基于断层图象三维重建的体视化技术研究与应用
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摘要
体视化是科学可视化的一个重要组成部分，它是在吸收计算机图形学、
计算机视觉和计算机图象处理等学科有关知识的基础上发展起来的。而这三
方面的内容又是计算机应用方面非常重要的分支，因其涉及的内容较深，理
论性强，算法多，因此，它常被视为代表计算机专业应用的水平。国际上对
体视化的研究与应用如火如茶，我国在这一领域的研究工作起步较晚。本论
文在断层图象三维重构方面做了系统地阐述和探讨，主要论述了将一系列二
维CT扫描图象经过旋转、平移、滤波、插值、锐化等处理后，提取不同物体
的边界数据，形成三维体数据，实现物体三维重建，并实现对体数据进行显
示、平移、旋转、缩放、投影等功能，根据软件编程实现这些功能的基础上，
对三维体视化处理的各种算法进行总结。
断层影象三维重建的实现方法，主要围绕图象处理、图形变换、实现三
维立体还原的方法及图象压缩等方面展开探讨。在图象处理方面，论述了断
层图象中定位点提取、图象几何变换、靶区边界提取、图象纵横方向的剖面
显示、图象的平滑、图象的锐化、边缘检测与边缘提取等算法；在图形变换
方面，讨论了二维图形的几何变换（平移、旋转、缩放），平面数据三维化、
立体模型的创建、三维图形的几何变换、曲线拟合、隐藏线和隐藏面的处理、
着色处理等算法及其实现原理；并且介绍了用OpenGL开发实现断层图象三维
重建系统的设计思想，包括用OpenGL实现坐标变换、立体建模、用OpenGL
实现立体旋转、投影等功能；还介绍了将图象BMP文件压缩为JPEG文件的方
法，其中包括色彩模型原理、DCT（离散余弦变换）、Zig-Zag变换、量化、
AC编码、DC编码、采样系数、JPG文件的解码等实现原理。
目前，国内各医院对肿瘤病人的化疗方法各不相同，资金雄厚的医院采
用进口软件进行设计；大多数医院应用国产软件，这些软件厂家主要有北京
大恒公司，深圳的威达医疗公司，而这两家的软件在医生进行治疗方案设计
时，是在图象平面上进行射野，但不能在全方位立体显示模式下进行放射和
计量的设计，造成关键部位不能准确判断。而这也正是医生最需要的关键地
方。这些正是本项目要解决和达到的目标。本论文主要论述了将一系列二维
CT扫描图象经过校正、锐化等处理后，提取不同物体的边界数据，形成三维
体数据，实现物体三维重建，并实现对体数据进行显示、平移、旋转、缩放、
投影等功能。
本论文主要以医学领域中的应用为背景，通过对医学领域中体视化的研
究与应用，以期对计算机图形学、计算机视觉和计算机图象处理等学科进行
深入的研究。通过该项目的体视化技术研究与开发，可以为观察者在进行手
术治疗之前、放射治疗之前提供模拟演示功能。并可为医学院教学提供虚拟
现实的教学和实验环节。同时提高医用领域的临床水平和教学水平。
VOLUME VISUALIZATION is developed in the base of some knowledge in
computer graphics, computer vision and computer image manipulation. The
content is a very important branch in computer application, as well as.
These aspects involve deeper content, have stronger theory and more
arithmetic. So it often stands for the level of computer specialty
application. Internationally, the research and application of volume
visualization is very popular, but the research and application in
china appears later. The systematic theory in 3D reconstruction of faultage
images is discussed in this paper. The principle, realization arithmetic,
realization method and application about spacial 3D volume visualization
are brought forward and summed up.
The realization method of 3D reconstruction in faultage images is
discussed in this paper. First,surrounding images manipulation , graphics
translation, the 3D shape reconstruction , image compression, and so on are
mainly expounded. In the aspect of images manipulation, the arithmetic of
anchor point picking-up, image geometry translation, object identifying
boundary picking-up, image section plane displaying in length and width, image
smoothness, image sharpening, boundary picking-up in faultage images are
discoursed. Second,in the side of graphics translation, the arithmetic and its
realization principle of 2D geometry translation (level shift, circumrotation,
zoom), plane data 3D, the 3D shape's establishing, 3D geometry translation,
curve, concealing lines and concealing surface processing, colour processing are
researched and sunixnarized. Third, the design idea of using OpenGL to exploit
and realize 3D reconstruction system of faultage images is introduced,. The idea
includes using OpenGL to realize the function of coordinate translation, the 3D
modeling, the 3D circumrotation and projection. Fouth, the method of compress-
-ing the image BMP files to JPEG files is introduced in this paper.It involves the
color model principle, DCT (disperse cosine translation), Zig-Zag translation,
quantify, AC encoding, DC encoding, sampling coefficient, the decoding of JPG
files.
This thesis is written chiefly according to the background of
medicine field's application, the research and application of volume
visualization deeply deal with computer graphics, computer vision and
computer images manipulation. Though the research it can accelerate the
improvement of our national computer application level at these
aspects.
Through the research and exploitation of volume visualization
technology , we can offer demo function for the observer before the
operation treatment and the X-adiation treatment. We can also provide
the practice's teaching and experimental teaching method to medical
college students. At the same time, the application can help doctor
7
,k7
improve the sense' and accurately 1ocate cancer p1ace.
Presently, ho.pit.l, have not the software of comP1ete CT 3D
reconSboion and X-radial spatial 3D distributng display yet. Using X- radial
tredriellt has already become prevalent operation method. Bot, The 3D
distributing circumstance of radial wraPping target section, section shaPe, radial
intensity X- radial time, radial angle, bedstead direchon and other a series of
work are very difficult to be imagined. Merely relying on doctors direct
judgement lacks definite science. Through the research and exp1oitation of
voIume visual ization techno1ogy, it sure1y can he1p the physician s
计算机视觉和计算机图象处理等学科有关知识的基础上发展起来的。而这三
方面的内容又是计算机应用方面非常重要的分支，因其涉及的内容较深，理
论性强，算法多，因此，它常被视为代表计算机专业应用的水平。国际上对
体视化的研究与应用如火如茶，我国在这一领域的研究工作起步较晚。本论
文在断层图象三维重构方面做了系统地阐述和探讨，主要论述了将一系列二
维CT扫描图象经过旋转、平移、滤波、插值、锐化等处理后，提取不同物体
的边界数据，形成三维体数据，实现物体三维重建，并实现对体数据进行显
示、平移、旋转、缩放、投影等功能，根据软件编程实现这些功能的基础上，
对三维体视化处理的各种算法进行总结。
断层影象三维重建的实现方法，主要围绕图象处理、图形变换、实现三
维立体还原的方法及图象压缩等方面展开探讨。在图象处理方面，论述了断
层图象中定位点提取、图象几何变换、靶区边界提取、图象纵横方向的剖面
显示、图象的平滑、图象的锐化、边缘检测与边缘提取等算法；在图形变换
方面，讨论了二维图形的几何变换（平移、旋转、缩放），平面数据三维化、
立体模型的创建、三维图形的几何变换、曲线拟合、隐藏线和隐藏面的处理、
着色处理等算法及其实现原理；并且介绍了用OpenGL开发实现断层图象三维
重建系统的设计思想，包括用OpenGL实现坐标变换、立体建模、用OpenGL
实现立体旋转、投影等功能；还介绍了将图象BMP文件压缩为JPEG文件的方
法，其中包括色彩模型原理、DCT（离散余弦变换）、Zig-Zag变换、量化、
AC编码、DC编码、采样系数、JPG文件的解码等实现原理。
目前，国内各医院对肿瘤病人的化疗方法各不相同，资金雄厚的医院采
用进口软件进行设计；大多数医院应用国产软件，这些软件厂家主要有北京
大恒公司，深圳的威达医疗公司，而这两家的软件在医生进行治疗方案设计
时，是在图象平面上进行射野，但不能在全方位立体显示模式下进行放射和
计量的设计，造成关键部位不能准确判断。而这也正是医生最需要的关键地
方。这些正是本项目要解决和达到的目标。本论文主要论述了将一系列二维
CT扫描图象经过校正、锐化等处理后，提取不同物体的边界数据，形成三维
体数据，实现物体三维重建，并实现对体数据进行显示、平移、旋转、缩放、
投影等功能。
本论文主要以医学领域中的应用为背景，通过对医学领域中体视化的研
究与应用，以期对计算机图形学、计算机视觉和计算机图象处理等学科进行
深入的研究。通过该项目的体视化技术研究与开发，可以为观察者在进行手
术治疗之前、放射治疗之前提供模拟演示功能。并可为医学院教学提供虚拟
现实的教学和实验环节。同时提高医用领域的临床水平和教学水平。
VOLUME VISUALIZATION is developed in the base of some knowledge in
computer graphics, computer vision and computer image manipulation. The
content is a very important branch in computer application, as well as.
These aspects involve deeper content, have stronger theory and more
arithmetic. So it often stands for the level of computer specialty
application. Internationally, the research and application of volume
visualization is very popular, but the research and application in
china appears later. The systematic theory in 3D reconstruction of faultage
images is discussed in this paper. The principle, realization arithmetic,
realization method and application about spacial 3D volume visualization
are brought forward and summed up.
The realization method of 3D reconstruction in faultage images is
discussed in this paper. First,surrounding images manipulation , graphics
translation, the 3D shape reconstruction , image compression, and so on are
mainly expounded. In the aspect of images manipulation, the arithmetic of
anchor point picking-up, image geometry translation, object identifying
boundary picking-up, image section plane displaying in length and width, image
smoothness, image sharpening, boundary picking-up in faultage images are
discoursed. Second,in the side of graphics translation, the arithmetic and its
realization principle of 2D geometry translation (level shift, circumrotation,
zoom), plane data 3D, the 3D shape's establishing, 3D geometry translation,
curve, concealing lines and concealing surface processing, colour processing are
researched and sunixnarized. Third, the design idea of using OpenGL to exploit
and realize 3D reconstruction system of faultage images is introduced,. The idea
includes using OpenGL to realize the function of coordinate translation, the 3D
modeling, the 3D circumrotation and projection. Fouth, the method of compress-
-ing the image BMP files to JPEG files is introduced in this paper.It involves the
color model principle, DCT (disperse cosine translation), Zig-Zag translation,
quantify, AC encoding, DC encoding, sampling coefficient, the decoding of JPG
files.
This thesis is written chiefly according to the background of
medicine field's application, the research and application of volume
visualization deeply deal with computer graphics, computer vision and
computer images manipulation. Though the research it can accelerate the
improvement of our national computer application level at these
aspects.
Through the research and exploitation of volume visualization
technology , we can offer demo function for the observer before the
operation treatment and the X-adiation treatment. We can also provide
the practice's teaching and experimental teaching method to medical
college students. At the same time, the application can help doctor
7
,k7
improve the sense' and accurately 1ocate cancer p1ace.
Presently, ho.pit.l, have not the software of comP1ete CT 3D
reconSboion and X-radial spatial 3D distributng display yet. Using X- radial
tredriellt has already become prevalent operation method. Bot, The 3D
distributing circumstance of radial wraPping target section, section shaPe, radial
intensity X- radial time, radial angle, bedstead direchon and other a series of
work are very difficult to be imagined. Merely relying on doctors direct
judgement lacks definite science. Through the research and exp1oitation of
voIume visual ization techno1ogy, it sure1y can he1p the physician s
引文
[1] 吕维雪编著，医学图象处理，上海：高等教育出版社，1989
[2] 王积分、张新荣编著，计算机图象识别，北京：中国铁道出版社，1988
[3] 吴健康编著，数字图象分析，北京：人民邮电出版社，1989
[4] 夏良正编著，数字图象处理，南京：东南大学出版社，1999
[5] 崔屹编著，数字图象处理技术与应用，北京：电子工业出版社，1997
[6] 容观澳编著，计算机图象处理，北京：清华大学出版社，2000
[7] 周长发编著，精通Visual C++图象编程，北京：电子工业出版社，2000
[8] 王煦法、庄镇泉、王东生编著，C语言图象处理程序设计，合肥：中国科学技术大学出版社，1994
[9] 林福宗改编，图象文件格式(上)—WINDOWS编程，北京：清华大学出版社，1996
[10] 许隆文编著，计算机绘图，北京：机械工业出版社，1989
[11] Donald Hearn,M.Pauline Baker编著, Computer Graphics,北京：电子工业出版社，1998
[12] 邹北骥编著，计算机图形学原理与应用，湖南：湖南大学出版社，1989
[13] [美]T。帕夫利迪斯编著，计算机图形显示和图象处理的算法，北京：科学出版社，1987
[14] 章敏晋编著，图象理解与计算机视觉，北京：清华大学出版社，2000
[15] 唐泽圣编著，三维数据场可视化，北京：清华大学出版社，1999
[16] 钟玉琢、乔秉新、李树清编著，机器人视觉技术，北京：国防公元出版社，1994
[17] 李介谷编著，计算机视觉的理论和实践，上海：上海交通大学出版社，1991
[18] 管伟光编著，体视化技术及其应用，北京：电子工业出版社，1998
[19] 贾云得编著，机器视觉，北京：科学出版社，2000
[20] 石教英、蔡文立编著，科学计算可视化算法与系统，北京：科学出版社，1996
[21] 吴斌、毕丽蕴编著，OpenGL编程实例与技巧，北京：人民邮电出版社，1999
[22] 向世明编著，OpenGL编程与实例，北京：电子工业出版社，1999
[23] 彭晓明编著，OpenGL深入编程与实例揭秘，北京：人民邮电出版社，1999
[24] 荷塘月色创作组编著，如何使用OpenGL开发程序，北京：北京理工大学出版社，1999
[25] 曾志、李舒平编著，Win32高级图形编程技术，成都：电子科技大学出版社，1998
[26] [美]Richard C.Leinecker,TomArch著,Windows 98编程实用大全，北京：中国水利出版社，1999
[27] 陈建春，编著，Visual C++高级编程技术——开发实例剖析，北京：电子工业出版社，1999
[28] 杨淑莹，游泽清．基于CT图象的半自动边界搜索方法[J]天津理工学院学报，2000，16，(1)：91～94．
[29] 杨淑莹，游泽清．基于断层CT体视化的计算机处理研究[J]天津理工学院学报，2000，16，(3)：75～78．
[30] Yang Shuying, You Zheqing. Research construction of 3D Model Based on CT Images, First International Conference on Image and Graphics August 16-18,2000:512～515
[31] A. Kaufman(Ed.)Advances and Challenges. IEEE ScienceVisualization IEEE Computer Society Press. 1994.
[32] M. Frubauf. Combining Volume Rendering with Line and Surface Rendering. EUROGRAPHICS' 91
[33] 管伟光．体数据可视化及其在医学中的应用．第四卷．中国科学院自动化研究所博士论文。
[34] 管伟光，马颂德．三维体数据可视化技术．CT理论与应用研究．第四卷．第一期．1995。
[35] D.W. Townsend. Image Recongstruction for Medical Application. Advances in Computer Graphics 4 Springer-Verlag. 1991.
[36] G.T. Herman.Three-Dimensional Display of Human Organs from Computed Tomograms. Computer Graphics Image Processing. Vol. 9.1979.
[37] 杨淑莹，游泽清．用OpenGL实现CT影象三维显示系统的设计天津师范大学报自然科学版2001年6月。
[2] 王积分、张新荣编著，计算机图象识别，北京：中国铁道出版社，1988
[3] 吴健康编著，数字图象分析，北京：人民邮电出版社，1989
[4] 夏良正编著，数字图象处理，南京：东南大学出版社，1999
[5] 崔屹编著，数字图象处理技术与应用，北京：电子工业出版社，1997
[6] 容观澳编著，计算机图象处理，北京：清华大学出版社，2000
[7] 周长发编著，精通Visual C++图象编程，北京：电子工业出版社，2000
[8] 王煦法、庄镇泉、王东生编著，C语言图象处理程序设计，合肥：中国科学技术大学出版社，1994
[9] 林福宗改编，图象文件格式(上)—WINDOWS编程，北京：清华大学出版社，1996
[10] 许隆文编著，计算机绘图，北京：机械工业出版社，1989
[11] Donald Hearn,M.Pauline Baker编著, Computer Graphics,北京：电子工业出版社，1998
[12] 邹北骥编著，计算机图形学原理与应用，湖南：湖南大学出版社，1989
[13] [美]T。帕夫利迪斯编著，计算机图形显示和图象处理的算法，北京：科学出版社，1987
[14] 章敏晋编著，图象理解与计算机视觉，北京：清华大学出版社，2000
[15] 唐泽圣编著，三维数据场可视化，北京：清华大学出版社，1999
[16] 钟玉琢、乔秉新、李树清编著，机器人视觉技术，北京：国防公元出版社，1994
[17] 李介谷编著，计算机视觉的理论和实践，上海：上海交通大学出版社，1991
[18] 管伟光编著，体视化技术及其应用，北京：电子工业出版社，1998
[19] 贾云得编著，机器视觉，北京：科学出版社，2000
[20] 石教英、蔡文立编著，科学计算可视化算法与系统，北京：科学出版社，1996
[21] 吴斌、毕丽蕴编著，OpenGL编程实例与技巧，北京：人民邮电出版社，1999
[22] 向世明编著，OpenGL编程与实例，北京：电子工业出版社，1999
[23] 彭晓明编著，OpenGL深入编程与实例揭秘，北京：人民邮电出版社，1999
[24] 荷塘月色创作组编著，如何使用OpenGL开发程序，北京：北京理工大学出版社，1999
[25] 曾志、李舒平编著，Win32高级图形编程技术，成都：电子科技大学出版社，1998
[26] [美]Richard C.Leinecker,TomArch著,Windows 98编程实用大全，北京：中国水利出版社，1999
[27] 陈建春，编著，Visual C++高级编程技术——开发实例剖析，北京：电子工业出版社，1999
[28] 杨淑莹，游泽清．基于CT图象的半自动边界搜索方法[J]天津理工学院学报，2000，16，(1)：91～94．
[29] 杨淑莹，游泽清．基于断层CT体视化的计算机处理研究[J]天津理工学院学报，2000，16，(3)：75～78．
[30] Yang Shuying, You Zheqing. Research construction of 3D Model Based on CT Images, First International Conference on Image and Graphics August 16-18,2000:512～515
[31] A. Kaufman(Ed.)Advances and Challenges. IEEE ScienceVisualization IEEE Computer Society Press. 1994.
[32] M. Frubauf. Combining Volume Rendering with Line and Surface Rendering. EUROGRAPHICS' 91
[33] 管伟光．体数据可视化及其在医学中的应用．第四卷．中国科学院自动化研究所博士论文。
[34] 管伟光，马颂德．三维体数据可视化技术．CT理论与应用研究．第四卷．第一期．1995。
[35] D.W. Townsend. Image Recongstruction for Medical Application. Advances in Computer Graphics 4 Springer-Verlag. 1991.
[36] G.T. Herman.Three-Dimensional Display of Human Organs from Computed Tomograms. Computer Graphics Image Processing. Vol. 9.1979.
[37] 杨淑莹，游泽清．用OpenGL实现CT影象三维显示系统的设计天津师范大学报自然科学版2001年6月。