三维图像范文

三维图像篇1

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004）

【摘　要】针对邻域均值滤波算法在处理二维图像时占用了大量时间费用，设计了一种基于Direct3D技术的均值滤波方法。该方法在运用Direct3D函数对二维图像渲染的过程中，用着色器替换固定功能管线中的变换和光照阶段，并通过GPU对顶点格式中的纹理坐标进行操作，最终降低了均值滤波算法的时间复杂度。

关键词 Direct3D；着色器；纹理；均值滤波

作者简介：张天昊（1989—），男，硕士研究生，研究方向为视频图像采集与处理。

指导教师：何志毅（1965—），男，教授，研究方向为光电显示与照明和计算机图形图像技术等。

0　引言

在采集视频图像的传输过程中，受诸多因素的影响，可能导致图像的退化。均值滤波是一种常用的线性平滑滤波器[1]，因易于设计和在多处场合的优越性能而成为信号处理的重要手段，它直接在图像空间域上对图像局部窗口取均值代替窗口中心像素的值，可以在一定程度上对高斯噪声加以抑制。但由于其运算的时间复杂度高，因此不能满足帧速较高的实时视频图像的处理[2]。

然而图形硬件技术的飞速发展给予了我们这种契机。从90年代中期开始，Direct3D7.0 引入了基于硬件加速的“转换和光照（transform and light, T&L）”，并首先得到了NVIDIA公司的 GeForce 256（代号 NV10）芯片的支持，从而使得三维硬件加速从单一的光栅化发展成为具有多个阶段的渲染流水线[3]。运用Direct3D技术在加速处理图像和计算机视觉中的应用研究成果最为突出。Fung 等人利用 GPU的高速计算能力，实现了基于相机的人脸跟踪系统[4]，Abate 等人实现了在GPU上基于Direct3D的三维人脸识别[5]； Ujaldón 等人利用 GPU 中的光栅器实现了 Hough 变换，用于在二维图像中检测圆[6]。现有的成果也以事实证明，将均值滤波移植到Direct3D中来，可以实现对其时间复杂度的降低。

1　邻域平均法的均值滤波

邻域均值滤波法是一种空间域图像增强法，是典型的线性滤波算法，它是指在图像上对目标像素给定一个模版，该模版包含了其周围邻域的像素（已目标像素为中心的周围8个像素，构成一个滤波器），再用模版中的全体像素的平均值来代替原来的像素值。

设定F(x，y)为N*N的输入图像，若平滑增强后的图像为G（x，y）,则有

（1）

其中x，y=0,1,...,N-1；S为（x，y）邻域内像素坐标的集合；M表示集合S内像素的总数。根据M值的选取分为了如下几个常用的滤波模版：

（2）

采用1/8的模版用VC++对邻域均值算法加以实现，得到噪声图像的处理前后效果如图1所示。

均值计算占用了均值滤波处理的大量时间费用[7]，接下来我们将介绍如何运用Direct3D进行图像的均值滤波并大幅度降低该算法的时间复杂度。

2　基于Direct3D渲染目标

2.1　Direct3D和GDI访问硬件的不同方式

目前在Windows上采用GDI（图形设备接口）的处理方法主要分为空域方法和频域方法，空域方法直接作用于图像中的像素点，该方法延伸的算法便于理解，但是每次处理都要遍历每一个像素点，占用大量内的内存和耗费很长的时间，因此不适用于对视频进行操作和处理。频域方法则将初始图像通过傅里叶变换至频率域，对频率域进行处理，经过傅里叶反变换后获取图像结果。因其基本采用的都是高精度的算法而经常运用在目标检测、目标跟踪等实际应用上。但是大量的数学运算需要占用一定的内存空间，因此一些高复杂度的算法会占用处理每帧图象的时间而无法达到帧同步既而无法完成要求较高的基于视频的目标检测。Direct3D技术的诞生则解决了一些帧同步的问题。由于其Texture直接对底层硬件进行操作，因此可以用很少的代码，就可以使用Direct3D的新接口完成二维图形处理而仅仅占用少量的时间。另外，还可以得到各种各样非常卓越的效果，例如缩放、旋转、透明以及光照等，而且Direct3D技术对硬件支持广泛，其显示效果完全能够达到视频逐帧图像处理的要求。

2.2　渲染流程

渲染3D对象的任务可分为两个阶段，第一阶段成为转换和照明。在这个过程中，未经转换和照明的顶点从一段进入，经过网格化和固定功能的管道从另一端出来。其中，固定管道包括世界变换、观察变换、背景剔除、灯光材质、裁剪、投影变换、视口变换几个步骤。第二阶段称为光栅化处理，图元用于将这些经过经过转换并添加了照明效果的顶点组织为点、线和三角形。光栅处理程序使绘制结果形成DireceDraw表面，该表面成为渲染目标，同时应用纹理映射图并添加多种属性，如两个相连顶点间的颜色。

3　基于Direct3D的均值滤波方法

邻域平均法的均值滤波是图像预处理中图像平滑和消噪常用的方法。由于均值滤波算法的时间复杂度较高而不被应用于视频帧处理中。本节主要讲述如何运用Direct3D中的顶点着色器和像素着色器来对纹理坐标进行操作来降低均值滤波算法的时间复杂度从而达到对每帧图像通过均值滤波进行平滑预处理的目的。

顶点着色器(Vertex Shader)是一个在图形卡的GPU上执行的程序，它可以进行编程，并将代码传给GPU进行计算，然后通过屏幕显示出来。它替换了在渲染3D对象中固定功能管线(fixed function pipeline)中的变换(transformation)和光照(lighting)阶段。顶点着色器通过顶点作为输入数据，只要将顶点缓存数据传入GPU就会执行；像素着色器（Pixel Shader）以从顶点着色器输出的值为基准,对画面输出的像素进行运算。下面给出每一步的具体实现原理：

3.1　初始化3D环境

Direct3D需要经历几个步骤来为应用程序做准备：

创建IDirect3D9对象。

检查IDirect3D9对象的性能并选择一个合适的设备类型。

为适配器选择一个显示适配器和显示模式。

创建并初始化IDirect3DDevice9对象。

将待处理的位图加载到纹理上。

3.2　在MFC中构建Mesh类

在Mesh中内置所有顶点缓冲、索引缓冲以及顶点格式的信息。顶点缓冲是储存顶点信息的一种方法，它的内存由Direct3D进行管理并存放在显存内，而不需要渲染每一帧时再将数据拷贝到显卡，从而提高了处理图像的性能。索引缓冲就像一个包含了数字的数组，而这些数字引用了顶点缓冲中的顶点，索引缓冲有点像将顶点缓冲作为顶点的调色板来使用。当顶点着色器和像素着色器对顶点数据进行处理后，使用DrawSubset()方法用纹理对Mesh中的表面进行渲染。以下为用处理后的纹理渲染Mesh的关键代码：

m_pd3dDevice->Clear(0, NULL, D3DCLEAR_TARGET|D3DCLEAR _ZBUFFER, 0x99999966, 1.0f, 0); //将后备场景清除为黑色

m_pd3dDevice->BeginScene();//开始场景

/*设置顶点渲染常量寄存器*/

m_pd3dDevice->SetVertexShader(m_pVsh); //顶点渲染

m_pd3dDevice->SetPixelShader(m_pPsh); //像素渲染

m_pd3dDevice->SetTexture(0, pM->m_pTex); //设置使用的纹理

pM->m_pD3DMesh->DrawSubset(0); //用DrawSubset方法渲染Mesh

m_pd3dDevice->EndScene();//结束场景

3.3　着色器对顶点坐标进行操作达到均值滤波效果

上述代码中的m_pVsh即为顶点着色器文件，m_pPsh为像素着色器文件。下列三行代码和两个着色器内的代码共同完成了对顶点坐标进行操作的任务。

float ifl = 0.001f;

m_pd3dDevice->SetVertexShaderConstantF(13, D3DXVECTOR4(ifl, -ifl, ifl*2, -ifl*2), 1);

m_pd3dDevice->SetVertexShaderConstantF(14, D3DXVECTOR4(0.0006f, 0.0016f, 0, 0), 1);

上述代码声明了常量寄存器来使着色器得到变换矩阵。由于着色器直接在GPU操作，因此采用汇编语言进行编码。

其中，每一个顶点信息中最多包含八组纹理坐标。我们的目的是将一组原始的顶点纹理坐标通过矢量的运算最终形成八组纹理坐标并储存在一个顶点信息内。每个形成的纹理坐标分别对应原始纹理坐标在二维平面上、下、左、右、左上、右上、左下、右下平移后的位置。平移的量值根据上述声明的常量寄存器而定。

顶点着色器的目的是将八组纹理坐标加载到顶点信息内，接下来的任务就交给像素着色器m_pPsh对纹理进行渲染。在m_pPsh内，分别用八组纹理坐标对原始纹理的像素进行加载，并把八组渲染结果累加在寄存器r0中，则当前每个像素点的值就相当于邻域八个点像素值的累加之和。对r0中的数据求均值，最终得到的纹理图像即可达到对原始纹理图像均值滤波的效果。

3.4　将渲染后的纹理加载到表面上进行处理

将处理后的纹理加载到表面上，通过对表面的操作既而达到了对纹理内的图像的操作。若想对预处理后的图像进行下一步的操作，只需处理表面内部的RECTs数组。它描述了表面所包含的矩形区域的像素，获得它之前需要锁定图像表面。锁定图像表面和传输顶点数据到顶点缓冲的采用的方式相似：

m_pMesh->m_pTex->LockRect(0, &m_pMesh->m_TexRect, 0, 0);//锁定图像表面

/*在这里对m_TexRect内的像素进行操作*/

m_pMesh->m_pTex->UnlockRect(0);//解锁图像表面

最终将表面内的内存数据显示在屏幕上，即完成了运用Direct3D技术对二维图像进行均值滤波预处理的全部流程。另外，在Mesh中创建不同大小的原始纹理坐标亦可对整幅位图进行插值或均值处理。由此可见，Direct3D技术在处理二维图像中还有广阔的发掘前景。

4　结语

本文介绍的这种用着色器配合Direct3D的渲染技术对二维图像的处理方法，不仅仅大幅度的降低了均值滤波算法的时间复杂度，还可以加速实现后续对纹理中整幅位图的全局处理，例如图像的缩放，旋转等等，并且对图像的处理速度较比于通过GDI访问硬件进行处理提升了三到四倍。

参考文献

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［5］Noe K ?覫, Tanderup K, Lindegaard J C, et al. GPU accelerated viscous-fluid deformable registration for radiotherapy[J]. DAIMI Report Series, 2007,36(583).

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［7］常瑞娜,穆晓敏,杨守义,等.基于中值的自适应均值滤波算法[J].计算机工程与设计,2008,29(16):4257-4259.

三维图像篇2

1 概述

三维重建（3D Reconstruction），是建立外界物体合适的计算机数学模型，并在计算机环境中对模型进行处理、生成场景和物体的三维模型的方法[1]。目前建筑物三维重建的方法主要有三种：基于几何造型的方法、基于扫描仪器获取物体表面三维信息的方法、基于图像的三维重建方法[2，3]。基于图像的三维重建技术，采用单幅图像或多幅图像，实现对目标场景的三维重建。并紧随着摄影测量与计算机视觉等学科的发展而迅速成长[4]；基于单幅图像的三维重建是利用单张图像中的二维特征，通过逆求解物理或光学成像过程解算物体可见表面的三维信息[5]。

2 基于单幅图像建筑物三维重建

本文以单张图片作为输入，照片级真实感三维模型作为输出；单张图片所能提供的信息较少，拍摄相机的内外参数未知，针对这些问题，本文先依据图像质量选取直线提取方式（手动或自动方法），保证X、Y、Z三个主方向直线数量不得少于两条。然后利用灭点几何解算相机内、外参数；接着根据平面模型解算三维点坐标；最后利用二维空间透视关系矫正纹理、渲染模型，生成照片级真实感的三维模型。

2.1 基于直线分组的灭点解算

灭点是空间平行直线在图像上的投影线段的交点[4]。理想情况下，仅需任意两条平行直线即可确定一个灭点。灭点是解算相机参数的关键，灭点解算精度将直接影响相机标定及三维重建的结果。简单规则建筑物具有直线结构化信息，方便于快速直线提取、分组和灭点解算。获取单幅图像中的灭点直线有两种方法：自动法和手动法。当图像具有较高分辨率、较强透视几何，且图像的反射强度适中、阴影和非目标景物较少时，采用自动方法，反之采用手动法。自动法的灭点解算主要步骤如下：

①利用Canny算子检测边缘，提取图像局部灰度突变的区域。

②为获取更高效、准确的直线提取结果，采用累计概率霍夫变换（Progressive Probability Houth Transform，PPHT）提取结构化场景中直线端点信息。

③为避免Z轴方向直线干扰X、Y方向，依据角度性质分离出Z轴方向灭点直线。

④采用随机抽样一致性算法（Random Sample Consecsus，RANSAC）方法构建直线模型，分离X、Y两个方向的灭点直线，同时剔除每个方向的无效直线。

⑤基于最小二乘算法确定最优灭点。由于受镜头畸变的影响，X、Y、Z方向直线簇往往不能相交于一点。当直线数量大于两条时，可采用最小二乘法确定最优灭点。假设某一方向有n条投影直线l1，…，ln，li，的端点为（xi1，yi1）、（xi2，yi2）。则的直线方程为Aix+Biy+Ci=0，其中：

2.2 相机标定

三维空间点投影到二维图像上的相对位置由摄像机成像几何模型决定，相机成像几何模型中的参数称之为相机参数，求解相机参数的过程称为相机标定。

依据文献[6]，可以利用如上解算的灭点坐标解算相机参数（u0，v0，f，R，t）。像主点是透视椎体底面三角形的垂心，利用垂心定理计算u0、v0。投影中心到像主点的距离为焦距，利用勾股定理计算f。世界坐标系X、Y、Z坐标轴向量分别设定为主灭点单位向量OVX、OVY、OVZ，利用坐标系变换原理，根据任意两主灭点向量解算旋转矩阵R。任取两主灭点向量OVX、OVY，则：

2.3 平面模型重建与三维点结算

假设三维空间平面用表示，其中P为平面位置点，n为平面法向量。本文首先定义了一个位置和法向量都已知的平面（世界坐标系XOY平面）为基平面？装0，通过交互式地确定？装0与待求平面的几何关系依次解算各个待求平面。待求平面与基平面？装0的几何关系分为两种：平行和相交。

空间直线L3L，A、B是L上两点，U、A是L3上两点。U与其图像点u满足投影方程：

2.4 纹理映射

常用的纹理几何校正有多项式扭曲法和内插法，这些方法往往需要确定一系列控制点，使得方法计算烦琐。针对这一问题，结合单幅图像重建方法的特点，以计算机视觉中的线性相机模型为基础，依据透视投影关系，根据纹理图像和三维模型四对控制点，解算纹理校正的投影矩阵。

为获得真实感的三维模型，需将校正的纹理映射到三维模型上。OpenGL（Open Graphics Library）是独立于硬件设备的软件接口，可以构逼真的三维模型，渲染复杂的三维场景。其本身具有完善的纹理映射机制，能够逼真的表达物体表面信息。本文利用OpenGL将校正后的纹理映射到建筑物的三维模型上。

3 实验结果与分析

为验证上述方法的可行性，本文选取两种建筑进行实验。

实验一为牛津大学Wadham学院，位于市区的中部。图像尺寸1024×768 pixel，相机型号未知，焦距未知。该建筑为传统欧式建筑，建筑中存在大量的平行直线、垂直直线，且建筑主体结构以平面为主。

待重建建筑边线清晰选择自动法提取直线。首先利用Canny算子检测边缘，高、低阈值分别为230、200，利用累计概率霍夫变换提取目标图像中的长线段。角度间隔为1°，角度范围为180°，累加阈值为50，直线长度阈值为70，间隔阈值为10。直线检测及灭点计算结果、相机标定、平面重建、纹理矫正如图1、图2分别展示了不同视角下模型的重建效果。

实验二为福建初溪土楼群集庆楼内部建筑、该土楼为闽西典型的土楼建筑，属于现存国家重点保护物质文化遗产。重建图像由SONY DSC-HX9相机拍摄，图像尺寸3648×2736 pixel，焦距6mm，由于集庆楼建筑年代久远，建筑边缘模糊，实验采用手动法提取直线。X方向绘制5条直线、Y方向7条直线、Z方向6条直线，各个方向直线分布均匀。

三维图像篇3

关键词:三维重建；力学分析；数字图像

中图分类号：TD352+.3 文献标识码：A

引言

目前，医学上通过观察人体的某一断层图像进行诊断。由于人体器官结构的复杂性以及病变或破损位置、形状的不可预知性，仅仅由二维图像显示生物结构形态，难以得到准确、完整的描述，对进一步研究病情带来了困难，通过二维图像，利用三维重建技术可以将看不见的人体器官真实地显示出来，改变了传统的放射诊断方法。

混凝土的力学性能一直都是科学界研究的课题。混凝土的宏观研究,忽略了混凝土材料内部复杂的细观结构，将混凝土视为均质连续体，运用连续介质力学、损伤力学、断裂力学等理论，对混凝土进行力学性能的研究，难以揭示材料变形和破坏的物理机制，特别是天然存在的大量的细、微观缺陷，如骨料界面、空洞以及随机分布的微裂纹随载荷作用的扩展对混凝土力学性能的影响。自20世纪70年代末，随着计算机水平的提高和图形处理软件的发展，对混凝土的研究逐渐由宏观向细观及微观深入，人们发展了混凝土细观力学研究方法。细观研究方法把混凝土看作多相非均质复合材料，结合理论和试验研究，认为混凝土宏观的力学性能和破坏过程与其内部的细观结构特点及裂缝发展有关，混凝土的破坏正是由潜在的各种缺陷引起的，其破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通，直到产生宏观裂纹，导致混凝土失稳破裂的过程。细观研究手段主要有两类，一是基于随机抽样原理和统计学原理建立虚拟细观结构数值模型，运用软件计算分析模型加载破坏过程中的力学特征；二是通过成像设备获取混凝土断面的真实数字图像，进行图像处理后建立模型，进行加载分析。或者获取实时加载破坏断面图，分析图像变化，探知细观破坏规律。本文介绍后者。

1图像获取

采用连续切片方法获得二维数字图像。切割过程中要严格控制切片厚度，每两个切片间距为集料粒径的四分之一。将混凝土截面修平后研磨，使得其表面为平整平面，采用普通数码相机拍摄获取混凝土截面的二维图像, 之后切去较薄一层材料, 研磨后拍摄，如此循环。图像应能足够了解物体的立体结构信息要求，最后用计算机软件将序列平面图像依次连接起来，便可得到研究对象的立体结构图。切片后拍摄获得的混凝土二维图像如图1所示。

2三维重建

2.1图像处理

所摄取的图像中，有很多使计算分析变得复杂的杂质等干扰因素，有必要进行图像处理。

各相物质的增强、分割等处理是三维重建中必须的环节。图像处理内容包括图像剪切、 灰度直方图均化、灰度变换、 平滑和锐化处理、 阈值分割等。

2.2三维重建

利用软件MATLAB 对混凝土的多幅经过图像处理后的连续切片图像进行三维重建。

(1)三维体数据采集。依次读入由连续切片获得的断序列截面数字图像，将图像的序列号作为第三维数据构造出三维体数据集 D,因此得到一个三维矩阵。

(2)体数据集预处理。构造所得到的体数据集数据量大 ,可根据实际情况利用 reducevolume函数对体数据集 D进行预处理 ,以降低所处理的数据量。

(3)面绘制及三维显示。利用 is osurface函数计算体数据集 D在显示平面的累计投影。再利用 patch函数指定所有顶点的坐标和各小面片的顶点和颜色来创建面片。

(4)建立视图，添加 phone光照模型。接近实际生活中物体在光源照射下产生特有的光泽,因此生成的图像真实感较强。

(5)设置透明度，实现多层面显示为等值面设置 Alpha值 (透明系数 )，给等值面添加透明度，揭示试件内部结构。上述过程主要的 Matlab命令流有：

1) i mage n = i mread(′ 二维图像地址 ′，′ bmp′ )；

2)D = cat (3， i mage1， ……i mage n) ；

3) [x，y，z，D] = reducevolume (D，[1，1，1 ] ) ；

4)D = s mooth3 (D)；

5) fv = is osurface ( x，y，z，D，4) ；

6) p = patch ( fv，′ facecol or′，′ yell ow′，′ edgecol or′，′none′ ) ；

7) das pect ( [841] ) ；

8) col or map (gray) ；

9) view (3) ；

10) camlight headlight。

结束语

基于真实混凝土内部结构的二维图像重构了接近实际的混凝土骨料分布模型，弥补了传统的数值方法采用统计学原理建立三维细观模型的不足。该技术描述的非均质性能在表征上十分接近混凝土的真实非均匀性, 为进一步研究混凝土材料的力学性能与破坏机制提供了新的手段。可以研究混凝土的级配、 骨料含量及其分布模型对混凝土的力学性能的影响 ,可以验证混凝土数值模拟中一定级配下各种骨料随机投放模型的可靠性。

参考文献

[1]胡爱宇，喻骁，宗兰.基于数字图像的混凝土力学性能细观研究现状[J].江苏建筑.2010(6).

[2]孙立国.三级配(全级配)混凝土骨料形状数值模拟及其应用[D].南京:河海大学,2005.

[3]苏盛，沈德健，吕维波，三维重建技术在全级配混凝土骨料随机分布中德研究与应用[J]，江西科学.2007（10）.

[4]戚永乐,彭刚,柏巍,etal.基于CT技术的混凝土三维有限元模型构建[J].混凝土.2008(05).

三维图像篇4

【关键词】体绘制；面绘制；三维重建；GUI界面

CT（Computed Tomography）技术是指利用计算机技术对被测物体断层扫描图像进行重建获得三维断层图像的扫描方式。自从CT被发明后，CT已经变成一个医学影像重要的工具，虽然价格昂贵，医用X-CT至今依然是诊断多种疾病的黄金准则。利用X射线进行人体病灶部位的断层扫描，可以得到相应的CT切片图像。医生可以通过对连续多张CT切片图像的观察，来确定有无病变。应用三维重建技术可以将连续的二维CT切片图像合成三维可视化图像，便于观察研究。医学图像的三维建在判断病情、手术设计、医患沟通和医学教学等方面具有很高的研究价值。CT图像通常是以DICOM格式存储，实验中通常需要转换格式。本文分别研究讨论了利用MATLAB软件实现对JPG格式的CT切片三维重建的两种常用方法，并制作GUI界面实现切分操作。

1.MATLAB软件在生物切片图像三维重建中的应用

MATLAB7.O提供了20类图像处理函数，涵盖了图像处理包括近期研究成果在内的几乎所有的技术方法，是学习和研究图像处理的人员难得的宝贵资料和加工工具箱。

Matlab软件环境提供了各种矩阵运算、操作和图象显现工具。它已经在生物医学工程，图象处理，统计分析等领域得到了广泛的应用。在三维重建方面，使用的数据量相对较大，同时涉及到大量的矩阵、光线、色彩、阴影和观察视角的计算，对于非计算机专业研究人员来讲，难度很大。利用MATLAB软件中的图像处理函数、工具箱操作，可以大大简化研究。

2.常用的三维重建方法

2.1 面绘制

面绘制法是指利用几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，实现三维重建，也被称为间接绘制方法。

面绘制法的基本原理是从三维数据场中提取出物体的表面部分，用一系列连续的三角形或平面多边形片近似地表示物体的表面特征。这种近似地方式类，似于用正八十面体表示球面。

2.2 体绘制

直接将体素投影到显示平面的方法称为直接绘制方法，也称为体绘制法。

体绘制是直接利用三维数据场的信息，将整个三维数据场投影出来，达到三维的视觉效果。体绘制法将数据场中的多种物质在一个可视图中显示，揭示它们的相互关系。

面绘制法相对处理数据量小，重建效果信息量小，外观好，计算速度较快，但是内部简单。体绘制算法认为体数据场中每个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像，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体绘制。这样做的好处在于有利于保留了三维医学图像中的细节信息。因此体绘制算法在对医学图像的重讲具有更好的效果。

3.肺部CT图像的三维重建GUI界面的制作

GUI是Graphical User Interface的简称，即图形用户界面。MATLAB软件中，提供了制作GUI界面的模块。利用GUI界面操作运行程序，更为方便直观。下面介绍GUI界面在肺部CT图像重建中的应用设计方法。

本实验一共使用连续肺部CT切片20张（图1），利用体绘制方法实现三维重建与部分重建。GUI界面实现了切分位置的设定以及三个视角的切换功能。

（1）界面设计

利用MATLAB软件设计GUI操作界面，添加“查看原图片”按钮，用于显示原始图片：添加网格效果，便于切分位置的设定。利用滚动条，可以动态的设置三维切分的参数，可以有针对性的对感兴趣部位进行部分重建观察，来实现切分效果。“视角选择”中，设置了三个单选按钮，用来调整三维观察的视角。参数设定完成，点击“三维切分”按钮，实现三维效果。图像显示于界面右侧。“清空”按钮用于清除结果，进行下一次操作。

4.结束语

本文主要介绍了常用的两种三维重建方法，认为体绘制方法更适用于医学图像的重建。此外，重点介绍了利用在MATLAB环境下利用GUI界面实现肺部CT切片体绘制重建界面操作的程序实现方法，该实验实现了三维视角的切换和部分重建位置的设定操作。三维重建技术在医学领域应用广泛，对它的研究具有重要意义。

参考文献

[1]冈萨雷斯.数字图像处[M].北京：电子工业出版社，2007.

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三维图像篇5

【关键词】Web三维重建 GPU重构 X3D MVC可视化

1 引言

基于Web的三维可视化系统充分融合了现代网络技术、医学成像技术以及图像处理技术，使得处于不同地域的医生参与远程会诊；它能帮助生物医学工作者提高解剖结构的理解力，提高学习与交流的便利性，以及促进现代医学与人类社会的健康发展。本文开发出基于Web的医学图像三维可视化系统技术，使得这些技术具有良好的鲁棒性、精确性和实用性，在网络数字化医疗诊断、教育中发挥实际作用

2 GPU并行重构

三维重构的方式主要分为面绘制与体绘制两种。体绘制需要将数据场中每个体元的值映射为颜色与阻光度，这一映射过程通过传输函数实现，转换后的RGBA值通过合成投影到帧缓冲区相应的像素位置上，合成的方式可以通过多种算法实现。面绘制，是指在三维数据场中构造并显示等值面的过程，是从三维数据场中还原物体三维信息的主要手段之一。基于多核GPU并行技术方式的MC算法，将2D横断面分割成多个独立的片段，通过重构合并多线程进而形成3D等值面模型。

3 X3D模型转换与纹理映射

本文中提出了重构模型的X3D的模型转换技术及相应模型的纹理映射，形成Web兼容的3D格式。等值面中的坐标将被转换到X3D中指定的索引面集合节点中。该索引面集被用于表示X3D重构模型中的一个多边形网格的形状和表面。为了将纹理映射到这样一个模型上，我们创建了一个和模型同样大小的模板立方体。将输入的2D横断面生成的纹理图像，根据其坐标被映射到立方体里模型上，然后合并纹理立方体和重构模型的索引面集节点。我们使用了完整的分辨率图像切片，并且计算是运行在GPU平台上，从而产生适用于Web的X3D模型，最终使得本文获得的重构模型更加灵活，更加容易被扩展，并且被一般的3D浏览器支持。

4 集成X3D的MVC可视化

本文在提出了MVC的框架设计模式的过程中，设计了一个可视化的流水线系统，从而来有效地提高系统的灵活性与扩展性。在可视化框架设计中，我们根据MVC设计原则将系统划分为模型层、视图层、控制器三层。

4.1 模型层

主要是提供操作的数据，如等值面模型、纹理模型、可绘制点等。

4.2 视图层

为了使得生成的等值面被OpenGL可视化，在处理层我们需要重点提出了等值面模型转化技术，即将等值面转化为多边形模型。

4.3 控制器

分派请求和控制流程，主要是将ECMA脚本等添加到视图模型中，从而提高可视化系统在Web页面上的交互性。

5 AJAX与X3D结合的场景交互

Web3D技术提供多种方式来实现可视化的场景交互。本文对于三维可视化过程中场景交互仅仅聚焦在三维目标的平移、旋转、放缩等基本交互操作，从而满足Web实时性的要求。本文为三维可视化的Web模式提出了提供了两种交互式框架：一个基于传感器节点的场景更新框架，另一个基于Ajax3D（Ajax，Asynchronous JavaScript and XML）的框架。

5.1 基于传感器节点的场景更新框架

基于传感器节点的场景更新框架使用Web3D技术中预先定义的传感器节点来增强场景交互和更新。该场景中的传感器节点被动感应，并响应用户的存在和交互。Web3D允许开发者针对特定的用途，集成定制的脚本，并为内部和外部的ECMA脚本或者Java代码提供计算服务来实现相应的功能。使用这个框架，一旦场景从一个服务区载入到一个客户端，用户能够通过他们内部的传感器节点进行场景交互。

5.2 基于Ajax3D的框架

本文使用2D图像导航来阻止这样的不必要的模型重载，低分辨率图像的集合会比3D模型小很多。该2D导航器可以通过页面的Java script，使用Ajax3D技术，将指令消息转发给Web浏览器。该指令消息被推送到场景访问界面，来恰当地重新建模或者重新配置模型。使用这种方式，模型的2D导航器不会立即出发一个模型的重载，而是，3D模型会在用户提交选择好的位置和平面后进行重载。页面不需要重新载入。带着这样的结果，用户仍可以无缝地通过2D导航器实现3D导航，而不用不必须的模型重载。

6 总结

基于Web模式医学图像三维重构与可视化渲染方式，可以在异步条件下改变三维场景中的内容 ，给客户带来更加具有交互性的三维体验。医学图像可视化是图像处理在生物医学工程上的重要应用，三维重构后的图像提高了医疗诊断的准确性与科学性，有利于制定最优的治疗方案及放射手术规划，并可进行手术模拟，在解剖教育及医学提出了中具有重要意义。

参考文献

[1]B.Javidi et al.3D imaging and visualization： an overview of recent advances.2013 12th Workshop on Information Optics （WIO），pages 1-3，2013.

[2]D.Abate et al.Remote rendering and visualization of large textured 3D models.2012 18th International Conference on Virtual Systems and Multimedia （VSMM），pages 399-404，2012.

[3]G.Han and K.Kagawa.Towards a Web-based program visualization system using Web3D.2012 International Conference on Information Technology Based Higher Education and Training （ITHET），pages 1-4，2012.

作者简介

赵聪聪（1996-），女，大学本科学历。研究方向为软件工程。

王进科（1983-），男，博士学历。研究方向为医学图像分析。

作者单位

三维图像篇6

关键词：数字化人体图像；三维模型；解剖教学；实践

中图分类号：R322

1.数字化人体图像与三维模型

数字化人体图像主要是结合人体解剖学和现代影像学的相关知识，利用计算机软件系统，构筑相应的人体三维模型，实现人体功能的可视化和数字化，以数学模型带头实体进行解剖教学。我国数字化人体图像的研究产生于2001年，而截止于2013年，已经基本完成数字化人体数据库的构建，保证了数据的高度精密性。结合数字化人体图像虚拟平台，学生可以通过鼠标和键盘完成解剖操作。

三维模型在许多领域都有着广泛应用，在解剖学领域，主要是依照固定的方式，将人体投射到物体表面，然后结合数据图像技术的加工处理，形成三维模型，经计算机或者视频设备显示出来。结合一些常用的建模工具，可以实现三维建模。将三维模型应用到解剖教学中，具有相当显著的优势：一是可以使得学生从不同的视角，对人体器官的分布和结构进行直观观察，有效弥补理论教学方面的不足，学生通过切身观察，可以在脑海中形成完整的人体结构图，并且通过不断观察来加深印象；二是可以对模型进行重复操作，解决了传统解剖实践教学中存在的弊端。学生可以根据自身需求，通过手工操作或者点击操作，了解人体的器官和结构，也可以利用模拟软件进行课下练习，不断提升学习效果[1]。

2.数字化人体图像与三维模型在解剖教学中的实践

在传统解剖教学中，学生对人体结构和器官组织的观察主要是利用校方制作的实体标本来实现的，虽然直观有效，但是很容易受到天气、时间、场地等因素的影响，导致教学效率低下，也无法对学生的观察力、记忆力等进行培养。为了更好适应时展的要求，需要在教学中引入数字化人体图像和三维模型技术，提升实际教学效果。

数字化人体三维模型可以通过断面图像的数据分割实现，能够完成虚拟世界与计算机中的交换显示。在进行解剖教学过程中，运用数字化人体三维模型，教师可以引导学生从多个不同角度对人体的解剖结构进行观察，而通过鼠标调整视角，可以使得解剖实践中难以展示出来的结构清晰显示在学生面前，通过直观感受来帮助学生加深记忆。同时，教师还可以运用数字化本身的独特功能，将不同的结构以不同的颜色标注出来，方便整体分析；也可以单独提取出来进行讲解，更可以通过视频的方式，将人体器官全方位地展示出来。学生可以通过下载视频或图片的方式，在课后进行自主复习巩固所学知识[2]。

断层解剖学属于解剖学的重要组成部分，是在系统掌握解剖学以及局部解剖学知识的基础上，通过医学影像学等临床学科的相关知识，对人体的局部结构在连续断层中的形态变化以及关键位置进行全面细致的讲解。在断层解剖教学中，使用的图像一般是人体标本照片，不仅间距较大，而且无法实现对结构的连续跟踪，容易影响教学效果。而如果能够在断层解剖教W中将人体的断面图像与同一层面的CT及MRI图像放在同一张幻灯片上进行对比展示，则通过实物断面图与其他影像之间的相互对照，学生能够更好地理解断面的重点，形成连续印象，也可以更好地对断层图像进入记忆，区别其与CT影像和MRI影像之间的差异。在实际操作中，需要将数字化的人体图像的连续断面数据进行精确的预处理，然后构建完善的数据集，输入图形工作站，结合专用软件进行计算机重新采样，在对得到的矢状面和冠状面图像进行结构标注后，就可以应用到断层解剖教学中，形成相对完整的多媒体课件。

3.结语

总而言之，无论是数字化人体图像还是三维模型，在解剖教学中都发挥着非常重要的作用，不仅可实现教学模式和教学方法的创新，还可解决教学资源匮乏的问题，同时也可避免尸体解剖实验的烦琐性。另外，数字化人体图像和三维模型的应用，还可以对一些比较抽象和复杂的内容进行单独显示，帮助学生了解其具体形态，促进课堂教学效率的提高，受到教师和学生的一致欢迎。

参考文献：

[1]易学龙.数字化人体图像和三维模型在解剖教学中的应用[J].现代职业教育，2015（20）：54-55.

三维图像篇7

关键词： 解剖教学 数字化人体图像 三维模型

引言

解剖教学当中标本观察及实体尸体的解剖是较为重要的实训方式。科学技术的不断发展使得现代医学的实际教学模式和方法发生了转变[1]-[2]。数字化人体图像及三维模型都是科学技术在医学领域发展的重要成果，能够为解剖教学的发展提供重要支持，帮助学生在实际学习过程中拥有更多接触解剖实际过程的机会。以下是笔者对数字化人体图像的概述。

1.数字化人体概述

数字化人体或者是数字人都属于现代高科技产物，主要使用的是现代影像学及人体解剖学的方式得到人体的实际解剖结构的相关数量信息，在计算机上不断实现对于全部的数字化人体结构的三维模型进行建立，其中可视化及数字化的人体功能和结构，能够建立可以使用计算机进行处理的数字化模型。美国的医学图书馆相继进行了可视化的人计划和虚拟的人计划等相关人体模型及信息数字化计划。我国在二十世纪初开始迅速开展数字医学相关方面的研究，目前中国数字化的人体数据集已经实际建立完成。

2.三维模型概述

三维模型指的是由物体的多变性进行表示的，不断使用其他视频设备及计算机等实现显示。在三维模型中显示的物体可以是虚构的物理，也可以是在现实当中的实际物体。一般常用的三维建模工具相关的软件能够实际生成三维模型，或者也可以使用其他可行性方式进行。三维模型是其他信息和相关点的集合性数据，也能够使用手工方式生成。三维模型能够广泛应用于任何使用三维图形的领域。三维模型如今已经实际应用在各个领域当中。在一些医疗行业当中，使用三维模型制作相关的器官精确模型，在实际的科学发展领域当汇总使用三维模型制作相关的化合物的精确模型。另外，在视频游戏产业也可以使用三维模型作为视频游戏及计算机当中的有效资源。三维模型当中的纹理主要涉及一些一般意义上的物体表面上的纹理，这样可以让物体的表明能够显示出凹凸不平的沟纹，其中还涉及一些物体光滑表面上面呈现的色彩和图案。

3.数字化人体的三维模型在解剖教学中的应用

传统性的系统性解剖教学方式主要是通过实际制作尸体的标本提供给学生进行观察，标本在实际使用过程中会受到场地及时间等相关因素的限制和影响。要想适应如今的信息时代的发展，就需要使用计算机三维模型技术及时帮助解剖教学，这样才能够实现解剖教学的不断发展。数字化人体计算机三维模型一般是在连续重建软件构件的虚拟性模型上面，能够从各个角度观察解剖结构的实际空间位置之间相互的关系，还能够有效显示在标本上面难以显示的立体结构。在实际的显示和构造过程中，其所重建的结构能够使用在为伪彩色的任意搭配当中，实现任意旋转观察或者是录制的特定角度旋转的相关视频，并且使用在解剖教学当中，能够有效帮助学员在三维空间观察人体器官结构的相关形态及位置关系，学员还能够在课后环节自主观察和学习，激发学习兴趣。我国目前已经建立起了适合使用在各个层次和阶段的解剖学教学中的教学化资料和系统性的计算机三维模型，能够有效辅助解剖学的相关理论课程及实训课程教学，强化教学效果，培养创新型人才。

4.数字化人体图像在解剖教学中的应用

断层的解剖教学一般使用的图像主要来源于人体标本的相关照片，存在一些例如间距大且无法实现连续追踪结构等相关缺点。假如在实际的解剖教学过程中，将人体的断面图像和相关同一个层面上的CT和MRI影像放置在一张实际的幻灯上进行展示，那么实物断面图像和其他的影响之间进行互相对照，这样可以在很大程度上加深学生对于每个重点断面上的理解，同时能够促使学生牢固记忆断层的图像和CT及MRI影响之间存在的区别和联系。这样将数字化的可视人体存在的连续横断面数据进行精确的配准的预处理之后相对建立数据集，之后将其实际输入到图形工作站中使用相关的专业软件实现计算机重采样，之后得到冠状面及矢状面的相关图像，有效标注结构之后使用断层解剖学实现教学。在这样的过程中，也就实际制作成功了一个适合使用在断层解剖学的相关的成套的多媒体课件，其中还涉及头部和颈部等内容。最后，将制作完成的多媒体软件投入使用于实际的教学过程中，为学生提供更多参与机会。

结语

随着我国加入世贸组织，我国的各项经济发展步入了崭新阶段，经济发展十分迅速，科学技术也进入了深入发展阶段，在医学领域的应用得到了较为深入的发展。解剖教学在医学相关教学方面属于比较重要的一种，对于学生日后的职业发展有至关重要的影响[3]-[4]。

参考文献：

[1]李艳，李贺，周洋，陈曼丽.三维数字化模型在牙髓腔解剖教学中的应用[J].新疆医科大学学报，2013（07）.

[2]李一帆，杨茂有，尚云龙，宁云峰，李晓霜，李聪聪，吕元石，赵杰.三维虚拟数字化可视人体在解剖教学中的应用[J].解剖学研究，2012（05）.

[3]张少杰，高尚，王星，汪剑威，李志军，侯峰，王志强.数字三维可视化人体解剖软件在解剖学教学中的应用探讨[J].内蒙古医科大学学报，2014（S2）.

三维图像篇8

[关键词] 颧骨复合体骨折； 三维CT测量； Mimics软件； 头影测量

[中图分类号] R 782.4 [文献标志码] A [doi] 10.3969/j.issn.1000-1182.2012.02.004

Clinical application of Mimics software in three dimensional CT images for treatment of zygomatic complex fracture Zeng Yong, Zhang Gang, Lei Tao, Wu Xiaobo, Tan Yinghui. （Dept. of Stomatology, Xinqiao Hospital, The Third Military Medical University, Chongqing 400037, China）

[Abstract] Objective To study a reliable CT measuring method for quantitative diagnosis of unilateral zygomatic complex fracture and operation guiding. Methods 20 zygomatic complex fracture patients needed operation were col-lected, three dimensional CT images of all patients were measured and analyzed by Mimics software before operation. Standard anatomy points of bilateral zygomatic complex and adjacent bone were selected, then the distance of two same selected points and the angles of three same selected points were measured by Mimics software. Compared to unin-jured side, the different value of the distance and the angle of injured side zygomatic complex were acquired, zygomatic complex fractures were operated based on the different value. All patients were examined by three dimensional CT post-operatively, and the different value of the distance and the angle of both side were measured using same method to