低維傳遞函數(shù)空間中屬性相似結構的分離方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種體可視化領域的技術，尤其涉及一種低維傳遞函數(shù)空間中屬性相 似邊緣的分離方法。
【背景技術】
[0002] 體可視化作為一項重要的三維數(shù)據可視化技術，能夠探索三維數(shù)據中不同結構的 形狀，大小和空間位置關系。為了正確的可視化三維數(shù)據中的不同結構，一個合適的傳遞函 數(shù)是必須的；傳遞函數(shù)用來對不同的結構分配不同的顏色和透明度，透明度決定了哪些結 構是可見的，而顏色用來區(qū)分不同的結構。
[0003] 傳遞函數(shù)設計目前被廣泛地研宄和應用，尤其在醫(yī)學三維可視化中。但是仍然面 臨著一個挑戰(zhàn)，就是如何設計一個合適的傳遞函數(shù)為實際的三維數(shù)據。因為在實際三維數(shù) 據中不同的結構可能具有相似的屬性，或者這些結構在三維空間上是緊密相鄰的，容易發(fā) 生誤連接，這些原因都導致了設計傳遞函數(shù)的難度和復雜度。目前大多數(shù)傳遞函數(shù)設計都 是通過在傳遞函數(shù)空間選擇不同的屬性區(qū)域來分離不同的結構。每個傳遞函數(shù)空間都是有 特定的屬性組成，比如：灰度、梯度、二階導數(shù)、紋理、曲率，大小等。根據傳遞函數(shù)空間維數(shù) 的不同，傳遞函數(shù)可以分為低維傳遞函數(shù)和高維傳遞函數(shù)。
[0004] 低維傳遞函數(shù)通過利用很少的屬性來達到分類的目的，流行的低維傳遞函數(shù)主要 包括一維傳遞函數(shù)和二維傳遞函數(shù)。一維傳遞函數(shù)是基于一個特定的屬性，主要通過灰度 來分類三維數(shù)據結構。二維傳遞函數(shù)是基于兩個屬性，比如：灰度梯度二維傳遞函數(shù)，邊緣 變化更小更大二維傳遞函數(shù)和局部區(qū)域的均值方差二維傳遞函數(shù)等。它們都是通過選擇傳 遞函數(shù)空間中特定的區(qū)域來分離不同的邊緣。低維傳遞函數(shù)的優(yōu)點是能夠提供交互友好的 界面，讓用戶直觀的選擇和調整特征空間，因此被廣泛應用在體繪制中。但是低維傳遞函數(shù) 面臨著邊緣重疊問題：具有相同屬性的不同結構在傳遞函數(shù)空間中具有相同的區(qū)域。與此 同時，由于PVE(Partial Volume Effects，半體效應）區(qū)域數(shù)據值是由其它相鄰數(shù)據值和本 身數(shù)據值混合而成，緊密相鄰的屬性相似的不同邊緣通常會發(fā)生誤連接，這使得邊緣重疊 問題更為復雜。這是低維傳遞函數(shù)設計所面臨的最大技術問題。高維傳遞函數(shù)對每個體素 都分配了更多的屬性，通常能夠分離的更好比較低維傳遞函數(shù)。比如：改進的樹狀圖方法、 智能系統(tǒng)方法，機器學習方法等。但是高維傳遞函數(shù)設計也面臨著很嚴重的復雜性：第一， 很難確定需要哪些屬性來設計一個傳遞函數(shù)；第二，高維傳遞函數(shù)時間開銷非常巨大，限制 了它的實際推廣應用；第三，高維傳遞函數(shù)作為一個黑盒操作，通常不能根據實際需要靈活 操作傳遞函數(shù)；第四，高維傳遞函數(shù)面對屬性相似邊緣誤連接的情況具有有限的分離能力。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明提出一種低維傳遞函數(shù)空間中屬性相似結 構的分離方法，通過在低維傳遞函數(shù)空間選擇感興趣區(qū)域，并在三維數(shù)據中對符合區(qū)域屬 性的數(shù)據點進行空間連通性計算，分離出不同的連通集邊緣。結合集合運算對誤連接邊緣 進行分離。最后對分離出來的邊緣賦予不同的顏色和透明度進行顯示。本發(fā)明適用于復雜 的實際三維數(shù)據中邊緣的可視化，尤其是醫(yī)學三維數(shù)據中不同解剖結構邊緣的可視化。
[0006] 本發(fā)明提供一種低維傳遞函數(shù)空間中屬性相似結構的分離方法，用以解決低維傳 遞函數(shù)設計中遇到的邊緣重疊問題和高維傳遞函數(shù)設計中遇到的復雜性。
[0007] 本發(fā)明具體包括以下步驟：
[0008] 步驟一，輸入三維圖像，構建梯度灰度二維傳遞函數(shù)空間（SG-TF)，在SG-TF空間 中選擇矩形區(qū)域U，U代表了所選定的灰度和梯度范圍，矩形U左右邊界代表灰度范圍Vs = [Va，Vb]，上下邊界代表梯度范圍Ve= [V。，Vd]，同時將滿足U屬性范圍的數(shù)據集Φ"組成了 符合所選屬性范圍的結構邊緣，φ" = {(.y): E A, E 其中：f(x， y，z)代表灰度，IlVZ(Xy^)Il代表梯度。
[0009] 步驟二，對所有φ"中的數(shù)據點進行空間連通性計算，抽取出所有的連通集c k，雖 然每個連通集都代表一個結構邊緣Si,但由于PVE區(qū)域的存在，空間上緊密相鄰的兩個邊緣 會發(fā)生誤連接，即連通集為兩個存在誤連接的結構邊緣的并集。
[0010] 所述的空間連通性計算是指：連通性表示在三維規(guī)則數(shù)據網格中，數(shù)據點是否相 鄰挨著，相鄰挨著就說明是連通的。遍歷所有Φ"中的數(shù)據點，根據鄰域范圍確定哪些數(shù)據 點是空間上相鄰的，抽取出所有的空間上相鄰的連通集。
[0011] 步驟三，通過腐蝕操作分離兩個包含PVE區(qū)域的誤連接邊緣，通過膨脹操作和相 減操作得到一側不含有PVE區(qū)域的結構邊緣；然后在另一側重復膨脹操作和相減操作即可 得到另一側不含有PVE區(qū)域的結構邊緣。
[0012] 所述的腐蝕操作是指：通過控制矩形區(qū)域邊緣，去除PVE區(qū)域的數(shù)據點，達到分離 誤連接邊緣的目的，分離形成兩個腐蝕的結構邊緣。
[0013] 所述的膨脹操作是指：對腐蝕后的腐蝕結構邊緣進行鄰域擴張得到膨脹邊緣，以 達到包含PVE區(qū)域數(shù)據點的目的。
[0014] 所述的相減操作是指：因為PVE區(qū)域包含于膨脹邊緣中，因此從兩個誤連接邊緣 中減去其中一個膨脹邊緣，然后進行連通性計算以去除碎片并獲得其中的最大的連通集， 即其中一個的不含PVE區(qū)域的結構邊緣。
[0015] 步驟四，重復上述步驟三，直到Φ"中包含的所有邊緣SjP被分離，最后對不同邊 緣S i賦予不同的顏色和透明度，實現(xiàn)圖像的結構邊緣的可視化。
[0016] 本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括：邊緣采集模塊、空間連通性計算模 塊、集合運算模塊，其中：邊緣采集模塊與空間連通性計算模塊相連傳輸邊緣點，空間連通 性計算模塊與集合運算模塊相連傳輸邊緣對應的連通集；所述的集合運算模塊包括腐蝕處 理模塊，膨脹處理模塊和相減處理模塊，其中：腐蝕處理模塊與膨脹處理模塊相連傳輸腐蝕 邊緣點，膨脹處理模塊與相減處理模塊相連傳輸膨脹邊緣點。 技術效果
[0017] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明解決了低維傳遞函數(shù)設計中邊緣重疊問題，及解決了低 維傳遞函數(shù)空間中屬性相似邊緣的區(qū)域重疊問題，同時避免了高維傳遞函數(shù)設計的復雜 性。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明方法中空間連通性計算方法流程圖。
[0020] 圖3為本發(fā)明系統(tǒng)結構示意圖。
[0021] 圖4為本發(fā)明實施例邊緣分離結果示意圖1，圖中：(a)為原始圖；(b)為本發(fā)明處 理示意圖；（c)為現(xiàn)有技術對比圖。
[0022] 圖5為本發(fā)明實施例邊緣分離結果示意圖2,圖中：(a)為原始圖；(b)為本發(fā)明處 理示意圖；（c)為現(xiàn)有技術對比圖。
[0023] 圖6為本發(fā)明實施例邊緣分離結果示意圖3,圖中：(a)為原始圖；(b)為本發(fā)明處 理示意圖；（c)為現(xiàn)有技術對比圖。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明提供的低維傳遞函數(shù)空間中屬性相似結構的分離方法適用于多種領域，例 如醫(yī)學三維圖像可視化，工業(yè)三維圖像可視化等，以下實施例以醫(yī)學圖像為例進行詳細說 明，但不僅限于醫(yī)學圖像。 實施例1
[0025] 如圖1所示，本實施例包括以下步驟：
[0026] 步驟一、首先在SG-TF空間選擇矩形區(qū)域U，這個矩形區(qū)域U限定了所要采集的數(shù) 據點范圍，矩形左右邊緣代表了灰度范圍區(qū)間V s= [Va，Vb]，上下邊緣代表了梯度范圍區(qū)間 Ve= [V。，vd]，只有數(shù)據點的灰度梯度滿足這個矩形范圍才被采集和顯示出來，這里采集數(shù) 據點集合為Φυ。
【主權項】
1. 一種低維傳遞函數(shù)空間中屬性相似結構的分離方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，在梯度灰度二維傳遞函數(shù)空間中選擇矩形區(qū)域U，同時將滿足U屬性范圍的數(shù) 據集組成了符合所選屬性范圍的結構邊緣； 步驟二，對數(shù)據集中的數(shù)據點進行空間連通性計算，抽取出其中所有的連通集； 步驟三，通過腐蝕操作分離兩個包含PVE區(qū)域的誤連接邊緣，通過膨脹操作和相減操 作得到連通集一側不含有PVE區(qū)域的結構邊緣；然后在連通集另一側重復膨脹操作和相減 操作即可得到另一側不含有PVE區(qū)域的結構邊緣； 步驟四，重復上述步驟三，直到數(shù)據集中包含的所有的結構邊緣都被分離，最后對不同 的結構邊緣賦予不同的顏色和透明度，實現(xiàn)圖像的結構邊緣的可視化。
2. 根據權利要求1所述的分離方法，其特征是，所述的結構邊緣為 Φυ = {〇,y,z): (/0,y,Z) e Fs, IlVfO,y,z)||ei/G)}，其中：f(x，y，z)代表灰度，IlVf(Xjz)II代 表梯度，所選定的矩形區(qū)域U的左右邊界代表灰度范圍V s= [V a，Vb]，上下邊界代表梯度范 圍 Vg= [V c，VJ。
3. 根據權利要求1所述的分離方法，其特征是，所述的空間連通性計算是指：連通性表 示在三維規(guī)則數(shù)據網格中，數(shù)據點是否相鄰挨著，相鄰挨著就說明是連通的，遍歷數(shù)據集中 所有的數(shù)據點，根據鄰域范圍確定哪些數(shù)據點是空間上相鄰的，抽取出所有的空間上相鄰 的連通集。
4. 根據權利要求1所述的分離方法，其特征是，所述的腐蝕操作是指：通過控制矩形 區(qū)域邊緣，去除PVE區(qū)域的數(shù)據點，達到分離誤連接邊緣的目的，分離形成兩個腐蝕結構邊 緣。
5. 根據權利要求1所述的分離方法，其特征是，所述的膨脹操作是指：對腐蝕結構邊緣 進行鄰域擴張得到膨脹邊緣，以達到包含PVE區(qū)域數(shù)據點的目的。
6. 根據權利要求1所述的分離方法，其特征是，因為PVE區(qū)域包含于膨脹邊緣中，因此 從兩個誤連接邊緣中減去其中一個膨脹邊緣，然后進行連通性計算以去除碎片并獲得其中 的最大的連通集，即其中一個的不含PVE區(qū)域的結構邊緣。
7. -種實現(xiàn)上述任一權利要求所述方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括：邊緣采集模塊、空 間連通性計算模塊和集合運算模塊，其中：邊緣采集模塊與空間連通性計算模塊相連傳輸 邊緣點，空間連通性計算模塊與集合運算模塊相連傳輸邊緣對應的連通集； 所述的集合運算模塊包括腐蝕處理模塊，膨脹處理模塊和相減處理模塊，其中：腐蝕處 理模塊與膨脹處理模塊相連傳輸腐蝕邊緣點，膨脹處理模塊與相減處理模塊相連傳輸膨脹 邊緣點。
【專利摘要】一種體可視化技術領域的低維傳遞函數(shù)空間中屬性相似結構的分離方法，通過在低維傳遞函數(shù)空間選擇感興趣區(qū)域，根據空間連通性對屬性相似邊緣進行預分離，并結合集合運算對誤連接邊緣進行分離；該方法克服了低維傳遞函數(shù)設計中邊緣重疊問題，及解決了低維傳遞函數(shù)空間中屬性相似邊緣的區(qū)域重疊問題，同時避免了高維傳遞函數(shù)設計的復雜性。本發(fā)明適用于復雜的實際三維數(shù)據中邊緣的可視化，尤其是醫(yī)學三維數(shù)據中不同解剖結構邊緣的可視化。
【IPC分類】G06T17-00
【公開號】CN104766364
【申請?zhí)枴緾N201510075037
【發(fā)明人】蘭守忍, 王利生
【申請人】上海交通大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年2月12日