一種快速展示體數(shù)據(jù)特征的可視化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種快速展示體數(shù)據(jù)特征的可視化方法，包括：獲取目標(biāo)對(duì)象的體數(shù)據(jù)，在初始的線性傳輸函數(shù)特征空間中，根據(jù)光學(xué)屬性曲線的位置和顏色信息，確定所述體數(shù)據(jù)的標(biāo)量值屬性與光學(xué)屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)標(biāo)量值屬性的大小將所述體數(shù)據(jù)的體素映射為相應(yīng)的不透明度和顏色屬性；獲得屏幕各像素的顏色值，獲得體繪制結(jié)果圖像。利用本發(fā)明方法可以在光學(xué)積分過(guò)程中，動(dòng)態(tài)分析采樣點(diǎn)對(duì)繪制結(jié)果圖像的貢獻(xiàn)，自適應(yīng)計(jì)算調(diào)整參數(shù)以實(shí)現(xiàn)體數(shù)據(jù)內(nèi)部特征可視化，無(wú)需復(fù)雜而耗時(shí)的傳輸函數(shù)交互設(shè)計(jì)過(guò)程，提升了體數(shù)據(jù)可視化與分析效率。
【專利說(shuō)明】一種快速展示體數(shù)據(jù)特征的可視化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及快速展示體數(shù)據(jù)特征的可視化方法，屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及科學(xué)計(jì)算可視化【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]體數(shù)據(jù)可視化是將三維采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的二維圖像的過(guò)程，主要可以歸納為分類和繪制兩個(gè)步驟。分類是建立三維空間中的數(shù)據(jù)與視覺(jué)元素之間的映射關(guān)系，通常由傳輸函數(shù)設(shè)置完成；繪制則是沿著視線方向，將體數(shù)據(jù)的視覺(jué)屬性按照經(jīng)典的光學(xué)積分方程，投影至圖像空間的過(guò)程。然而，經(jīng)典的傳輸函數(shù)交互設(shè)計(jì)過(guò)程不夠直觀，復(fù)雜而耗時(shí)，一定程度上影響了體數(shù)據(jù)分析與可視化的效率。為了提升體數(shù)據(jù)可視化及分析效率，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者致力于直觀、便捷的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法研究，取得了豐碩的研究成果。
[0003]基于圖像的傳輸函數(shù)是直觀化光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)的有效途徑。Design Galleries是對(duì)初始的傳輸函數(shù)向量進(jìn)行啟發(fā)式擾動(dòng)，如果擾動(dòng)獲得的傳輸函數(shù)向量與初始的傳輸函數(shù)向量滿足一定的距離關(guān)系，則保留該傳輸函數(shù)向量并繼續(xù)擾動(dòng)。進(jìn)而由用戶在不同擾動(dòng)傳輸函數(shù)作用下的繪制結(jié)果圖像集合中選取能夠滿足其需求的圖像，即可實(shí)現(xiàn)光學(xué)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)（Gibson S, Beardsley P, Ruml ff, et al. Design Galleries:A General Approachto Setting Parameters for Computer Graphics and Animation[C]. In Proceedingsof SIGGRAPH. 1997:389-400. )。Wu等學(xué)者提出一種基于遺傳算法的交互式傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法（Wu Y, Qu H. Interactive Transfer Function Design Based on Editing DirectVolume Rendered Images[J]. IEEE Transactions on Visualization and ComputerGraphics, 2007, 13 (5) : 1027-1040.)，用戶可以在不同的繪制結(jié)果圖像中定義其感興趣特征，以感興趣區(qū)域相似程度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)初始的傳輸函數(shù)集利用遺傳算法不斷進(jìn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能夠滿足用戶需求的光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步直觀地定義光學(xué)參數(shù)，Ropinski等學(xué)者提出一種基于筆畫的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法（Ropinski T, Prassni J, Steinicke F，etal. Stroke-based Transfer Function Design[C]. IEEE/EG International Symposium onVolume and Point-Based Graphics. 2008:41-48.),用戶在當(dāng)前傳輸函數(shù)對(duì)應(yīng)的繪制結(jié)果圖像中交互式勾畫出感興趣特征線與背景特征線，統(tǒng)計(jì)特征線對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)直方圖，利用直方圖的差異獲得感興趣特征的標(biāo)量值范圍，進(jìn)而交互式定義感興趣特征的光學(xué)屬性，實(shí)現(xiàn)感興趣特征的有效展示。Guo等學(xué)者進(jìn)一步簡(jiǎn)化了光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，提出一種所見(jiàn)即所得（WYSIWYG)的體數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)（Guo H, Mao N, Yuan X. WYSIWYG (What You See is WhatYou Get)Volume Visualization[J]. IEEE Transactions on Visualization and ComputerGraphics, 2011，17(12) :2106-2114.)。利用圖割（Graph Cut)確定感興趣區(qū)域和背景區(qū)域，并對(duì)相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，以獲取感興趣特征的信息，進(jìn)而借鑒Photoshop中的圖像處理交互思想，用戶可以利用簡(jiǎn)單而直觀的交互手段設(shè)置體數(shù)據(jù)特征的光學(xué)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)體數(shù)據(jù)感興趣特征的可視化。
[0004]近年來(lái)，由繪制角度出發(fā)，分析特征的可見(jiàn)性，進(jìn)而優(yōu)化光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)的研究不斷成熟。Correa等學(xué)者提出一種基于可見(jiàn)性直方圖的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)方法（Correa C，MaK.Visibility Histograms and Visibility-Driven Transfer Functions[J]. IEEETransactions on Visualization and Computer Graphics, 2011, 17(2):192-204.),利用可見(jiàn)性直方圖指導(dǎo)用戶交互地定義光學(xué)參數(shù)，亦可以定義能量方程度量可見(jiàn)性直方圖的差異，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)的光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)。Wang等學(xué)者拓展可見(jiàn)性至特征可見(jiàn)性，用戶在二維傳輸函數(shù)特征空間中確定感興趣特征，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)特征可見(jiàn)性直方圖，用戶交互設(shè)置目標(biāo)特征可見(jiàn)性直方圖，定義能量方程度量特征可見(jiàn)性直方圖的差異，迭代優(yōu)化實(shí)現(xiàn)特征的光學(xué)參數(shù)自動(dòng)設(shè)計(jì)（Wang Y, Zhang J, Chen W，et al. Efficient Opacity Specificationbased on Feature Visibilities in Direct Volume Rendering[J]. Computer GraphicsForum. 2011,30(7) :2117-2126. )。Ruiz等學(xué)者提出一種基于信息差異的傳輸函數(shù)自動(dòng)設(shè)計(jì)方法（Ruiz M, Bardera A, Boada I, et al. Automatic Transfer Functions Based onInformational Divergence[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2011，17(12) :1932-1941.)，由用戶交互給定感興趣特征的可見(jiàn)性分布，利用KL距離度量當(dāng)前傳輸函數(shù)作用下體數(shù)據(jù)特征的可見(jiàn)性分布與目標(biāo)可見(jiàn)性分布的差異，進(jìn)而采用近似的求解方法最小化KL距離，迭代求解獲得滿足用戶需求的傳輸函數(shù)，并獲得能夠有效展示感興趣特征的繪制結(jié)果圖像。
[0005]亦有大量研究利用調(diào)整參數(shù)修改標(biāo)準(zhǔn)的體繪制積分方程，動(dòng)態(tài)分析視線方向上采樣點(diǎn)的可見(jiàn)性，自適應(yīng)地調(diào)整繪制過(guò)程中采樣點(diǎn)的光學(xué)參數(shù)，進(jìn)而獲得示意性的可視化結(jié)果，實(shí)現(xiàn)感興趣特征的高效展示。MIP算法是查找視線方向上具有最大標(biāo)量值的采樣點(diǎn)，并直接將最大標(biāo)量值投影至繪制結(jié)果圖像對(duì)應(yīng)的像素上（Schreiner S，Jr. Galloway R L. Afast maximum-intensity projection algorithm for generating magnetic resonanceangiograms [J]. IEEE Transactions on Medical Imaging, 1993，12 (I) : 50-57. X 為 了增強(qiáng)最大密度特征的視覺(jué)感知，Diaz等學(xué)者提出深度感知增強(qiáng)的DEMIP算法（Diaz J, VazquezP. Depth-enhanced maximum intensity projection[Z]· 2OlO:93_100.),利用兩次光線投射分別查找最大密度特征及其之前的相似特征，進(jìn)而將相似特征的深度與最大標(biāo)量值加權(quán)，并以相似特征的朝向信息計(jì)算顏色，加權(quán)獲得對(duì)應(yīng)像素的顏色值。Zhou等學(xué)者提出形狀感知增強(qiáng)的 SEMIP 算法（Zhou Z, Tao Y, Lin H, Dong F, Gordon C. Shape-enhancedMaximum Intensity Projection[J]. The Visual Computer, 2011，27(6-8):677-686.),在視線方向上查找最大密度特征的最佳法向信息，進(jìn)而引入Phong光照模型對(duì)最大密度特征做光照處理，表面的明暗變化增強(qiáng)了最大密度特征的形狀感知。Bruckner等則是結(jié)合了MIP 算法和 DVR 算法各自的優(yōu)勢(shì),提出 MIDA 算法（Bruckner S，Groller M. Instant VolumeVisualization using Maximum Intensity Difference Accumulation[J]. ComputerGraphics Forum. 2009, 28(3) :775-782.)，動(dòng)態(tài)計(jì)算采樣點(diǎn)標(biāo)量值與當(dāng)前最大標(biāo)量值的差異，自適應(yīng)地修改標(biāo)準(zhǔn)的體繪制積分方程，無(wú)需調(diào)節(jié)復(fù)雜的傳輸函數(shù)，便可以有效地展示最大密度特征及其背景特征。為了顯示視線方向上的隱藏特征，周志光等學(xué)者一種有效顯示隱藏特征的光線投射方法(周志光，陶煜波，林海.一種有效顯示隱藏特征的光線投射算法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2011，(03):517-526.)，利用低通濾波方法查找視線方向上的感興趣特征，進(jìn)而動(dòng)態(tài)更新體繪制積分方程，實(shí)現(xiàn)隱藏特征的有效展示。Liang等學(xué)者提出一種局部最大標(biāo)量差累積法（LIDA) (Liang R, Wu Y, Dong F, Gordon C. Accumulation ofLocal Maximum Intensity for Feature Enhanced Volume Rendering[J]. The VisualComputer. 2012, 28(6-8) :625-633.)，引入移動(dòng)最小二乘法(MLS)查找特征點(diǎn)，進(jìn)而更新體繪制積分方程，實(shí)現(xiàn)視線方向上局部最大標(biāo)量值特征的有效展示。為了進(jìn)一步避免復(fù)雜的傳輸函數(shù)定義過(guò)程，簡(jiǎn)化光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)，Marchesin等學(xué)者提出不透明度動(dòng)態(tài)調(diào)整法(Marchesin S，Dischler J M, Mongenet C. Per-Pixel Opacity Modulation for FeatureEnhancement in Volume Rendering[J]. IEEE Transactions on Visualization andComputer Graphics, 2010, 16(4) :560-570.)，引入相關(guān)函數(shù)度量不同采樣點(diǎn)的重要度，在保證最遠(yuǎn)相關(guān)特征可見(jiàn)性最大的前提下，推導(dǎo)體繪制積分方程，進(jìn)而獲得實(shí)現(xiàn)方向上感興趣特征的有效展示。
[0006]可以看出，修改體繪制積分方程可以快速展示體數(shù)據(jù)內(nèi)部特征，避免復(fù)雜的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，一定程度上提升了體數(shù)據(jù)可視化及分析效率。而現(xiàn)有的利用調(diào)整參數(shù)優(yōu)化積分方程的體數(shù)據(jù)可視化方法尚存一定的局限性，光線投射過(guò)程中采樣點(diǎn)的分析過(guò)程復(fù)雜而耗時(shí)，占用大量GPU的資源，妨礙了體數(shù)據(jù)可視化效率的提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種快速展示體數(shù)據(jù)特征的可視化方法，從而在體數(shù)據(jù)可視化過(guò)程中，自適應(yīng)計(jì)算調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)體數(shù)據(jù)特征可視化，避免了復(fù)雜的傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，提升體數(shù)據(jù)可視化效率。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0009]本發(fā)明快速展示體數(shù)據(jù)特征的可視化方法包括如下步驟：
[0010]步驟（1)，獲取目標(biāo)對(duì)象的體數(shù)據(jù)，在初始的線性傳輸函數(shù)特征空間中，根據(jù)光學(xué)屬性曲線的位置和顏色信息，確定所述體數(shù)據(jù)的標(biāo)量值屬性與光學(xué)屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)標(biāo)量值屬性的大小將所述體數(shù)據(jù)的體素映射為相應(yīng)的不透明度和顏色屬性；
[0011]步驟（2)，按以下方法獲得屏幕各像素的顏色值，獲得體繪制結(jié)果圖像：
[0012]由屏幕像素出發(fā)，沿視線方向?qū)λ鲶w數(shù)據(jù)的三維空間按照從前向后的順序進(jìn)行采樣，對(duì)于當(dāng)前采樣點(diǎn)i，判斷之前采樣點(diǎn)的不透明度的累加值A(chǔ)/ 是否小于閾值，如果小于閾值，則將顏色積分公式（I)和不透明度積分公式（2)中的調(diào)整參數(shù)β設(shè)置為I ;否貝U，令不透明度積分公式（2)中的之前采樣點(diǎn)的不透明度的累加值A(chǔ)/ 與當(dāng)前采樣點(diǎn)i積分合成后獲得的不透明度累加值A(chǔ)i'均為閾值η，進(jìn)而通過(guò)公式（3)計(jì)算獲得調(diào)整參數(shù)β，然后，根據(jù)計(jì)算獲得的調(diào)整參數(shù)β，利用公式（1)，由當(dāng)前樣點(diǎn)開始，對(duì)視線方向上的采樣點(diǎn)由前向后進(jìn)行光學(xué)屬性積分合成，直到積分合成至視線方向上最后一個(gè)采樣點(diǎn)，獲得屏幕像素對(duì)應(yīng)的顏色值；
[0013]Ci' = β .Ci' _!+(1-β · Ai' -JCi (I)
[0014]公式（I)中，Ci'表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i積分合成后獲得的顏色累加值，β表示調(diào)整參數(shù)，Ai, 表示之前采樣點(diǎn)的不透明度的累加值，Ci, ^表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i之前采樣點(diǎn)的顏色的累加值，Ci表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i的顏色值；
[0015]Ai' = β .Ai' _!+(1-β · Ai' ^Ai (2)
[0016]公式（2)中，Ai'表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i積分合成后獲得的不透明度累加值，β表示調(diào)整參數(shù)，Ai, !表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i之前采樣點(diǎn)不透明度的累加值，Ai表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i的不透明度；
【權(quán)利要求】
1.一種快速展示體數(shù)據(jù)特征的可視化方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟（1)，獲取目標(biāo)對(duì)象的體數(shù)據(jù)，在初始的線性傳輸函數(shù)特征空間中，根據(jù)光學(xué)屬性曲線的位置和顏色信息，確定所述體數(shù)據(jù)的標(biāo)量值屬性與光學(xué)屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)標(biāo)量值屬性的大小將所述體數(shù)據(jù)的體素映射為相應(yīng)的不透明度和顏色屬性； 步驟（2)，按以下方法獲得屏幕各像素的顏色值，獲得體繪制結(jié)果圖像： 由屏幕像素出發(fā)，沿視線方向?qū)λ鲶w數(shù)據(jù)的三維空間按照從前向后的順序進(jìn)行采樣，對(duì)于當(dāng)前采樣點(diǎn)i，判斷之前采樣點(diǎn)的不透明度的累加值A(chǔ)i' !是否小于閾值，如果小于閾值，則將顏色積分公式（I)和不透明度積分公式（2)中的調(diào)整參數(shù)β設(shè)置為I ;否則，令不透明度積分公式（2)中的之前采樣點(diǎn)的不透明度的累加值A(chǔ)/ 與當(dāng)前采樣點(diǎn)i積分合成后獲得的不透明度累加值A(chǔ)i'均為閾值η，進(jìn)而通過(guò)公式（3)計(jì)算獲得調(diào)整參數(shù)β，然后，根據(jù)計(jì)算獲得的調(diào)整參數(shù)β，利用公式（1)，由當(dāng)前樣點(diǎn)開始，對(duì)視線方向上的采樣點(diǎn)由前向后進(jìn)行光學(xué)屬性積分合成，直到積分合成至視線方向上最后一個(gè)采樣點(diǎn)，獲得屏幕像素對(duì)應(yīng)的顏色值； Ci' = β .Ci' _!+(1-β .Ai' -Jci (I) 公式（I)中，Ci'表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i積分合成后獲得的顏色累加值，β表示調(diào)整參數(shù)，Ai, 表示之前采樣點(diǎn)的不透明度的累加值，Ci, ^表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i之前采樣點(diǎn)的顏色的累加值，Ci表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i的顏色值； Ai' = β .Ai' _!+(1-β .Ai' JAi (2) 公式（2)中，Ai'表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i積分合成后獲得的不透明度累加值，β表示調(diào)整參數(shù)，Ai' !表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i之前采樣點(diǎn)不透明度的累加值，Ai表示當(dāng)前采樣點(diǎn)i的不透明度；`
【文檔編號(hào)】G06T15/08GK103778658SQ201410030663
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】周志光 申請(qǐng)人:浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)