CN107016731A - 网格的体素化 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“网格的体素化”。本发明公开了一种用于3D再现的方法，该方法包括：接收限定表面的网格的3D三角形群组，所述群组中的每个3D三角形具有带相应3D坐标的3D顶点；并将每个3D三角形变换成2D三角形，所述2D三角形具有分别与所述3D顶点对应的2D顶点，每个2D顶点具有相应2D像素坐标和与对应3D顶点的3D坐标对应的像素属性的三元组。每个2D三角形被传递至图形处理器，所述图形处理器将每个2D顶点的所述像素属性的三元组处理为可内插值。所述图形处理器通过所述2D顶点的所述像素属性之间的内插来计算每个2D三角形内的像素的相应内插像素属性的三元组，并且所述表面的3D图像通过将由所述图形处理器计算的所述内插像素属性转换成所述3D图像中的体素坐标来再现。

Description

网格的体素化
技术领域
本发明大体涉及图像生成，并且具体地涉及从网格高效生成图像。
背景技术
在许多领域，能够及时操纵图像很重要。随着图像中的分辨率、尺寸和颜色数量增加，操纵变为更计算机密集型。在时间关键领域，例如在外科手术期间，可能需要操纵为基本上实时的，从而导致对用于呈现图像的计算机资源的进一步要求。在某些情况下，为保持实时行为，可例如通过降低图像的分辨率或通过减少图像中的颜色数量来降低图像的质量。
发明内容
本发明的实施方案提供了一种用于三维(3D)再现的方法，所述方法包括：
接收限定表面的三角形网格的3D三角形群组，所述群组中的每个3D三角形具有带相应3D坐标的三个3D顶点；
将每个3D三角形变换成对应二维(2D)三角形，所述对应二维(2D)三角形具有分别与所述3D顶点对应的三个2D顶点，每个2D顶点具有相应2D像素坐标和与对应3D顶点的3D坐标对应的像素属性的三元组；
将每个2D三角形传递至图形处理器，所述图形处理器把每个2D顶点的所述像素属性的三元组作为可内插的值来处理；
在所述图形处理器中，通过所述2D三角形的所述2D顶点的所述像素属性之间的内插来计算每个2D三角形内的像素的相应内插像素属性的三元组；以及
通过将由所述图形处理器计算的所述内插像素属性转换成所述3D图像中的体素坐标来再现所述表面的3D图像。
所述方法通常包括在将给定2D三角形传递至所述图形处理器之后，用所述给定2D三角形内的所述像素填充所述给定2D三角形。
在本发明所公开的实施方案中，所述内插像素属性包括每个2D顶点的所述像素属性的三元组的加权插值。通常，所述加权插值包括对给定2D顶点的像素属性的三元组应用与给定像素到所述给定2D顶点的距离成反比的加权。
在本发明所公开的另一实施方案中，将所述内插像素属性转换成体素坐标由以下组成：将所述三角形网格包封在体素长方体中，并且选择含有或接触所述内插像素属性的体素作为所述表面的体素。
在本发明所公开的再一实施方案中，所述表面被包括在心脏的室中。
在另选实施方案中，每个2D三角形默记一个公共的2D三角形。
在另一另选实施方案中，每个2D三角形被配置成填充虚拟屏幕。
根据本发明的实施方案，还提供一种用于三维(3D)再现的设备，所述设备包括：
处理单元，所述处理单元被配置成：
接收限定表面的三角形网格的3D三角形群组，所述群组中的每个3D三角形具有带相应3D坐标的三个3D顶点，以及
将每个3D三角形变换成对应二维(2D)三角形，所述对应二维(2D)三角形具有分别与所述3D顶点对应的三个2D顶点，每个2D顶点具有相应2D像素坐标和与对应3D顶点的3D坐标对应的像素属性的三元组；和
图形处理器，所述图形处理器被配置成：
接收每个2D三角形并将每个2D顶点的所述像素属性的三元组处理为可内插的值，
通过所述2D三角形的所述2D顶点的所述像素属性之间的内插来计算每个2D三角形内的像素的相应内插像素属性的三元组，并且
其中所述处理单元被配置成通过将由所述图形处理器计算的所述内插像素属性转换成所述3D图像中的体素坐标来再现所述表面的3D图像。
结合图式阅读对本公开的实施方案的下述详细说明将更全面地理解本公开，其中：
附图说明
图1为根据本发明的实施方案的体素化设备的示意图；
图2为根据本发明的实施方案的由传感器在其接触表面时对准的点的示意图；
图3为根据本发明的实施方案的由处理单元进行以产生图像的步骤的流程图；并且
图4为示出根据本发明的实施方案的流程图的步骤中的一者的图式。
具体实施方式
概述
操纵表面图像(诸如旋转，平移，放大，和/或缩小图像)通常为计算机密集型。此外，随着图像分辨率和图像中的颜色数量增加，及时进行操纵所需的计算能力也需要提高。不是提供此种提高的计算能力，现有技术系统可降低图像的分辨率，减少颜色数量，和/或增加操纵图像所用的时间。
本发明的实施方案通过提供快速操纵具有高分辨率的图像所需的提高的计算能力来采取不同的策略。提高的计算机能力是以专用图形处理器的形式提供。如本领域已知，图形处理器具有使其比用于处理大数据块的通用处理单元更有效的高度并行结构。
在本发明的实施方案中，通用处理单元接收限定表面的网格的三维(3D)三角形群组，每个三角形具有带相应3D坐标的三个3D顶点。处理单元将每个3D三角形变换成对应二维(2D)三角形，所述对应二维(2D)三角形具有与3D顶点对应的三个2D顶点。通常，尽管3D三角形是不同的，但2D三角形可为具有一组2D顶点的一个公共的2D三角形。每个2D顶点具有2D像素坐标，且另外，每个顶点指派有作为对应3D顶点的3D坐标的像素属性的三元组。
处理单元将每个2D三角形传递至专用图形处理器，所述专用图形处理器把每个2D顶点的像素属性的三元组处理为可内插的值(即，图形处理器可在其之间进行内插的值)。在图形处理器的一些使用中，输入到处理器的可内插的值为颜色值。图形处理器被配置成用三角形内的像素填充每个2D三角形。此外，通过把每个2D顶点的像素属性的三元组作为可内插的值来处理，图形处理器计算每个填充像素的相应内插像素属性的三元组。内插通常为2D顶点三元组的加权平均，加权被配置成与给定填充像素距2D顶点的距离成反比。
处理单元可从图形处理器接收内插像素属性的三元组，并且使用所述三元组作为对应3D三角形内的3D点。处理单元通常最初将网格包封在一组体素中，且在进行上述过程之后，选择包封或接触3D点的体素。处理单元然后使用选定体素的体素坐标来再现与屏幕上的网格相关联的表面的3D图像。
通过使用被配置成把像素属性的三元组作为可内插的值来处理的专用图形处理器，本发明的实施方案利用图形处理器的高度并行性质来实时高效地操纵高分辨率图像。
系统说明
在以下的描述中，图式中的类似元件由类似数字来标识，并且类似元件可根据需要通过在标识数字后附加字母来进行区分。
图1为根据本发明的实施方案的体素化设备20的示意图。如在下文中描述，设备20被配置成确定被包含在三维(3D)表面22中的体素。以举例的方式，所述设备假定用于微创医疗手术，且对其进行所述手术的表面22假定为包括人类患者28的心脏26的室24的表面。所述手术假定为由医疗专业人员30进行。还以举例的方式，所述手术假定为包括对表面24的消融。然而，应当理解，本发明的实施方案不仅仅适用于对特定表面的此特定手术，且可包括对任何表面的基本上任何手术。
设备20由位于所述设备的操作控制台48中的系统处理单元(PU)46控制。PU 46与图形处理器(GP)50通信且与下文将描述其功能的跟踪模块52通信。PU 46通常还与用于所述手术的其它模块(例如消融模块和冲洗模块)通信，但为了简洁起见，此类模块未示出于图1中。控制台48包括由专业人员30用来与处理单元进行通信的控制件54。
通常，在进行所述手术之前，对表面22进行标测，且标测假定为由专业人员30进行。为进行标测，探头60可被配置成在其远侧端部处具有位置传感器62，所述位置传感器与PU 46通信，以使得来自传感器的信号使得处理单元能够确定传感器的位置。传感器62可使用本领域已知的用于确定其位置的任何方法。例如，传感器62可包括一个或多个线圈，且PU46可使用其中处于患者28外部的磁发射器64在所述线圈中生成信号的磁跟踪方法。处理单元可使用跟踪模块(例如跟踪模块52)来将信号转换成由磁发射器限定的三维(3D)参考系66中的位置坐标。在图1中，3D参考系由一组正交的xyz轴线示出。由Biosense WebsterDiamond Bar,CA生产的系统使用这种跟踪方法。
为进行标测，专业人员可将探头60插入到患者的内腔中，以使得探头的远侧端部进入患者的心脏的室24，并且使得传感器62在多个点处接触室的表面22。根据标测，PU 46可生成表面22的图像70，处理单元通常在屏幕74上将所述图像呈现给专业人员30。在手术期间，专业人员30能够使用控制件54例如通过旋转，改变放大率，改变观察方向和/或示出图像的仅一部分来操纵图像70。下文描述图像70的生成。
用于PU 46、GP 50和模块52的软件可例如通过网络以电子形式下载。另选地或除此之外，所述软件可提供在非临时性有形介质(诸如，光学、磁性或电子存储介质)上。
图2为根据本发明的实施方案的由传感器62在其接触表面22时对准的点100的示意图。通常在上文所提及的标测期间，PU 46最初存储在由发射器64限定的3D参考系中测量的点100的3D坐标。处理单元然后使用本领域已知的任何方法(例如滚珠枢转算法)通过线段102来连接点100(本文中也被称为3D顶点100)的3D坐标，以产生一组连接的3D三角形104A，104B，104C，...，一般称为三角形104。3D三角形104形成表面的三角形网格106。如下文参照图3的流程图所示，PU 46使用GP 50来将网格106再现成图像70。
图3为由PU 46进行以产生图像70的步骤的流程图，且图4为示出根据本发明的实施方案的流程图的步骤中的一者的图。在初始步骤150中，处理单元生成大体如上文参照图1和图2所述的表面22的3D三角形网格，此处假定为包括网格106。网格的生成包括确定网格的3D顶点100的3D坐标，作为有序三元组，然后确定连接顶点以在参考系66中形成3D三角形104的线段102的方程式。
在包封步骤151中，将3D网格包封在由体素构成的3D体积中。通常，尽管未必，将包封体积的边缘选择成平行于参考系66的xyz轴线。体素的数量和尺寸可由专业人员30选择。体素通常为立方体且通常在尺寸上相等。典型的3D体积可包括128×128×128个体素或512×512×512个体素，但本发明的实施方案并不限于这些特定值，且3D体积的其它方便的体素构型可由专业人员30选择。
在三角形选择步骤152中，处理单元选择3D三角形，此处假定为三角形104A，并且对准所述三角形的3D顶点的3D坐标，假定为三元组(xA1,yA1,zA1)，(xA2,yA2,zA2)，(xA3,yA3,zA3)。
在转换步骤154中，在准备将数据输入到GP 50时，将选定3D三角形转换成2D三角形。将选定三角形的3D顶点的每个3D坐标放置成与二维(2D)顶点的相应2D坐标呈一一对应关系。每个2D顶点具有2D像素坐标和对应3D顶点的像素属性的三元组。
图4和下表I示出在步骤154中形成的对应关系。
表I
图4示出3D三角形104A，其中其三个3D顶点绘制在参考系66中。与3D三角形104A对应的2D三角形180已绘制在具有2D参考系184的2D屏幕182上。三角形180、屏幕182和参考系184已用虚线绘制以指示在步骤154中生成的对应关系不涉及点在屏幕上的任何实际布置，且屏幕182为虚拟屏幕。因此，2D三角形182用虚线绘制，因为不存在三角形182的任何实际绘制。
如下文进一步描述，步骤154针对在步骤152中所选择的不同3D三角形重复。然而，尽管3D三角形可为不同的，但其被转换成的2D三角形可为相同的，以使得在这种情况下，针对所有3D三角形存在一个公共的2D三角形。在一些实施方案中，公共的2D三角形的2D顶点被选择成使得2D三角形填充屏幕182。在这种情况下，且假定参考系184中的屏幕182具有隅角(1,1)、(1,-1)、(-1,-1)和(-1,1)，表II适用于所述对应关系。
表II
在GP输入和填充步骤156中，PU 46将2D三角形的2D顶点和相关像素三元组传递至GP 50。PG 50被配置成在接收到所述三个2D顶点后用2D像素填充三角形182，每个2D像素具有相应2D屏幕坐标(xp,yp),p＝1,2,3,…。
另外，GP被配置成把与2D顶点相关联的每个像素三元组的属性作为可内插的值来处理。至于其对可内插的值的处理，针对每个内插2D像素(xp,yp)，GP计算与所述像素相关联的像素三元组[xwp,ywp,zwp]的值作为三角形182的2D顶点的三个像素三重峰的加权平均值，所述加权根据内插像素与顶点的紧密度而确定。
[xwp,ywp,zwp]的表达式由方程式(1)表示：
其中w1，w2，w3为与从2D像素(xp,yp)到2D顶点(xs1,ys1),(xs2,ys2),(xs3,ys3)的距离d1,d2,d3成反比的归一化加权因子。
例如，如果d1＝d2＝d3，则w1＝w2＝w3＝1/3。作为第二示例，如果d1＝d2＝2d3，则w1＝w2＝1/4且w3＝1/2。
在步骤156中，处理单元针对填充2D三角形182的每个2D像素(xp,yp)根据方程式(1)来确定相应三元组[xwp,ywp,zwp]的值。
在相关步骤158中，使步骤156中的填充像素的每个三元组[xwp,ywp,zwp]的值与三角形104A相关联，从而形成所述三角形的一组{S}三元组，且处理单元存储该组三元组。根据方程式(1)将易知，每个三元组的组{S}相当于三角形104A内的3D点。
在决定步骤160中，处理单元检查是否已针对网格106中的所有3D三角形存储了一组三元组，即给定3D三角形104内的一组3D点。如果存在3D三角形104而无这样一个组，则所述流程图返回到步骤152。如果已针对网格106中的所有三角形104存储了相应组3D点，则所述流程图继续至体素化步骤162。
在体素化步骤162中，针对在步骤151中形成的3D体积的每个体素，PU 46检查在步骤158中存储的三元组中的至少一者是否包含于所述体素中或接触所述体素。这样一个体素被“标记”或选择成假定为包含于表面22中的体素。3D体积中的所有其它体素(即未包封或接触在步骤158中存储的三元组的那些)假定为不包括在表面22中。
PU 46使用选定体素的体素坐标来在屏幕74上再现表面22的图像70。
应当理解，上述实施方案以举例的方式引述，且本发明并不限于上文中具体示出和描述的内容。而是，本发明的范围包括上文中所述的各种特征结构的组合和子组合两者、以及本领域的技术人员在阅读前述说明之后会想到且在现有技术中未公开的本发明的各种变形和修改。

Claims (16)

1.一种用于三维(3D)再现的方法，包括：
接收限定表面的三角形网格的3D三角形群组，所述群组中的每个3D三角形具有带相应3D坐标的三个3D顶点；
将每个3D三角形变换成对应二维(2D)三角形，所述对应二维(2D)三角形具有分别与所述3D顶点对应的三个2D顶点，每个2D顶点具有相应2D像素坐标和与对应3D顶点的3D坐标对应的像素属性的三元组；
将每个2D三角形传递至图形处理器，所述图形处理器把每个2D顶点的所述像素属性的三元组作为可内插的值来处理；
在所述图形处理器中，通过所述2D三角形的所述2D顶点的所述像素属性之间的内插来计算每个2D三角形内的像素的相应内插像素属性的三元组；以及
通过将由所述图形处理器计算的所述内插像素属性转换成所述3D图像中的体素坐标来再现所述表面的3D图像。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在将给定2D三角形传递至所述图像处理器之后，用所述给定2D三角形内的所述像素填充所述给定2D三角形。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述内插像素属性包括每个2D顶点的所述像素属性的三元组的加权插值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述加权插值包括对给定2D顶点的像素属性的三元组应用与给定像素到所述给定2D顶点的距离成反比的加权。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述内插像素属性转换成体素坐标包括将所述三角形网格包封在体素长方体中，并且选择含有或接触所述内插像素属性的体素作为所述表面的体素。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面被包括在心脏的室中。
7.根据权利要求1所述的方法，其中每个2D三角形包括一个公共的2D三角形。
8.根据权利要求1所述的方法，其中每个2D三角形被配置成填充虚拟屏幕。
9.一种用于三维(3D)再现的设备，包括：
处理单元，所述处理单元被配置成：
接收限定表面的三角形网格的3D三角形群组，所述群组中的每个3D三角形具有带相应3D坐标的三个3D顶点，以及
将每个3D三角形变换成对应二维(2D)三角形，所述对应二维(2D)三角形具有分别与所述3D顶点对应的三个2D顶点，每个2D顶点具有相应2D像素坐标和与对应3D顶点的3D坐标对应的像素属性的三元组；
和
图形处理器，所述图形处理器被配置成：
接收每个2D三角形并将每个2D顶点的所述像素属性的三元组处理为可内插的值，
通过所述2D三角形的所述2D顶点的所述像素属性之间的内插来计算每个2D三角形内的像素的相应内插像素属性的三元组，并且
其中所述处理单元被配置成通过将由所述图形处理器计算的所述内插像素属性转换成所述3D图像中的体素坐标来再现所述表面的3D图像。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述图形处理器被配置成用所述像素填充给定2D三角形。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述内插像素属性包括每个2D顶点的所述像素属性的三元组的加权插值。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述加权插值包括对给定2D顶点的像素属性的三元组应用与给定像素到所述给定2D顶点的距离成反比的加权。
13.根据权利要求9所述的设备，其中所述处理单元被配置成将所述三角形网格包封在体素长方体中，并且选择含有或接触所述内插像素属性的体素作为所述表面的体素。
14.根据权利要求9所述的设备，其中所述表面被包括在心脏的室中。
15.根据权利要求9所述的设备，其中每个2D三角形包括一个公共的2D三角形。
16.根据权利要求9所述的设备，其中每个2D三角形被配置成填充虚拟屏幕。
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