虚拟场景中血管腔表面的拟合和显示

血管的三维重建是冠状动脉虚拟内窥镜系统的核心和基础，其精度直接决定后续定量测量和可视化的精度。为了保证系统的灵活性和适用性，三维重建时采用的血管横截面图像可以是IVUS图像，或者IV-OCT图像，或者二者融合后的图像，这取决于临床图像采集情况。如3.9节所述，基于IVUS／IV-OCT和CAG图像融合的血管三维重建包括五个主要步骤：图像采集、图像预处理、血管腔轴线和导管回撤路径的三维重建、确定各帧IVUS／IV-OCT图像的轴向位置和空间方位以及管腔内外表面的拟合。

对管腔的内外表面进行拟合与绘制，即将相邻的血管壁横截面轮廓连接起来，构成一个封闭的曲面。由于血管分支处或血管弯曲程度较大处的曲率较大，采用将IVUS／IV-OCT图像垂直映射到导管路径上的方法会出现表面相交的情况，所以可采用2.5.6节中所述的相邻横截面顶点融合的方法解决三维血管重建中相邻横截面相交的问题。

表面绘制一般可分为两大类：直接体绘制算法和基于面的绘制算法。直接体绘制算法是应用视觉原理直接将体数据投射到显示平面，通过对体数据的三维重建，把体数据作为整体直接投射到图像平面上，以得到全局图像，不需要构造中间几何图元。这类算法适合气体、流体等无固定形状的图像生成。由于在生成每幅图像时都要遍历所有数据集，所以此类算法耗费的时间较长，不利于实时交互需要。面绘制算法是基于二维图像边缘提取，由三维数据场构造出中间几何图元，通过几何单元拼接拟合物体三维结构，借助计算机图形学技术实现画面绘制。通常基于面的绘制算法比直接体绘制算法快，因为它只遍历体数据中需要提取的部分，处理时间短，所以它能快速地绘制表面，便于交互控制^［33］。

由于直接体绘制数据量特别巨大，不利于漫游过程中的实时显示，而面绘制可快速灵活地进行视点转换且成像清晰，同时考虑到在构建冠状动脉虚拟内窥镜系统时，所利用的主要特征是血管壁轮廓，只需表面数据，这样忽略大量表面下的体数据可节省运算时间，所以采用表面绘制方法进行血管腔表面的拟合更为适合。同时，前期图像分割后的血管腔轮廓已经简化成一系列离散的轮廓点，且每组轮廓点具有确定的点数，因而三角形拼接法可以有效地结合VRML中的IndexedfaceSet（索引面集）节点直接对血管表面进行三角划分。

IndexedFaceSet节点的Coord域列出构成三角面片的点列坐标，Coordinate节点的域值point中列出了各帧IVUS图像序列的血管腔轮廓点。CoordIndex域的值提供了一张构成多边形的列表，每个值规定了指向Coordinate节点的索引值。ccw域指示当从前面看时，每一个面上的顶点是逆时针还是顺时针排列。Solid域指示用户是否可以看到任何一面的背面。由于在图5-14a中构成血管腔表面的三角形是分别由向上和向下的两组三角形面片构成的，所以当ccw域的值（TRUE或FALSE）设置好后，向上的三角形和向下的三角形在构成三角面片时其顶点的排列顺序就是相反的。假设P_i和Q_i分别代表相邻两帧血管轮廓线上的点列，P_iQ_iQ_i＋1构成向上的三角形，其顶点按顺时针方向排列；Q_kP_k-1P_k构成向下的三角形，其顶点按逆时针方向排列。这样就使得向上和向下的两组三角面片都可见，从而可以观察到整个血管腔表面，否则只能显示一组（向上或者向下的）三角面片。图5-14b为两帧图像数据构成的只显示一侧三角面片的重构表面图。基于上述原因，要求CoordIndex域值列表中的索引值对向上和向下的两组三角形顶点进行不同的排列，以使两组三角形面片都能够显示出来。(www.xing528.com)

图5-14 三角面片重构示意图

a）向上和向下的两组三角形 b）一组三角形构成的锯齿形表面

对于相邻的两条轮廓线及其上的点列而言，当不同点对应时，就会形成不同的形体表面，这样的组合有很多种。在如此众多的表面组合中确定一种合适的组合，穷举法显然不可取。可采用基于局部计算和决策的启发式算法——最短对角线法^［34］，计算得到两轮廓线之间用一系列三角面片连接的近似最优解，其优点是计算量小且速度快，并可得到很好的表面拟合效果。