CN109544688A - 一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及本发明涉及一种体绘制融合方法,特别涉及一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法,属于三维标量数据场可视化技术领域。该方法首先根据已有的体绘制不透明传输函数,构造一个新的不透明传输函数,然后根据新的不透明传输函数按照光线投射法建立新的体绘制结果,以此实现不同体绘制结果的融合。这不仅发挥了体绘制在洞察三维空间结构和体细节方面的技术优势,而且还避免了重新手工设计或调整体绘制传输函数的问题,可明显提高可视化分析效率。另外,本发明的方法克服了传统图像融合技术在融合体绘制结果时存在的空间混淆问题,可视化分析效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种体绘制融合方法,特别涉及一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法,属于三维标量数据场可视化技术领域。
背景技术
体绘制(Volume Rendering)是一种直接将三维标量数据场转换为二维图像的技术。这一技术可以让人们洞察到三维数据场的内部情况和局部细节,因而在科学可视化和医学可视化领域有着广泛而深入的应用。例如,对人体三维CT数据进行体绘制,可以清晰地展示体内不同组织和器官的形态结构。
目前有多种实现体绘制的技术和方法,如光线投射法(Ray Casting)和抛雪球法(Splatting)。其中光线投射法具有成像质量高、绘制效果好的特点,应用最为广泛。光线投射法的基本过程(参见P.Sabella.A Rendering Algorithm for Visualizing 3DScalarFields.Computer Graphics,1988,22(4):51-58.)是:针对给定的三维标量体数据V,设定一个颜色传输函数CTF(ColorTransferFunction)和一个不透明度传输函数OTF(Opacity Transfer Function);然后从视点出发投射一条穿过体数据V的光线L,在V内沿L依次采样n个样本点pi(i=1,2,…,n),并根据CTF和OTF计算每个样本点的颜色值ci(i=1,2,…,n)和不透明度值oi(i=1,2,…,n);最后按照下式计算投射光线L所对应像素点的颜色值c,即:
体绘制的传输函数(包括颜色传输函数CTF和不透明度传输函数OFT)都是针对具体应用目标设定的。不同的传输函数对应不同的体绘制结果。体绘制结果的好坏取决于传输函数的设计。然而,目前并没有一个通用的传输函数设计方法。大多数传输函数都是由应用领域的专业技术人员凭借经验不断手工调整试错而成的。这个试错过程复杂而繁琐,严重影响可视化分析效率。
另外,在实际应用中有时需要将不同的体绘制结果融合起来进行综合分析。例如,在分析人体三维CT数据的时候,针对皮肤组织设计了一个传输函数,得到显示皮肤的体绘制结果;针对骨骼结构设计了另一个传输函数,得到显示骨骼的体绘制结果。为了进行综合分析,期望将两个不同的体绘制结果即皮肤和骨骼融合在一起展示。此时,往往需要重新手工设计体绘制传输函数。如前所述,手工设计或调整体绘制传输函数是非常繁琐而复杂的,给实际应用带来很多不便。
除此之外,还有另一种融合体绘制结果的方法。那就是采用传统的图像融合技术,在不同的体绘制结果图像融合在一起,建立新的图像。这种方式简单易行,但是在融合时无法考虑三维场景的空间结构,因而在融合结果中存在丢失或混淆空间结构信息的情况,使可视化分析的准确性和可靠性都受到不同程度的影响。
为了解决上述融合体绘制结果时遇到的问题,本发明提供了一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法。该方法首先根据已有的体绘制不透明传输函数,构造一个新的不透明传输函数,然后根据新的不透明传输函数按照光线投射法建立新的体绘制结果。新的体绘制结果将融合原有体绘制结果的内容和场景,但是不需要手工调整或设置新的体绘制传输函数,同时也避免了传统图像融合所造成的空间结构信息的混淆,可明显提高可视化分析效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法,自动将不同传输函数控制下的体绘制结果融合在一起,以此避免因融合需要而重新设计或调整体绘制传输函数,同时克服传统图像融合技术在融合体绘制结果时存在的空间混淆问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法,包括以下步骤:
步骤一、输入体数据以及两个不同的体绘制结果。
其中体绘制结果是针对输入的体数据按照光线投射法建立的,除了图像外,还包括产生该图像的颜色传输函数和不透明度传输函数。令输入的体数据为V,两个不同的体绘制结果图像分别为Im1和Im2;同时令产生Im1的颜色传输函数为CTF1、不透明度传输函数为OTF1,产生Im2的颜色传输函数为CTF2、不透明度传输函数为OTF2。
步骤二、根据不透明度传输函数OTF1和OTF2构造一个新的不透明度传输函数OTF3。
具体构造方法如下:
(1)对输入的不透明度函数在其定义域上依次等间隔采样N个点,将不透明度函数表示为N个点的采样序列,其中N的值根据实际精度需要而定,N值越大精度越高。
(2)令输入的不透明度传输函数OTF1的采样序列为a1,a2,a3,…,aN;OTF2的采样序列为b1,b2,b3,…,bN。在此基础上定义
(3)假设待构造的不透明度传输函数OTF3的采样序列为c1,c2,c3,…,cN,并由此定义
(4)令HC(0)=1.0,并按照下面的迭代公式依次计算OTF3的采样序列值c1,c2,c3,…,cN,即:
其中是根据实际需要事先确定的加权融合因子,取值范围在0到1之间。本发明默认的取值是0.5。
(5)根据采样序列值c1,c2,c3,…,cN建立分段线性函数,将其作为新的不透明度传输函数OTF3。
步骤三、从颜色传输函数CTF1和CTF2中任取一个作为新的颜色传输函数CTF3。
颜色传输函数主要用来区分不同的体数据值。步骤一中输入的CTF1和CTF2都是作用于体数据V的颜色传输函数,为了避免不必要的颜色混淆,通常会将CTF1和CTF2设置成一致的,此时从CTF1和CTF2中任取一个作为新的颜色传输函数是合理可行的。如果CTF1和CTF2不一致,从中任取一个作为新的颜色传输函数CTF3也是可行的,不会影响后续处理。
步骤四、根据前面确定的CTF3和OTF3,按照光线投射法,对体数据V进行体绘制得到体绘制结果图像Im3,输出Im3。
输出图像Im3就是原有体绘制结果图像Im1和Im2的融合结果。
有益效果
本发明所述的一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法,与现有技术和方法相比,具有以下几个方面的优点:
(1)本发明的方法从不透明度函数出发,根据已有的不透明度传输函数自动构造一个新的不透明度函数,由此实现不同体绘制结果的融合。这不仅发挥了体绘制在洞察三维空间结构和体细节方面的技术优势,而且还避免了重新手工设计或调整传输函数的问题,可明显提高可视化分析效率。
(2)与传统的图像融合方式相比,本发明的方法更好地保留了目标场景的空间结构信息,避免了空间结构的混淆,可视化分析效果更好。
(3)本发明所述的融合方法充分利用了原有传输函数的设计结果,有利于传输函数设计知识的传播和积累。在实际应用中,可以先设计简单的面向单目标的传输函数,然后按照本发明的方法逐步构造复杂的包含多目标场景的传输函数。
附图说明
图1本发明所述的一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法的流程图;
图2颜色传输函数CTF1和不透明度传输函数OTF1;
图3体绘制结果图像Im1;
图4颜色传输函数CTF2和不透明度传输函数OTF2;
图5体绘制结果图像Im2;
图6不透明度传输函数OTF3;
图7按照本发明方法融合Im1和Im2的结果;
图8采用传统图像融合技术融合Im1和Im2的结果。
具体实施方式
为了展示本发明的具体实施方式和实施效果,选取一个测试示例作为本发明的实施例。下面结合附图和实施例阐述本发明的具体实施方式。
图1给出了本发明所述的一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法的流程图,其主要步骤如下:
步骤1、输入体数据以及两个不同的体绘制结果。
其中体绘制结果是针对输入的体数据按照光线投射法建立的,除了图像外,还包括产生该图像的颜色传输函数和不透明度传输函数。令输入的体数据为V,两个不同的体绘制结果图像分别为Im1和Im2;同时令产生Im1的颜色传输函数为CTF1、不透明度传输函数为OTF1,产生Im2的颜色传输函数为CTF2、不透明度传输函数为OTF2。
在本实施例中,输入的体数据V是一个大小为41×41×41的核子体数据。输入的两个不同的体绘制结果分别是:针对输入体数据V,事先设计的颜色传输函数CTF1和不透明度传输函数OTF1(如图2所示),依据这两个传输函数采用光线投射法建立的体绘制结果图像Im1(如图3所示);事先设计的颜色传输函数CTF2和不透明度传输函数OTF2(如图4所示),以及相应的体绘制结果图像Im2(如图5所示)。
对比图3和图5,可以看到各自所包含的场景是不一样。图3绘制了一个椭球体,在椭球体内部有一个类似托盘的形体,在托盘形体的上方是一个杯状形体。图5则主要显示了椭球体内部的一个环状形体。
步骤2、根据输入的不透明度传输函数构造一个新的不透明度传输函数。
具体构造方法如下:
(1)对输入的不透明度函数在其定义域上依次等间隔采样N个点,将不透明度函数表示为N个点的采样序列,其中N的值根据实际精度需要而定,N值越大精度越高。
(2)令输入的不透明度传输函数OTF1的采样序列为a1,a2,a3,…,aN;OTF2的采样序列为b1,b2,b3,…,bN。在此基础上定义
(3)假设待构造的不透明度传输函数OTF3的采样序列为c1,c2,c3,…,cN,并由此定义
(4)令HC(0)=1.0,并按照下面的迭代公式依次计算OTF3的采样序列值c1,c2,c3,…,cN,即:
其中是根据实际需要事先确定的加权融合因子,取值范围在0到1之间。
(5)根据采样序列值c1,c2,c3,…,cN建立分段线性函数,将其作为新的不透明度传输函数OTF3。
本实施例采用的N值为256,值为0.5。针对本实施例输入的不透明度传输函数OTF1和OTF2,按照上述方法构造的不透明度传输函数OTF3如图6所示。
步骤3、从颜色传输函数CTF1和CTF2中任取一个作为新的颜色传输函数CTF3。
本实施例选取CTF1作为新的颜色传输函数CTF3。由于本实施例输入的CTF1和CTF2是一致的(参见图2和图4),因此CTF3跟CTF1和CTF2都相同,不存在颜色混淆的问题。
步骤4、根据前面确定的CTF3和OTF3,采用光线投射法,对体数据V进行体绘制得到体绘制结果图像Im3,输出Im3。
输出图像Im3就是原有体绘制结果图像Im1和Im2的融合结果。
本实施例在此步骤得到的结果图像Im3,如图7所示。与图3和图5对照,可以看到图7融合了图3和图5所包含的场景和内容。图3的椭球体、托盘形体和杯状形体,以及图5的环状形体,在图7中都清晰可见,彼此的空间结构和位置关系也一目了然。
如果采用传统的图像融合技术融合图3和图5所示的体绘制图像,将得到如图8所示的融合结果。与图7相比,图8虽然也包括了图3和图5所示的内容,但是场景的空间结构和位置关系不太明确。图8环状形体的正前方印上了底层托盘形体的形状,很容易使人误判为托盘形体遮挡了环状形体而混淆实际的空间位置关系。这种空间结构的混淆将严重影响可视化分析效果。
上述步骤说明了本发明所述的一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法的全部过程。
应该理解的是,本实施方式只是本发明实施的具体实例,不应该是本发明保护范围的限制。在不脱离本发明的精神与范围的情况下,对上述内容进行等效的修改或变更均应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (1)
1.一种基于不透明度传输函数的体绘制融合方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、输入体数据以及两个不同的体绘制结果,其中体绘制结果是针对输入的体数据按照光线投射法建立的,除了图像外,还包括产生该图像的颜色传输函数和不透明度传输函数;
令输入的体数据为V,两个不同的体绘制结果图像分别为Im1和Im2;同时令产生Im1的颜色传输函数为CTF1、不透明度传输函数为OTF1,产生Im2的颜色传输函数为CTF2、不透明度传输函数为OTF2;
步骤二、根据不透明度传输函数OTF1和OTF2构造一个新的不透明度传输函数OTF3;
具体构造方法如下:
(1)对输入的不透明度函数在其定义域上依次等间隔采样N个点,将不透明度函数表示为N个点的采样序列,其中N的值根据实际精度需要而定,N值越大精度越高;
(2)令输入的不透明度传输函数OTF1的采样序列为a1,a2,a3,…,aN;OTF2的采样序列为b1,b2,b3,…,bN;在此基础上定义
(3)假设待构造的不透明度传输函数OTF3的采样序列为c1,c2,c3,…,cN,并由此定义
(4)令HC(0)=1.0,并按照下面的迭代公式依次计算OTF3的采样序列值c1,c2,c3,…,cN,即:
其中是根据实际需要事先确定的加权融合因子,取值范围在0到1之间;
(5)根据采样序列值c1,c2,c3,…,cN建立分段线性函数,将其作为新的不透明度传输函数OTF3;
步骤三、从颜色传输函数CTF1和CTF2中任取一个作为新的颜色传输函数CTF3
颜色传输函数用来区分不同的体数据值;步骤一中输入的CTF1和CTF2都是作用于体数据V的颜色传输函数,为了避免不必要的颜色混淆,通常会将CTF1和CTF2设置成一致的,此时从CTF1和CTF2中任取一个作为新的颜色传输函数是合理可行的;如果CTF1和CTF2不一致,从中任取一个作为新的颜色传输函数CTF3也是可行的,不会影响后续处理;
步骤四、根据前面确定的CTF3和OTF3,按照光线投射法,对体数据V进行体绘制得到体绘制结果图像Im3,输出Im3;
输出图像Im3就是原有体绘制结果图像Im1和Im2的融合结果。
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