可视化绘制技术的优化方案

可视化绘制技术，即图像处理技术，为空间数据的三维重构提供底层支持，按照绘制方法的不同，可分为两类：一类是基于面的绘制方法；另一类是基于体数据的绘制方法。

表面绘制技术是表示三维物体形状最基本的方法，它可以提供三维物体形状的全面信息，按其具体形式可分为边界轮廓线表示和表面曲面表示两种。

1975年，Keppel[6]最早提出表面重建方法，采用基于轮廓线的描述方式，即在断层图像中，通过手工或自动方式实现目标轮廓的确定性分割，然后用各层的轮廓线“堆砌”在一起，表示感兴趣物体的边界。这种轮廓线表示方法简单，数据量小。

1977年，Fuchs[7]的方法是基于多边形技术，主要用平面轮廓的三角形算法，根据在不同切片图像上抽取出的一组轮廓线，用三角片拟合过这组轮廓线的曲面。这种方法属于面向曲面的方法，它通过构造实体表面的结合形状来重构实体。

1983年，Xu[8]提出由CT断层图像序列进行物体的三维表面重构问题，他对物体的插值表面增加了一个附加约束，即插值表面在每一轮廓点上的曲率之和为最小值。

1985年，Boissonnat[9]提出了另一种基于表面轮廓的Delaunay三角形方法，解决了系列表面轮廓的三维连通性问题。用三角形或多边形的小平面（或曲面）在相邻的边界轮廓线间填充形成物体的表面，但是这种方法所得出的只是分片光滑的表面。

1987年，Lorensen[10]提出了“Marching Cube”算法，这是一种基于体素的表面重建方法，属于等值面技术。1989年Lin[11]采用从轮廓出发的B样条插值重建算法，得到了整体光滑的表面。这两种方法属于面向曲面的绘制方法。

1999年，赵海峰等[12]通过对八元树结构和系列断层图像的空间布局的分析，提出了一种通过断层系列图像直接建立八元树的快速算法。(www.xing528.com)

基于表面的绘制方法主要优点是可以采用比较成熟的计算机图形学方法进行显示，计算量小，速度快，可借助专用硬件支持实现实时显示。

体绘制技术[3]是在吸收图像处理、计算机视觉和计算机图形学等学科基础上发展起来的，其基本原理是将数据映射为某种云状物质的属性，如颜色、不透明度等，然后通过光线与这些物质的相互作用描述所产生的图像。

（1）与传统计算机图形学的区别。从表现方式上来说，传统计算机图形学以面和边等基元来描述物体，不含有任何内部信息，而体绘制技术则是以三维基元（体素）来描述整个物体，它包含物体内外的全部信息[13]；从表现内容上来说，其差异主要体现在表示对象的模型不同，体绘制主要是对有限个离散采样点进行表达，而传统计算机图形学则是对连续几何模型的描述，由此导致它们对物体模型的处理、操作、变换、分析和实现方法的截然不同。

（2）体数据的来源与组织。其来源主要包括测量（如医学的计算机断层扫描、磁共振成像）、计算（如计算流体力学、有限元分析）和几何实体的体素化等三类数据[14]。这些数据均可看作映射在三维空间网格上的体素集合，这个三维空间网格的结构决定着体素的基本形状和各体素之间的空间关系，从而决定着体数据的组织形式。网格的结构主要包括笛卡儿网格、规整网格、直线网格、曲线网格、块结构网格、非结构网格、散乱数据等几种[15]。

（3）体绘制方法。主要包括以光线投射法为代表的像序体绘制法、以足迹法（Footprint或Splatting）为代表物序体绘制方法和以剪切-曲变法（Shear-Warp）为代表的适用于多观察角度情况混合体绘制方法三类[16]。光线投射法的基本原理是根据视觉成像原理，将每个体素都看成为能够透射、发射和反射光线的粒子，然后根据光照模型或明暗模型，依据体素的介质特性得到它们的颜色（灰度图像为亮度）和不透明度，并沿着视线观察方向积分，最后在像平面上形成具有半透明效果的图像[17-19]，依投影顺序的不同，投影法分为从前至后算法与从后至前算法[20]；足迹法首先由Westover提出，其原理是将体数据表示为一个由交叠的基本函数构成矩阵，基本函数通常选择由体素值表示的高斯函数核，然后根据一个预先计算的、存储着沿视线方向对函数核积分的足迹查询表，把这些基本函数投射到像平面以生成图像[21]；剪切—曲变法被认为是目前速度最快的体绘制算法之一，其绘制过程为通过剪切出适当的编码体素使射线正交于所有的体素层，利用双线性插值在遍历的体素层内得到它们的采样值，再通过曲变函数将平行于基准平面的图像转换为屏幕图像[22]。

（4）光照模型。包括光源与物质的光学性质两部分[23]，其中光源模型包括光源类型（环境光、辐射光、漫射光、镜面光等）、强度、位置和颜色等；物质的光学性质包括由物质材质所决定的反射率、折射率、不透明度和漫射等属性。这两者相互结合、作用共同实现整个光照模型。

目前，国内有许多学者对于体绘制方法进行了深入的研究和对比，并在医学、图形学、地学和气象学等方面也做了大量的实际工作[24-33]。