基于CT数据的三维重构

基于CT数据的三维重构摘要医学CT数据的可视化在临床上已经成为辅助诊断与治疗的重要手段之一，可视化是由一系列CT扫描后的二维图象数据重构出三维模型的技术手段，最后在计算机上显示出来。医生能够通过观察三维图像来获取患者病变的组织信息，这极大方便了医生的诊断，提高了医学诊断结果的正确性和治疗的质量。因此，可视化技术也成为近年来研究和应用的热点方向。在此基础上，提出采用VTK库进行医学数据的可视化。论文中重点研究了表面绘制和体绘制两种绘制方法。表面绘制采用移动立方体算法（MarchingCubes）实现，体绘制则用光线投射算法（Ray-casting）实现，并且通过比较两种算法的结果讨论了他们的特点。从重构模型中可以看出，VTK作为一种流行的图像处理和三维可视化工具，其功能是非常强大的。关键词：CT；三维重构；体绘制3DReconstructionbasedonCTDataABSTRACTVisualizationformedicalCTdatahasbeenoneoftheimportantmethodstoaideddiagnosis,andtreatintheclinical．Thistechnicalcanreconstructthe3Dmodelsfromaseriesof2Dimages,thenthedataisbeingdisplayedbythecomputer.Thisgreatlyconvenientdiagnosisofthedoctor's.Andimprovedtheaccuracyofmedicaldiagnosistreatandthetreatmentquality．So,visualizationtechnologytobecomethehotspotofapplicationandresearchinrecentyears．OnthisbasisitisproposedthatVTKlibraryisusedforvisualizationformedicaldata．Twotypesofrenderingmethod,surfacerenderingandvolumerenderingarestudiedinthepaper．Themarchingcubesalgorithmisusedforsurfacerendering,bothray-castingmethodsareusedforvolumerendering．Inadditional,bycomparingtwoalgorithmsandtheresultsobtainedtheircharacteristics．Thereconstructedresultsshowedthatasavisualizationtools，VTKhaspowerfulfunctionanditisveryeasytobeusedformedicalimagesprocessing．Keywords:CT;3Dreconstruction;Mompositedvolumerendering目录1绪论......................................................51.1课题的研究背景...........................................51.2国内外研究现况...........................................51.3论文的结构...............................................62可视化工具VTK............................................72.1VTK的特点...............................................72.2VTK的安装...............................................82.2.1工具包的安装...........................................82.2.2Cmake的配置...........................................82.3VTK的结构和运行机制....................................102.3.1VTK的结构............................................102.3.2VTK的运行机制........................................122.3.3利用VTK对数据进行可视化..............................122.4小结....................................................133CT图像的三维重构........................................143.1CT图像的获取与预处理...................................143.2三维重构流程............................................153.3三维重构的主要方法......................................163.3.1面绘制法..............................................163.3.2体绘制方法............................................193.4两种重构法的对比........................................233.5小结....................................................184展望与总结................................................19参考文献...................................................26致谢......................................错误!未定义书签。1绪论1.1课题的研究背景计算机断层投影技术（CT）是通过采集三维空间中某一个断层上的图像，利用一组断层图像以一定的间距叠放在一起就可以还原物体的三维信息。计算机断层投影技术的应用带给了医学诊断革命性的变革，为医生提供了丰富的病人组织器官信息，帮助医生更加快速准确的判断患者的病变组织。可是，医务人员所观察到的仍是二维图像，所得到的诊断结果仍然带有医生的主观判断，结论的准确性得不到保证，很大程度上取决于临床经验。近年来，面向医学的三维可视化技术得到了快速发展。通过三维重构医生可以对图像进行旋转、移动、剖面显示，使医生更为直观的了解人体内部复杂的结构。所以它能够提供具有真实感的医学图像，便于医生从多角度、多层次进行观察和分析，该技术在辅助诊断、手术仿真、引导治疗方面都发挥着极为重要的作用。1.2国内外研究现况三维医学图像重构综合了计算机图像处理与分析、计算机图形学、生物医学工程技术。近十多年来，在美国、德国、日本的著名高校中三维重构研究工作十分广泛。（1）可视化人体工程1988年到1994年间，美国国家医学图书馆开展了一项名为“可视化人体”的工程。其目的是建立一个应用于临床医学和生物医学研究的数据库，它的数据采集与躯体断面的数字化照片图像、计算机断层图像和磁共振图像，都通过少量付费获得使用。这极大方便了教学和科学研究。VHP数据集的出现，标志计算机三维重构图像和虚拟现实技术进入了医学领域，从而大大促进了医学领域的发展。（2）狗心脏CT数据显示美国国家超级计算机应用中心（NCSA），它利用远程计算机并行资源，用体绘制技术实现CT扫描三维数据场动态显示。其具体内容是显示一个狗的心脏跳动周期的动态图像。（3）三维重构系统的发展目前在国外有很多比较成熟的三维医学图像重建系统，其中包括美国宾州大学开发的3DVIEWNIX系统和德国汉堡大学开发的Voxel-Man系统等，但都是运行在UNIX环境下。以色列埃尔新特公司，美国通用电器公司生产的螺旋CT扫描设备，均附有基于图形工作站的医学图像可视化系统，但它需要计算速度高，存储容量很大的计算机系统，很多系统还必须配有专用的硬件加速工具[1]。在国内，清华大学，浙江大学，西北大学，中科院自动化所均作了大量研究工作，开发了一些实验系统。从断层扫描数字图像精确重建人体解剖组织涉及到一系列图像采集和处理的科学和技术问题，如图像的分割、分类、配准、重建和显示等都是当前医学图像研究的重点。1.3论文的结构论文共分为四部分展开研究讨论。第一部分为绪论，主要提到了题研究的背景与在医学中的应用，以及三维重构技术在国内外的发展情况。第二部分主要介绍了可视化工具VTK。从VTK的重构原理、特点、安装几个方面展开。其中重点讨论了VTK的运行结构和运行机制。第三部分研究的是三维重构的方法。作为本文的重点，提到了两种重要的重构方法：即面绘制法和体绘制法，最后对比两种方法的优缺点，使得研究结果更为直观。第四部分为论文的展望与总结。总结了论文的优势与不足之处。2可视化工具VTKVTK是美国Kitware公司开发的一套C++类库，是一个开放源代码、免费使用的软件包。它最初设计的目的是作用于医疗领域，但是现在已经广泛应用于计算机图形学、图像处理和可视化等领域。VTK利用面向对象的建模技术，设计和实现开放的三维可视化工具箱，它被设计成一个工具包而不是一个系统，这使它能嵌入任何一种开发工具中。VTK包括了众多优秀的图像处理和图形生成算法，目前已经成为最流行图像应用软件开发平台。2.1VTK的特点VTK是一个面向对象的可视化类库，具有强大的可视化功能和图像处理功能。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具有强大的三维图形功能。VTK既支持体绘制，又保留了传统的面绘制，在极大的改善可视化效果的同时又可以充分利用现有的图形库和图形硬件。②VTK的体系结构使其具有非常好的流（streaming）和高速缓存（caching）的能力，在处理大量的数据时不必考虑内存资源的限制。③VTK能够更好的支持基于网络的工具，比如Java和VRML。随着Web与Internet技术的发展，VTK有着很好的发展前景。④能够支持多种着色，如OpenGL等。⑤VTK具有设备无关性，使其代码具有良好的可移植性。⑥VTK中定义了许多宏，这些宏极大的简化了编程工作并且加强了一致的对象行为。⑦VTK具有更丰富的数据类型，支持对多种数据类型进行处理。⑧既可以工作于Windows操作系统，又可以工作于Unix操作系统，极大的方便了用户的使用。2.2VTK的安装2.2.1工具包的安装VTK需要在VisualStudio2008环境下运行，所以计算机需提前安装好该软件，接下来就是下载VTK相关的工具包：cmake-2.8.2-win32-x86.exe；vtk-5.6.0-win32.exe；vtk-5.6.0.zip；vtkdata-5.6.0.zip。①双击vtk-5.6.0-win32.exe运行程序，选择安装路径为C:\vtk，安装后会产生vtk文件夹，文件夹里还包括bin子文件夹。②将vtk-5.6.0.zip解压到C:\vtk文件夹下。③双击vtkdata-5.6.0.zip运行程序，将其解压到C:\vtk\vtkdata下。④双击cmake-2.8.2-win32-x86.exe运行程序，选择安装路径为C:\CMake。⑤设置变量，使VTK数据文件和程序能够匹配。在XP系统下，控制面板-系统-高级-环境变量-新建，添加variable=VTK_DATA_ROOT，v