化为闭合面数据；

将所述闭合面数据与源面数据进行求差运算，得到裁剪之后的面数据；

保留所述裁剪之后的面数据，并删除所述闭合面数据。

本发明还相应的提供一种三维数据的裁剪系统，包括：

绘制模块，用于将三维数据在投影变换下进行绘制；

区域选择模块，用于选择待处理的可视化区域；

裁剪区域构造模块，用于构造裁剪区域的曲线和曲面；

计算模块，用于根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将所述修改后的三维数据重新绘制。

本发明通过对三维数据在投影变换下进行绘制，得到相应的体数据或面数据，并在绘制后选择待处理的可视化区域，然后在该区域所在的平面构造裁剪区域对应的曲线及曲面，优选的是，通过该曲线和曲面可以进一步构造出包含待处理数据的三维闭合曲面，然后通用户可对该三维闭合曲面的数据进行操作，比如修改、保存等，具体的则是通过对三维闭合曲面的数据及源体数据或面数据进行布尔运算得到。借此，本发明不仅可以使用户可以看到体绘制和面绘制的效果，还可以方便的对体绘制或面绘制的结果进行交互式的加工与修改。

附图说明

图1是本发明的三维数据裁剪系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例的三维数据裁剪方法的流程图；

图3A是本发明一实施例的构造三维闭合曲面的第一结构示意图；

图3B是图3A所示实施例的构造三维闭合曲面的第二结构示意图；

图3C是图3A所示实施例的构造三维闭合曲面的第三结构示意图；

图4A是本发明一实施例的基于体绘制裁剪的第一结构示意图；

图4B是图4A所示实施例的基于体绘制裁剪的第二结构示意图；

图5A是本发明一实施例的基于面绘制裁剪的第一结构示意图；

图5B是图5A所示实施例的基于面绘制裁剪的第二结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为便于本发明的理解，在此对本发明所提的部分技术名词加以描述。

三维数据分为体素表示的体数据和面片表示的面数据，分别对应体绘制和面绘制。

体绘制是一种根据三维体数据将所有体细节同时展现在二维图片上的可视化技术。通过设置体绘制中的不透明度传递函数、颜色传递函数和梯度传递函数，将体数据转换为光学参数，可以得到不同的绘制效果。利用体绘制技术可以在一幅图像上显示多种物质的综合分布情况，展示了内部信息和空间体细节，相比二维图片显示，可以提供更为丰富直观的可视化效果。

面绘制是将表面表示的三维面数据显示出来的可视化技术。利用面绘制技术可以非常逼真的显示三维面数据，并对每一个面数据对象独立设置颜色、透明度、材质等显示属性，对于有多个三维面数据的场景，为之设置不同的显示属性，可以明确呈现出不同三维面数据的特征，并在多个三维面数据的深度层次和相对位置关系方面提供非常清晰的可视化效果。

投影变换是指从三维物体模型描述到二维图形描述的转换过程，包括平投影和透视投影。平行投影保持物体的有关比例不变，能够得到物体的各个面的精确视图；透视投影不保持相关比例，但能够生成真实感视图。

参见图1，本发明提供了一种三维数据的裁剪系统，该系统100包括绘制模块10、区域选择模块20、裁剪区域构造模块30及计算模块40，其中：

绘制模块10用于将三维数据在投影变换下进行绘制。具体的，本发明优选的在平行投影下对三维数据进行绘制，且可以根据不同处理方式对三维数据进行体绘制或面绘制。

区域选择模块20用于选择待处理的可视化区域。实际应用中，三维数据包括由体素构成的体数据和由三角面片构成的面数据。用户可以在离三维数据最近的且不与数据相交的平面上使用鼠标将需要处理的可视化区域的边缘曲线勾划出来。

裁剪区域构造模块30用于构造裁剪区域的曲线和曲面。当用户勾划好相应的可视化区域后，即可通过闭合曲线标识裁剪区域，然后对闭合曲线形成的二维曲面进行第三维方向的拉伸以形成一个包含裁剪区域的三维闭合曲面。

计算模块40用于根据构造的曲面修改所述三维数据，并将修改后的三维数据重新绘制。包含裁剪区域的三维闭合曲面构造完成后，用户即可通过曲面直接修改三维数据，修改的方式是根据三维闭合曲面形成的三维数据与源三维数据进行布尔运算，具体的布尔运算包括求并、求交、求差三种方式。在计算完成后，还可以将修改后的三维数据重新绘制，以方便用户查看处理效果。

参见图2，本发明提供了一种三维数据的裁剪方法，其可以通过如图1所示的系统100实现，该方法包括：

步骤S201，通过绘制模块10将三维数据在投影变换下进行绘制。本发明对三维数据的绘制优选在平行投影下进行，且可以根据不同的处理方法，选择对三维数据进行体绘制或面绘制。

步骤S202，通过区域选择模块20选择待处理的可视化区域。可视化区域实际上指经过绘制后的二维图示或该图示的一部分。具体实现是在离所述三维数据最近的且不与数据相交的平面上将需要处理的可视化区域的边缘标识出来。

步骤S203，通过裁剪区域构造模块30构造裁剪区域的曲线和曲面。具体应用中，参见图3A～图3C，首先构造三维数据的长方体包围盒50，并获取该长方体包围盒50的对角线长度，将所述已标识的可视化区域所在的平面从三维数据包围盒的中心沿平行投影的反方向(摄像机60)移动，且移动的距离不小于所述包围盒50对角线的长度的一半，以使该平面与三维数据不会相交；然后在已标识的可视化区域的平面上构造闭合曲线及该闭合曲线对应的曲面，并将所述曲面沿平行投影方向(摄像机60的反方向)拉伸形成三维闭合曲面，且拉伸的距离不小于所述包围盒50对角线的长度，借此使该三维闭合曲面能够完全包含待处理的三维数据。

步骤S204，计算模块40根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将修改后的三维数据重新绘制。具体的，若在步骤S201中对三维数据采用的为体绘制，则计算模块40以三维闭合曲面和源体数据作为输入，对三维数据进行修改计算。具体的是通过布尔运算实现，包括求并、求交、求差三种计算方式。

还是以体绘制为例，计算模块40首先对上述得到的三维闭合曲面以源体数据的分辨率进行体素化，借此可以极大地提高后续两者之间的布尔运算操作速度，满足实时处理的要求。三维闭合曲面的数据进行体素化后，将所述体素化后的三维闭合曲面与源体数据进行求交运算，得到的源体数据与三维物体相交部分的体数据，然后将相交部分的体数据设为背景色，借此得到裁切后的最终结果。

若步骤S201中对三维数据采用的为面绘制，则计算模块40根据上述三维闭合曲面形成的三维数据与源面数据进行布尔运算。具体的，计算模块40首先将所述三维闭合曲面转化为闭合面数据，然后将所述闭合面数据与源面数据进行求差运算，得到裁剪之后的面数据，然后保留所述裁剪之后的面数据，并删除所述闭合面数据，借此得到布尔运算的求差结果。同时，计算模块40还可以将修改后的三维数据重新绘制，方便用户观察处理效果。

需要说明的是，以上实施例仅以体绘制和面绘制后的求差计算对布尔运算作了说明，但并不限于该运算。根据不同的处理需求还可以对三维闭合曲面对应的数据以及源数据进行求交、求并运算，计算方式与以上求差过程相同，故在此不再赘述。

本发明对三维数据进行绘制以方便用户观，根据勾划的闭合曲线形成一个三维闭合曲面，对三维闭合曲面形成的三维数据与源三维数据进行布尔运算，从而实现了在可视化情境下对三维数据进行交互式修改的目的。另外，本发明在视图上可直接用鼠标进行操作，交互方式直观简捷，可以连续裁切，可以保存裁切的结果数据，可以作用于分割前的体数据，也可以作用于分割后重建得到的面数据，能取代传统的分割方法的部分功能，直接通过手工交互获得感兴趣区域。

参见图4A和图4B，本发明一实施例提供了一种对三维数据通过体绘制处理的方法。对于一组CT图像，依照本发明采用如下技术步骤进行体数据裁切操作：

1)在平行投影下进行体绘制；

2)获得勾划曲线的平面并绘制包围裁剪区域的曲线，如图4A；

3)对曲线构造的曲面进行拉伸以形成包围裁切区域的三维闭合曲面；

4)对得到的三维闭合曲面以源数据的分辨率进行体素化；

5)将体素化后的三维闭合曲面与源三维数据进行求交运算；

6)去除或保留上述步骤得到的相交三维数据，如图4B，其他三维数据置为背景色，从而得到最终的结果。

再参见图5A和图5B，本发明还提供了一种对三维数据通过面绘制处理的方法。对于一组序列CT图像，依照本发明采用如下技术步骤进行面数据裁切操作：

1)在平行投影下进行对已分割的数据进行面绘制；

2)获得勾划曲线的平面并绘制包围裁剪区域的曲线，如图5A；

3)对曲线构造的曲面进行拉伸以形成包围裁切区域的三维闭合曲面；

4)将三维闭合曲面转化为闭合面数据；

5)将上述闭合面数据与源面数据进行求差运算，得到裁切之后的面数据；

6)保留裁切之后的面数据，并删除上述闭合面数据，如图5B。

优选的是，在对以上闭合曲面的数据计算处理完后可将修改后的三维数据重新绘制，借此方便用户观察处理效果。

综上所述，本发明通过对三维数据在投影变换下进行绘制，得到相应的体数据或面数据，并在绘制后选择待处理的可视化区域，然后在该区域所在的平面构造裁剪区域对应的曲线及曲面，优选的是，通过该曲线和曲面可以进一步构造出包含待处理数据的三维闭合曲面，然后通用户可对该三维闭合曲面的数据进行操作，比如修改、保存等，具体的则是通过对三维闭合曲面的数据及源体数据或面数据进行布尔运算得到。借此，本发明不仅可以使用户可以看到体绘制和面绘制的效果，还可以方便的对体绘制或面绘制的结果进行交互式的加工与修改。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维数据的裁剪方法，其特征在于，所述方法包括：

将三维数据在投影变换下进行绘制；

选择待处理的可视化区域；

构造裁剪区域的曲线和曲面；

根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将所述修改后的三维数据重新绘制。

2.根据权利要求1所述的三维数据的裁剪方法，其特征在于，所述将三维数据在投影变换下进行绘制的步骤包括：

将所述三维数据在平行投影下进行体绘制。

3.根据权利要求1所述的三维数据的裁剪方法，其特征在于，所述将三维数据在投影变换下进行绘制的步骤包括：

将所述三维数据在平行投影下进行面绘制。

4.根据权利要求1所述的三维数据的裁剪方法，其特征在于，所述选择待处理的可视化区域步骤包括：

在离所述三维数据最近的且不与数据相交的平面上将需要处理的可视化区域的边缘标识出来。

5.根据权利要求4所述的三维数据的裁剪方法，其特征在于，所述构造裁剪区域的曲线和曲面步骤包括：

构造所述三维数据的长方体包围盒，并获取所述长方体包围盒的对角线长度，将所述已标识的可视化区域所在的平面从三维数据包围盒的中心沿平行投影的反方向移动，移动的距离不小于所述包围盒对角线的长度的一半；

在所述已标识的可视化区域的平面上构造闭合曲线及该闭合曲线对应的曲面；

将所述曲面沿平行投影方向拉伸形成三维闭合曲面，且所述拉伸的距离不小于所述包围盒对角线的长度。

6.根据权利要求5所述的三维数据的裁剪方法，其特征在于，所述将三维数据在投影变换下进行绘制的步骤包括：

将所述三维数据在平行投影下进行体绘制；

所述根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将所述修改后的三维数据重新绘制的步骤包括：

根据所述三维闭合曲面形成的三维数据与源体数据进行布尔运算。

7.根据权利要求6所述的三维数据的裁剪方法，其特征在于，

所述根据所述三维闭合曲面形成的三维数据与源三维数据进行布尔运算的步骤包括：

将所述三维闭合曲面以源体数据的分辨率进行体素化；

将所述体素化后的三维闭合曲面与源体数据进行求交运算，得到源体数据与三维物体相交部分的体数据；

将所述相交部分的体数据设为背景色。

8.根据权利要求5所述的三维数据的裁剪方法，其特征在于，所述将三维数据在投影变换下进行绘制的步骤包括：

将所述三维数据在平行投影下进行面绘制；

所述根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将所述修改后的三维数据重新绘制的步骤包括：

根据所述三维闭合曲面形成的三维数据与源面数据进行布尔运算。

9.根据权利要求8所述的三维数据的裁剪方法，其特征在于，所述根据所述三维闭合曲面形成的三维数据与面数据进行布尔运算步骤包括：

将所述三维闭合曲面转化为闭合面数据；

将所述闭合面数据与源面数据进行求差运算，得到裁剪之后的面数据；

保留所述裁剪之后的面数据，并删除所述闭合面数据。

10.一种三维数据的裁剪系统，其特征在于，包括：

绘制模块，用于将三维数据在投影变换下进行绘制；

区域选择模块，用于选择待处理的可视化区域；

裁剪区域构造模块，用于构造裁剪区域的曲线和曲面；

计算模块，用于根据所述构造的曲面修改所述三维数据，并将所述修改后的三维数据重新绘制。

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