基于VTK的三维医学图像可视化处理系统挑战杯论文(43页).doc
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1、-基于VTK的三维医学图像可视化处理系统挑战杯论文-第 39 页基于VTK的三维医学图像可视化处理系统Based on VTK 3d medical image visual processing system毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名
2、: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已
3、在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价:一、撰写(设计)过程1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业
4、知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格
5、 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)指导教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价:一、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及
6、格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)评阅教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日教研室(或答辩小组)及教学系意见教研室(或答辩小组)评价:一、答辩过程1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解
7、决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)教研室主任(或答辩小组组长): (签名)年 月 日教学系意见:系主任: (签名)年 月 日目 录目录2摘要3ABSTRACT4第一章 引言5第二章 背景6第三章 设计特点8第四章 总体设计9第五章 结论34第六章 附录35第七章 参考文献50摘 要医学图像三维可视化系统有助于医生对病情的诊断,在医学影像研究方面具有重大的意义。 在医学图像三维可视化系统的开发
8、中,主要运用了VTK工具包完成可视化的具体操作,对结果进行分析。使用Marching Cube的算法和光线跟踪算法对体数据进行体绘制和面绘制显示,通过文件模块、查看模块、图形变换模块、颜色处理模块、体数据调节显示模块来实现整个系统的功能。基于VTK的面绘制及体绘制技术,将绘制出来的物体需要显示到屏幕上,在基本绘制完成后,需要将绘制过程中的参数以可视的方式送到当前的现实屏幕上,用户可以通过调整这些参数调整当前物体的绘制方式及最终绘制结果,以较好的呈现出三维图像信息。关键词:三维可视化 VTK Marching Cube 光线跟踪算法 AbstractMedical image 3d visual
9、ization system help doctors to diagnose disease,In medical imaging studies, is of great significance。In medical image 3d visualization system development,mainly utilized VTK toolkit complete visual specific operation, the analysis of the results。Use Marching Cube algorithm and light tracking algorit
10、hm of body data and rendering shows, volume rendering,Through the file module, check module, graphics transform module, color processing module, body data adjusts the display module to realize the function of the whole system。Based on VTK face paint and volume rendering technology, will be mapped ou
11、t objects need displayed on the screen,The user can adjust the parameters adjustment by the current object and final rendering drawing mode, with better result shows 3d image information.Keywords:3d visualization VTK Marching Cube light tracking algorithm 第一章 引言当医学影像图问世的时候,为医学界带来了一次革命性飞跃,它为诊断病情提供了方便
12、,但这种二维的图像有着一定的弊端,不能全面展现出图像的效果,对医疗的诊断有影响。本系统是为医学影像图提供三维影像图,便于医疗诊断和医学科研。第二章 背景随着计算机技术的进步和计算机硬件的发展,人们可以从事越来越多的研究、分析和模拟工作。由于从实际环境采集来的数据是非常巨大的,例如卫星云图,每一幅图片都超过1G的存储量,如果只是通过研究人员的手工分析,那将是一件极其繁琐的事情。于是人们想到了计算机对采集到的科学数据的可视化研究工作,三维数据可视化是科学数据可视化技术的核心。国外的三维数据可视化研究最早可以追溯到1980年,目前已经取得了长足的发展,例如在面绘制技术方面的抛雪球算法和Marchin
13、g cube算法等,结合材质和光照的处理,可以逼真地再现数据场中隐含的结构信息的轮廓;在体绘制方面,光线跟踪算法是经典的算法,其他的算法绝大多数是在此基础上进行快速算法的应用研究,例如Shear-Warp 算法等。体绘制算法可以有效地再现数据场中隐含信息的细节,例如人体组织中骨骼和肌肉之间的肌腱部分,在面绘制算法中是很难表现出来的,体绘制可以完美地再现三者之间的关系。三维数据可视化应用已经渗入到社会生活的各个方面,例如:股票分析、经济数据分析、气象分析、军事模拟分析、医学人体数据显示及分析和科学研究等等。三维数据可视化技术是集多种科学技术一体的交叉边缘学科。国内在三维数据可视化研究方面主要是应
14、用方向的研究,中国科学院北京自动化研究所的田捷教授在这个方面的研究工作在国内处于领先的地位,目前正在逐渐地推出综合处理的三维数据可视化处理平台,该平台就是基于VC环境,对面绘制技术和体绘制技术进行了很好的集成。1895年,伦琴射线的发现对医学影响技术有着重要的作用,利用仪器设备获得人体有关部位的断层影像,这种方法对医生诊断病情带来了革命性的飞跃。医生可以通过CT、螺旋CT、核磁共振等技术的得到医学影像照片对病人的病情进行分析病因。然而这些医学影像都是二维的,对医生分析病人的病情有一定的要求,不能充分的分析病因和查找病灶。医学图象三维可视化具有极大的医学研究和对临床诊疗作用,它作为有效的辅助工具
15、,可以弥补在二维医疗影像上的不足,能够为医生提供更加真实的三维医学影像,有利于医生能够直观、准确、多角度的分析与观察病灶,从而也提高了医生诊断病情准确率,提高了治疗效果。因此医学图象三维可视化是现代医学影象研究的具有重要意义,为医学的研究也提供了重要手段。第三章 设计特点本系统采用VTK结合VC环境的程序设计思想,针对医学图像进行三维体数据的处理和快速绘制的算法及应用研究。系统中采用的Marching Cube面绘制算法是目前最先进行的面绘制技术中的面片提取算法;体绘制中的光线跟踪算法也是目前非常成熟的体绘制技术之一。VTK工具包提供了完整的数据通道、绘制通道、材质和光照通道和相机通道。通过V
16、TK提供的模型可以方便的建立绘制界面并实现体数据的绘制。但是VTK的一体化也严重地限制了实际应用中的灵活性。本作品灵活地结合VTK的开放源码和VC开发环境。通过底层导出技术实现本作品中的应用算法的独立导出。实现了DICOM文件处理、Marching Cube算法、Ray-Casting算法等关键算法和技术的独立导出。结合VC的底层处理能力和OpenGL的开发接口实现了灵活的体数据处理和绘制,有效地提高了数据绘制清晰程度和绘制速度。本系统中针对体绘制算法较慢的缺点,独立导出了Shear_Warp算法结合RLE压缩编码,实现了对体数据无损的快速绘制。由于避免了VTK中黑箱式的流程处理过程,本系统可
17、以在体数据的最高分辨率上完成体数据的绘制,同时有效地提高了绘制的速度。第四章 总体设计1.基本思路系统将实现对医学影像图的显示和三维体数据的绘制。结合VTK(Visualization ToolKit)工具提供的算法模块和基本的三维数据处理思想,运用VC环境编写程序,实现医学图像的读取并进行多种图像处理;综合运用OpenGL技术和Marching Cube算法实现对体数据的面绘制处理;采用光线跟踪算法对体数据进行体绘制显示。运用ShearWarp技术,加速体绘制的绘制速度;利用MFC开发平台实现界面的设计和系统的框架。系统的处理流程如下:1. 数据的输入:输入的数据包括由课题组自己构建的三维体
18、数据,扩展名为.vol的文件,文件的格式另外商议决定;另外的输入数据来自于实际的工程,目前流行的大部分来自于医学图像的CT或者MRI的断层扫描图像,因此需要对序列的、多幅连续图像进行基本的显示和预处理。1.2 数据的输出的处理:包括几个部分:a、图像输入数据的格式转换输出,例如 Jpg图像转存为Bmp图像;序列输入图像转存为三维数据格式.vol输出;三维数据.vol转存为单幅的图像数据输出等。B、三维绘制后的图像的保存处理:包括当前参数的单幅图像的保存;在一定条件下的连续的多幅图像的保存处理。C、其他的一些未预见的输出处理等。1.3 外部数据导入到软件系统内部后的处理:包括数据的构造,即把序列
19、图像按照原始的物理顺序重新排序并存入到专门的三维数据的数据存储结构内存中。数据的预处理:包括提取当前图片的直方图或者提取三维数据场的直方图;确定数据场内有效数据的种类,并能够根据数据的取值范围(图像0-255)准确地划分不同的物体的取值区间,根据这个条件为不同的物体划分不同的不透明度。1.4 三维体数据的绘制处理:在前面的预处理基础上,开始根据用户的不同的功能选择:面绘制、体绘制,来绘制体数据中在预处理中已经确定的需要绘制的物体。1.5 三维绘制的交互操作:绘制出来的物体需要显示到屏幕上,在基本绘制完成后,需要将绘制过程中的参数以可视的方式送到当前的现实屏幕上,用户可以通过调整这些参数调整当前
20、物体的绘制方式及最终绘制结果:例如:可以调整三维数据场的有效灰度值得范围,由此确定绘制新的物体;调整显示的彩色属性选项,由此决定绘制出来的物体是否需要彩色显示;面绘制中的灯光显示和材质处理;当前绘制物体的绘制角度的调整,由此可以观察不同空间角上观察到的物体的情况等等。2.关于VTK工具包与算法2.1 VTK工具包视觉化工具函式库(VTK,Visualization Toolkit)是一个跨平台、支援平行处理(VTK曾用于处理大小近乎1个Petabyte的资料,其平台为美国Los Alamos国家实验室所有的具1024个处理器之大型系统)的图形应用函式库。全世界的数以千计的研究人员和开发人员用它
21、来进行3D计算机图形,图像处理,可视化。VTK包含一个c+类库,包括Tcl/Tk,Java,Python。 Visualization Toolkit 是一个用于可视化应用程序构造与运行的支撑环境,它是在三维函数库OpenGL 的基础上采用面向对象的设计方法发展起来的。 Visualization Toolkit 是给从事可视化应用程序开发工作的研究人员提供直接的技术支持的一个强大的可视化开发工具,它以用户使用的方便性和灵活性为主要原则,具有如下的特点: 2.1.1 具有强大的三维图形功能。Visualization Toolkit 既支持基于体素Voxel-basedrendering 的体
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