CN104616344A - 纹理映射体绘制的3d java 实现的方法 - Google Patents

Abstract

用Java和Java3D在微机环境实现的一个虚拟心脏系统原型。其主要功能有：CT心脏断层数据读取、浏览；图像的滤波、分割、配准及图像裁剪；三维重构及多平面重建等。其配置为:CPUPentium(R)4,3.0GHz，内存512MB。重点讨论了虚拟心脏系统原型中基于纹理映射的体绘制方法，不同于以往的方法，采用软件方法（Java3D）实现了纹理映射硬件的功能，由于不需要三维纹理映射硬件的支持，降低了硬件成本。下一步的研究工作是改善三维纹理映射技术生成的明暗效果有所欠缺的问题。随着计算机硬件技术的发展，及三维纹理映射增加明暗效果的进一步研究，相信三维纹理映射算法将在普通PC上得到成功实现。

Description

纹理映射体绘制的3D JAVA 实现的方法

技术领域

本方法是涉汲计算机语言中的JAVA3D 方面的技术。

背景技术

为了更好地诊断和治疗各种心脏病，更安全地研发治疗心脏病药物，科学家提出用计算机模拟人的心脏，由此产生了虚拟心脏）技术。它应用计算机强有力的计算和图形显示能力，通过给计算机心脏模型赋予活体心脏所具有的各种特性，使之从形态、结构和功能等方面逼真地再现人体心脏的活动过程。

虚拟心脏是在CT 和MRI 成像技术的基础上建立真实几何形状的心脏模型。

发明内容

从20世纪80年代开始，许多可视化的体绘制方法被提出并成功地应用于医学领域。体绘制技术一般可分为：间接体绘制法IVR和DVR.。

间接体绘制法，首先对整个体数据进行等值表面分割定义，接着用各种几何元拟合表面，最后绘制出所有的几何元。代表性的间接体绘制方法是等值面法，典型的等值面算法是移动立，对等值面连接问题的进一步研究引出了其他改进算法，如分解立方体法方体法Archingtetrahedra方法。在显示三维CT医学图像数据时，间接体绘制法是经常采用的方法，结合纹理映射技术和多平面重建方法，可以把任意切片上原始的体素画在三维图像给定的表面，以增加实体感，而且这种方法由于利用了计算机图形硬件的加速功能，在如今的高档PC上可以实时显示三维医学图像，这种技术经常被用于计算机辅助手术的三维医学模型重建。

直接体绘制法把体素当作基本元，认为体素是一种本身既可发光又可吸收光线的半透明物质，体绘制时根据体素的灰度值对每一体素赋予阻光度值和颜色值，再根据各体素的灰度梯度及光照模型）计算出各体素的光照强度，然后将投射到图像平面上同一像素点的各体素的阻光度值和颜色值综合在一起，形成最终的三维图像。

体绘制算法也可根据所用的投影策略不同分为以对象空间为序（object order ）的算法—正向算法又称为体素投影法（voxel projection）和以图像空间为序（image order ）的算法—逆向算法又称为光线投射法(ray casting)。以对象空间为序的体绘

制算法遍历整个体数据空间的体素，并投射体素到成像屏，典型的为Splatting 算法。以图像空间为序的体绘制算法分为3种主要方法：平行光线投射法、透视光线投射法及光线跟踪法。

多平面重建是一种被广泛应用的交互式浏览体数据的可视化方法，由于医学体数据的三维特性，当体数据是各向同性时，可以通过重新排列指定截面内体素的位置次序，而很容易地获得该截面内的体素分布图像。如指定截面垂直XYZ中某一主轴方向，即可获得符合医生习惯的水平面、冠状面、矢状面断层图像，更复杂的多平面重建方法是指定任意方向的截面显示，或者沿一曲线形成切割曲面显示。

三维纹理映射利用硬件实现三维可视化，但一般只有高档的图形工作站才配有其所需的昂贵的三维纹理映射硬件。三维纹理映射把体数据分类及转换为RGB值并装入三维纹理内存，在绘制过程中通过映射和视线方向垂直的一系列体数据的截平面，并在帧缓存中组合这些平面来取得三维绘制效果。

Java 3D实现的纹理映射绘制$ 二维纹理映射的体绘制算法是基于纹理映射体绘制算法中最基本的一种，它是按体数据正交方向将二维纹理切片堆叠起来达到三维的效果，实现步骤如下。

1）  准备纹理图。由给定的转换函数将体数据值转换成相应的光强度、颜色及不透明度，构造出平行于XY平面、平行于XZ平面和平行于YZ平面的二维纹理。

2）  装载纹理。按照视角的方向，沿Z轴Y 轴和X轴的顺序依次装载纹理切片到ImgComponenet2D类中。

3）  创建Appearance。将上一步的ImageCompenent2D装载到Textrue2D中，并将Texture2D对象设置到Appearance中。

4）  映射。用TextCoordGeneration类对象确定被绘制的二维表面上点与纹理空间坐标的对应关系。

5）  二维纹理逐片绘制。

三维纹理映射的体绘制算法与基于二维纹理映射体绘制算法最大的区别在于纹理切片的生成，三维纹理是根据视线方向确定纹理坐标，然后根据纹理坐标产生纹理切片，其算法主要步骤如下:

1）准备纹理图。由给定的转换函数将体数据值转换成相应的光强度、颜色及不透明度，构造出三维纹理。

2）装载纹理。按照视角的方向为沿Z 轴、Y轴和X 轴的顺序依次装载纹理切片到ImageComponent3D类中。

3）创建Appearance。将上一步的ImageComponent3D装载到Textrue3D中，并将Textrue3D 对象设置到Appearance中。

4）映射。用TextCoordGeneration类对象确定被绘制的三维物体上点与纹理空间坐标的对应关系。

5）三维纹理逐片绘制。

取自Ge 公司的16 层螺旋CT扫描仪对心脏进行扫描，得到的一组123层CT心脏断层，用上述方法得到的3D重构结果。

Claims (6)

1.纹理映射体绘制的3D JAVA 实现的方法其特征是方法获取CT心脏断层数据，对其进行预处理，在此基础上进行图像的滤波、分割、配准及裁剪，最后实现基于纹理映射体绘制的三维重构。

2.根据权利要求1其功能为：1) 获取数据的数据读取模块；2)对图像进行灰度级统计的数据分析模块；3)对二维数据进行滤波、分割、配准和裁剪等预处理的预处理模块；4)用三维数组记录体数据并存储在文;件中的体数据封装模块；5)对数据进行基于纹理映射的体绘制的体绘制模块；6)  交互式浏览体数据的浏览模块。

3.根据权利要求2中获取数据的数据读取模块，则其用Java语言实现了根据用户提供的路径读取文件头信息以获得文件类型，然后根据文件类型的不同打开图像文件。

4.根据权利要求2二维纹理映射的体绘制算法是基于纹理映射体绘制算法中最基本的一种，它是按体数据正交方向将二维纹理切片堆叠起来达到三维的效果。

5.根据权利要求3则步骤准备纹理图,装载纹理,创建Appearance, 映射，二维纹理逐片绘制。

6.根据权利要求4则，三维纹理是根据视线方向确定纹理坐标，然后根据纹理坐标产生纹理切片。