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　　3.绘制

　　当分割标注或数据整合结束后，就可以对体数据进行绘制，但医学应用中的绘制要突出特定诊断所需要的信息，而忽略无关信息.目前三维医学体图象的可视化基本上可以归入断层绘制，面绘制和体绘制3种不同的绘制技术。

　　对于三维体数据，最简单的绘制方式是将各断层图象，包括自然层(如水平面、冠状面、矢状面），斜截面或曲线截面等，以快速逐层显示、二维序列显示.由于这类方法具有绘制速度快,人机交互性好等优点,故如今其仍是不可取代的器官内部特性观察方法。

　　(1)面绘制面绘制（Surfacerendering)的基本思想是提取感兴趣物体的表面信息，再用绘制算法根据光照、明暗模型进行消隐和渲染后得到显示图象.大家知道，在计算机图形学领域，面绘制算法发展到今天已经相当成熟，并可利用专门的图形加速硬件来加速绘制过程，但面绘制需要指定阈值，以确定场景中感兴趣物体的表面，而且除了阈值法，任何自动的“硬”（hard)的(相对于模糊分割而言）基于边缘或基于区域的分割方法都可以使用.由于上述方法采用的参数需要交互指定，因此分割和绘制速度在这里是最重要的考虑因素.另外，这种分割得到的表面可以用多种方式对其进行描述，如体素、点、体素的面、三角面片及其他形状的表面片等，这个过程常常又被称为三维建模.一般绘制本身包括投影消隐和渲染3个基本步骤，这些步骤对于产生三维立体感是必需的，而其他技术，如立体显示旋转物体造成的运动视差，阴影和纹理映射都可用于增强立体感。

　　投影方法分为光线投射(或光线跟踪)算法和体素投影算法，其中，在光线投射算法中，当光线遇到满足阈值准则的第1个体素时，则停止，从而自动完成消隐;而在体素投影算法中，体素按从远到近(相对于视平面而言）的顺序投影，且每次都改写象素值.目前已有多种高效的计算方法被用来实现体素投影。

　　渲染方法由光照（illumination)模型和明暗(shading)模型确定，其中典型的光照模型，如Phong模型，Blinn模型，whittd模型等[38];而明暗模型有平坦型明暗，Gouraud明暗和Phong明暗[39]等.这种渲染方法中最重要的步骤是法向量的计算，它也有两类方法，在第1种方法中，法向量完全由点v附近表面的形状决定；另一种方法则将场景中点v处灰度梯度作为法向量N.为了显示内部组织，还可采用半透明表面技术，这样即能绘制出多层等值面，进而也就引出了模糊表面绘制技术（Fuzzysurfacerendering)和体绘制技术。

　　(2)体绘制与面绘制不同，由于体绘制(Volumerendering或Directvolumerendering)算法认为体数据场中每个元素一一体素都有一定的属性(透明度和光亮度），而且通过计算所有体素对光线的作用即可得到二维投影图象，因此，体绘制可以利用模糊分割的结果,甚至可以不进行分割即可直接进行绘制，这样做的好处在于有利于保留三维医学图象中的细节信息，但缺点是加大了计算开销，即使在硬件图形加速支持的机器上，体绘制也比面绘制慢得多.鉴于体绘制的中心思想是为场景中的每个体素指定一个不透明度，因此需考虑每个体素对光线的透射、发射、反射作用.这种光线的透射就取决于体素的不透明度;光线的发射则取决于物体的物质度（objectness)，物体的物质度越大，其发射也越强烈;而光线的反射则取决于表面材料和法向量.与面绘制相类似，体绘制也包括投影、消隐、渲染或合成3个基本步骤，其中，投影与面绘制完全相同；而消隐比面绘制要复杂，在光线投射型算法中，通常采用的消隐方法是，一旦累积的不透明度超过某个较高的阈值（如90%)时，就停止计算，这种算法将忽略该光路上其余体素的影响;渲染在这里称为合成可能更合适，因为它需要考虑所有3个分量一一透射分量发射分量和折射分量.这种体绘制的遍历策略主要有从后到前（back~to~front)和从前到后（front-to~back)两种，前者是沿光线方向从离视平面最远的体素开始，从远到近地计算，后者反之，而且从前到后的计算，实际上比从后到前的计算要快.虽然体绘制方法计算量大，但在硬件的支持下，特别是依靠硬件的加速三维纹理映射技术，实时绘制仍然可以实现，事实上，对于128<128<128象素大小的体数据，绘制图象的生成速度早在1992年就可达到30帧/s以上.另外，剪切弯曲（shear-warp)算法已使并行体绘制成为一种基本算法，由于该算法可以利用多个CPU并行计算，因而大大提高了绘制速度。

　　另外，无论是面绘制还是体绘制，在许多情况下，仅仅依靠阈值等分割算法均无法将不同的组织和结构区分开来，若采用进一步的识别标注算法来定义出不同的物体，将不仅有助于更有效地表达物体，也有利于提高绘制速度和精度.在面绘制中，还可用一些方法来减少投影和消隐的计算;而在体绘制中，识别出的模糊物体也可以由一组模糊体素来表达，其中每一体素都有与其相关的一个物质度值和其他参数，如梯度大小等.这样，与初始场景相比，物体描述更为简洁，而且事先计算后存储的加速绘制信息也可作为体数据的一部分。

　　除了基本的绘制算法外，特殊的真实感图形图象技术，如纹理映射技术?细节层次技术，基于图象的绘制技术等,在医学可视化领域均具有广阔的应用前景,虽然这些技术的应用可以提高绘制算法的效率和增加医学生物学图象的视觉真实感，亦可在模拟手术、远程手术中用于生成虚拟场景，但是，由于三维医学图象的绘制目的在于看见内部组织的细节，所以真实感并不是最重要的方面，相反，多光源技术等还可能造成误解，因此，在选择绘制算法时，要注意这个问题.另外，高度的可交互性是三维医学图象绘制的另一个要求，即要求一些常见操作，如旋转、剖切，要实时，或至少是在一个可以忍受的响应时间内完成.这意味着在医学图象绘制中，一些预处理时间长(如分割?建模光照），而绘制时间短的可视化方法更为实用，而且在一些特殊的场合，可能需要将面绘制和体绘制技术混合起来，其结合的形式有两种，其中一类以面绘制为主，只是试图引入体绘制的某些概念，主要针对需要同时显示多边形和体数据的混合场景的绘制；另一类是试图把几何表面描述与体数据融合起来，常用于手术计划模拟，以便同时显示由医学成象装置所得到的病人数据和虚拟手术器械。

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